朱東良，顧燕蘇，危凱琪，張 雄

(1.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004；2.國網(wǎng)福建省電力有限公司，福建 福州 350000)

0 引言

隨著電力工業(yè)的快速發(fā)展，電容型驗(yàn)電器作為一種常見的電力安全工具，其使用越來越頻繁，在電力檢修等關(guān)系人身安全的活動(dòng)中起著關(guān)鍵作用。為保證驗(yàn)電器正常工作，給操作人員發(fā)出清晰準(zhǔn)確的指示信號，需要在驗(yàn)電器的檢測試驗(yàn)中準(zhǔn)確測出啟動(dòng)電壓數(shù)值，并在同相、反相電場干擾試驗(yàn)中保證驗(yàn)電器的正確指示。

1 驗(yàn)電器雜散電容仿真計(jì)算

電容型驗(yàn)電器是一種通過檢測流過驗(yàn)電器對地雜散電容中的電流來指示電壓是否存在的裝置。從原理上分析，在驗(yàn)電器接觸帶電設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)電時(shí)，帶電設(shè)備、驗(yàn)電器電極、驗(yàn)電器地之間會形成一個(gè)雜散電容；驗(yàn)電器地、驗(yàn)電器絕緣桿、操作者人體和大地形成另一個(gè)電容，兩個(gè)電容的串聯(lián)回路中會流過一個(gè)微弱的電流，通過對微弱電流進(jìn)行檢測，在達(dá)到一定數(shù)值后，驗(yàn)電器會發(fā)出有電指示以提醒操作者。

雜散電容由電容型驗(yàn)電器接觸電極與內(nèi)部電路板電源地形成，電路板電源負(fù)極由導(dǎo)線連接到一個(gè)圓形金屬片。由于無法通過計(jì)算公式得出電容，且需要考慮電場邊緣效應(yīng)，因此，若通過多物理場仿真軟件進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，首先先建立相應(yīng)的幾何模型(見圖1)，再設(shè)置材料及終端電壓等邊界條件并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后計(jì)算出雜散電容的值為25 pF。

圖1 電容型驗(yàn)電器幾何模型

2 驗(yàn)電器原理及啟動(dòng)電壓仿真試驗(yàn)

2.1 驗(yàn)電器電路

電容型驗(yàn)電器作為一種接觸式驗(yàn)電器，由接觸電極、驗(yàn)電器本體、伸縮絕緣桿組成；驗(yàn)電器本體由電路板、紐扣電池、一個(gè)自檢按鈕AN、兩個(gè)LED燈及一個(gè)蜂鳴器組成。以35 kV GSY型電容型驗(yàn)電器為例，其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 35 kV GSY型電容型驗(yàn)電器電路結(jié)構(gòu)

整個(gè)電路主要由限流電路、縮放電路、濾波及諧波振蕩電路、聲光報(bào)警電路等部分組成。電流經(jīng)電極、電阻R1、反向二極管D1流入PNP三極管Q1基極，當(dāng)電流達(dá)到一定閾值后，Q1導(dǎo)通，R3電壓拉升至高電平，經(jīng)過C1電容濾波后輸入4011B與非門，經(jīng)過諧波振蕩電路調(diào)整后輸出矩形方波脈沖信號，點(diǎn)亮D2，D3發(fā)光二極管，并使蜂鳴器發(fā)出聲響。在按下自檢按鈕AN后，4011B與非門輸入高電平，同樣可以點(diǎn)亮D2，D3發(fā)光二極管，并使蜂鳴器發(fā)出聲響。

2.2 驗(yàn)電器電路仿真與啟動(dòng)電壓試驗(yàn)

采用電子電路仿真軟件搭建該款驗(yàn)電器仿真電路，如圖3所示，研究驗(yàn)電器內(nèi)部電流、電壓波形變化情況。

圖3 35 kV GSY型電容型驗(yàn)電器仿真電路

C4為驗(yàn)電器雜散電容，V1為驗(yàn)電器在電場中的感應(yīng)電壓，逐漸增大V1，觀察Q1集電極電流及4011BP與非門輸出電壓波形，結(jié)果見表1。

表1 驗(yàn)電器電路仿真結(jié)果

因此，根據(jù)上述仿真試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)驗(yàn)電器電極與驗(yàn)電器地之間的感應(yīng)電壓達(dá)到2.45 kV時(shí)，驗(yàn)電器啟動(dòng)，發(fā)光二極管和蜂鳴器發(fā)出清晰指示。

3 驗(yàn)電器實(shí)際啟動(dòng)電壓試驗(yàn)

按照DL/T 740—2014《電容型驗(yàn)電器》對35 kV驗(yàn)電器進(jìn)行實(shí)際啟動(dòng)電壓試驗(yàn)，結(jié)果見表2。

表2 驗(yàn)電器啟動(dòng)電壓

啟動(dòng)電壓平均值為7.85 kV，符合標(biāo)準(zhǔn)中啟動(dòng)電壓在0.1Un～0.45Un范圍內(nèi)的要求。

4 驗(yàn)電器啟動(dòng)電壓試驗(yàn)仿真模型

根據(jù)DL/T 740—2014《電容型驗(yàn)電器》標(biāo)準(zhǔn)，35 kV電容型驗(yàn)電器啟動(dòng)電壓試驗(yàn)布置如圖4所示，球電極接試驗(yàn)變壓器高壓輸出，試驗(yàn)時(shí)環(huán)電極接地。

圖4 電容型驗(yàn)電器啟動(dòng)電壓試驗(yàn)布置

建立仿真模型，設(shè)置材料及靜電邊界條件，驗(yàn)電器電極和球電極終端電壓設(shè)為7.85 kV，驗(yàn)電器地設(shè)置為浮動(dòng)電位，環(huán)電極和地面接地。

驗(yàn)電器電極周圍電勢分布如圖5，靠近電極附近電場強(qiáng)度最大，即電位梯度最大，隨著距離增加，電勢快速下降，并逐漸平緩，電位梯度隨即降低。根據(jù)仿真結(jié)果，驗(yàn)電器地懸浮電位為5.383 kV，與驗(yàn)電器電極(電位為7.85 kV)的電勢差為2.467 kV，與驗(yàn)電器電路仿真啟動(dòng)電壓試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

圖5 驗(yàn)電器電極周圍電勢分布

5 結(jié)束語

以上通過對35 kV驗(yàn)電器原理及電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并采用電路仿真模型與靜電物理場仿真模型對35 kV驗(yàn)電器啟動(dòng)電壓試驗(yàn)進(jìn)行了仿真，經(jīng)實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證分析，結(jié)果基本一致，為電力安全工器具的試驗(yàn)提供了一種驗(yàn)證分析方法。