高壓輸電線路帶電指示器的研究與設計

張永康

0 引言

在電纜分支箱、箱式變壓器及環網柜等全絕緣設備中，由于各個帶電部件都是全絕緣的，無法直接判斷線路是否帶電，同時對于架空高壓輸電線路，由于架設距離較高，且電壓等級較高也無法直接判斷線路是否帶電，為了對上述設備是否帶電進行準確判斷，本文提出一種基于場強法的高壓輸電線路帶電指示器，可以廣泛地應用于室內和室外電壓等級為10～500 kV電氣設備上，以翻牌形式顯示出高壓設備帶電運行狀況，可有效防止誤觸電、帶電掛地線等引起的人身、設備和電力系統停電事故，對電力系統的安全可靠運行具有重要意義。

1 高壓輸電線路帶電指示器設計原理

1.1 從高壓輸電線路上間接獲取電壓信號

1.1.1 工頻電場計算原理[1～5]

本文主要研究工頻交變電場，頻率為 50（或60）Hz，其波長遠大于所研究場域的幾何尺寸，故可以用靜電場的一般概念來分析。關于輸電線路及附近工頻電場的算法，根據“國際大電網會議第36.01工作組”推薦的方法，一般采用以鏡像法為理論基礎的等效電荷法計算高壓送電線下空間工頻電場強度。

高壓輸電線的電場計算采用等效電荷法，高壓輸電線路上的等效電荷是線電荷，由于高壓輸電線半徑r遠遠小于架設高度h，所以等效電荷的位置可以認為是在送電導線的幾何中心。下文假設輸電線路為無限長并平行于地面，且把地面視為良導體，研究計算單位長度導線上的電荷。

1.1.2 單位長度導線上等效電荷的計算

設輸電線路為無限長且與地面平行，地面可視為良導體，利用鏡像法計算輸電線上的等效電荷。為了計算多導線線路中導線的等效電荷，采用麥克斯韋電位系數法計算，可列出下列矩陣方程：

式中，[U]為各導線對地電壓單列矩陣；[Q]為各導線上等效電荷單列矩陣；[λ]為各導線自電位系數和互電位系數組成的n階方陣（n為導線數目）。

[U]矩陣可由輸電線的電壓和相位確定，以額定電壓作為計算電壓，由三相線間電壓可計算各導線對地電壓為。矩陣[λ]可以由鏡像原理求得。地面為電位等于零的平面，地面的感應電荷可由對應地面導線的鏡像電荷代替，用i，j…表示相互平行的實際導線，用i′，j′…表示它的鏡像，如圖1所示。

圖1 電位系數計算圖

電位系數可寫為

式中，ε0為空氣介電常數，

Ri為送電導線半徑，對于分裂導線可以用等效的單根導線代替，Ri計算式為

式中，R為分裂導線半徑（圖2）；n為次導線根數；r為次導線半徑。

圖2 等效半徑計算圖

由[U]和[λ]矩陣，利用式（1）即可解出[Q]矩陣：

由于交流電壓隨時間不斷變化，根據上述原理就會產生變化的電荷，變化的電荷就會產生電流。對于已知的固定排列的三相或多相輸電線，[U]和[λ]（[τ]）均為定值，理論上[Q]也為定常值，電位系數[λ]的逆陣[τ]，即為空間某點導體與高壓導線之間的電容量。

1.1.3 電場和電壓信號的獲取電路

當電極與高壓輸電線路接觸時，電極與輸電線路之間就可以等效為一電容，如圖3所示，利用電容的分壓特性在電容C兩端可以獲得與輸電線路電壓成分完全一致的電壓信號，將該信號送到信號處理電路處理后，就可作為輸電線路是否存在電壓的判據。

圖3 電場耦合式電壓信號采集電路圖

1.2 從高壓輸電線路上間接獲取電能

當高壓輸電線路上有較大電流通過時，在其周圍就會耦合出磁場，這樣使輸電線路穿過截面較小的電流互感器（下文簡稱CT），利用鐵心的磁飽和特性可以得到較為穩定的直流電壓，這就是該電源設計的理論依據。小CT取電即從高壓母線上感應得到交流電能，然后經整流、濾波、泄放、DC-DC變換等，得到穩定的5 V和3.3 V電壓，為后面的電子電路提供電能，設計框圖如圖4所示。從高壓側取得的這部分能量相對于一次側的總能量是非常小的，不會對高壓側產生影響。

當小CT在進入飽和狀態后，輸出電壓穩定，圖5為小CT的鐵心深度飽和時的波形圖。

圖4 小CT取電電路原理框圖

從圖5可以看出，鐵心未飽和時，磁感應強度隨時間變化近似成線性；當鐵心飽和后磁感應強度增長極其緩慢，可以近似地認為此時的磁感應強度維持在一個定值（BS）不變。其二次側電壓值為

式中，e2為二次側電壓值，N2為二次側線圈匝數，Φ為主磁通，S為鐵心截面積。

在時間t1到t2區間對e2進行積分：

由式（7）可得，在鐵心進入飽和后半個周期內的電壓值是一個定值，如圖5中上面的曲線，而且可以看出，其大小與母線電流無關，只與鐵心截面積，二次側線圈匝數和飽和磁感應強度有關。

圖5 鐵心深度飽和時磁感應強度和電動勢的曲線圖

2 高壓輸電線路帶電指示器的設計

高壓輸電線路帶電指示器主要包括電場耦合式電壓信號采集電路、信號處理電路、小CT取電電路、電池電源電路、微處理器、翻牌指示驅動電路、翻牌指示器和接口電路。其原理結構見圖6。

該帶電指示器用專用結構掛接在輸電線路上，當輸電線路上的電流大于50 A時，利用電場耦合原理即可獲得指示器持續工作的電能，同時考慮采用小截面鐵心，利用磁場飽和技術解決了大電流時的限流問題，使指示器電流超過3 000 A時仍然可以可靠地工作，當輸電線路電流小于50 A時采用電池為指示器提供持續工作的電能，指示器正常工作時電流小于2 mA。當輸電線路上有電壓時，則指示器翻紅牌，輸電線路上沒有電壓時，則指示器翻白牌。

圖6 高壓輸電線路帶電指示器原理結構圖

3 結論

利用上述原理設計了高壓輸電線路帶電指示器，首先利用磁場耦合原理為指示器工作提供持續的電能，利用磁場飽和技術解決大電流時的限流問題，利用電場原理解決非接觸耦合方式測量輸電線路電壓問題，使輸電線路帶電指示器的設計變得簡單而可靠，高壓輸電線路帶電指示器經現場使用，完全滿足輸電線路帶電指示的要求，為輸電線路檢修、維護和故障巡檢提供了全新的可靠的方法。

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