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)
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。
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
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。
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。
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。
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
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。