一種帶電報警型接地線的研究與設計

王曉輝 吳 斌 戴 明 孫忠文 姬聯合

一種帶電報警型接地線的研究與設計

王曉輝 吳 斌 戴 明 孫忠文 姬聯合

（國網徐州供電公司，江蘇徐州 221000）

為減少裝設接地線時人力投入，避免帶電裝設接地線的惡性操作事故發生，保證人身和設備的安全運行，本文研究與設計一種帶電報警型接地線。根據接地線接頭間的尺寸，設計了帶濾波功能、抗電磁干擾功能的近電感應器，并對其他模塊進行選型。試驗以及試用結果證明，本裝置能可靠的在帶電設備安全距離外發出報警信號，并有效減少裝設接地線時的人力投入。

近電感應器；接地線；人力投入

隨著電力負荷多樣化的發展，10kV饋電線路多采用環形網絡供電方式，而分布式電源的廣泛應用使得環網接線線路反送電的概率極大增加[1-2]。《國家電網公司電力安全工作規程》：“驗電時，應使用相應電壓等級而且合格的接觸式驗電器，在裝設接地線或合接地刀閘（裝置）處對各相分別驗電。驗電前，應先在有電設備上進行試驗，確證驗電器良好。”[3]為了防止在驗電后裝設接地線過程中線路突然來電，操作人員就必須由兩人增加為3人，1人裝設接地線，1人監護，另外1個手持驗電器對線路持續驗電。

本文提出一種報警型接地線設計方案，使接地線具備近電報警器的功能，從而在裝設接地線的過程中由3人減為2人。本文對裝置結構、模塊選型、工作原理以及保護電路進行研究討論和現場實驗，根據實驗結果分析報警型接地線的可行性、穩定性，設計出一種實用性強、穩定性高的報警型接 地線。

1 裝置結構及模塊化設計

1.1 結構設計

為了能保證近電驗電器的靈敏度，所以將近電驗電器安裝在接地線的頭部，根據接地線接頭間的尺寸，利用AutoCAD 2015，設計面板圖，如圖1所示。同樣，根據近電報警器尺寸和安裝位置，在地線接頭上開出=2.5mm的圓孔、=1mm的絲孔和厚度=1mm的凹槽，如圖2所示。

圖1 面板圖

圖2 地線接頭開孔實圖

對開孔后的地線接頭進行測試，電阻值基本不變，模擬裝設接地線，其機械強度能夠滿足工作 需求。

1.2 模塊化設計

本次設計的近電感應器分為4個模塊，分別為感應模塊、電壓比較模塊、報警模塊以及電源模塊，如圖3所示。感應模塊根據交流線路的感應電場，將采集到的信號經過濾波電路、抗電磁干擾電路以及分壓電路傳輸到電壓比較模塊，如果高于設定值，報警模塊就發出報警信號。

圖3 近電感應器模塊化設計

感應模塊采用天線與濾波電路以及抗電磁干擾電路串聯的方式，從而對工頻信號進行采集。電壓比較模塊采用IC集成電路，技術成熟，體積小，靈活性強。報警模塊采用5V有源蜂鳴器實現報警功能。考慮到帶電報警型接地線采用了側面鑲嵌式結構方案，由于紐扣電池具有體積小，便于安裝的特點，所以電源模塊選用鋅銀扣式電池[4]。

2 非接觸驗電器工作原理

2.1 驗電器原理圖設計

本次設計采用ICL7665電源監控模塊，上下閥值通過電阻來設置，ICL7665具有精確的內部基準比較，輸出電流吸入能力高[5-6]，其原理如圖4所示。

1）當SET2＞1.3V時，OUT2開關關閉，HYST2開關打開，OUT2點為高電壓。

2）當SET2＜1.3V時，OUT2開關打開，HYST2開關關閉，OUT2點為低電壓。

圖4 近電感應器原理圖

3）當按下S1時，CC為5V，由于1+2+5遠大于41+42，所以SET2＞1.3V，OUT2點為高電壓。

4）當J1感應到交流線路的電壓時，根據分壓原理，設置500kW大小來調節SET2的電壓，使SET2＞1.3V。

2.2 濾波電路設計

圖5所示為有源的二階帶通濾波器，它是一個負反饋濾波器，使用一個運算放大器，單電源供。根據調節參數，可以使上、下限截止頻率非常接近，可以達到工頻的頻率選擇性，非常適用于近電驗電器。令1=2=3=1mF，eq=1//2。品質因數等于中心頻率除以帶寬，如式（3）所示。由式可以看出，可以通過讓3＞＞eq來獲得理想的值。值越大，頻率選擇性越好，帶寬越小。

圖5 帶通濾波器電路

其中：

（2）

（3）

根據我國電能質量的要求，頻率范圍為

本濾波器可以通過的頻率范圍為

可見，符合設計要求。

2.3 抗電磁干擾設計

1）浪涌

浪涌是間接雷擊所產生的大電流以及電源系統切換產生的干擾、附近設備大型開關跳動的干擾、各種系統性故障等。

模擬電壓：共模4kV（4級），差模2kV（4級）。

模擬波形：1.2/50ms，使模擬雷擊時線纜上產生的感應過電壓的波形，如圖6所示，將從1.2ms開始持續50ms的電壓波形加載到各線路上對線路進行測試。

圖6 1.2/50ms過電壓脈沖波形

針對浪涌實驗的技術特性，應作出相應的過壓保護，在浪涌信號瞬間加在輸出和信號端口時，在端口內應有保護器件，可以在納秒時間內對電壓進行吸收或者鉗位。解決方案如下。

（1）壓敏電阻。壓敏電阻的工作原理主要是根據電壓的大小相應的改變阻值的大小，在電壓大于限定值時，壓敏電阻將起到分壓作用，可以對輸入電壓進行有效的鉗位，在電壓低于限定值時，壓敏電阻則不導電[7]。

優點：響應時間比較快（小于等于25ns）。

缺點：使用壽命較短，能承受浪涌的次數較少。

（2）瞬態抑制二極管。這是一種二極管形式的保護過電壓的元器件，當保護區域受到大電壓或者大電流的時候，可以將保護的端口的輸入高阻抗變為低阻抗，可以吸收幾千瓦功率的浪涌波形。

優點：向應時間非常快（小于等于1ns）。

缺點：通常用于DC電路，耐流能力比較差。

可以將壓敏電阻和TVS管的性能總結為表1。

表1 壓敏電阻和TVS特性表

當流過的過電流太大時，壓敏電阻有可能會應為被擊穿而失效，而TVS的通流量在限壓型保護器中是最小的，適用于直流電源處。從表1可以看出，兩種電路保護器件的特性可以互補，所以本次設計在需要進行浪涌實驗的輸入輸出口，壓敏電阻和TVS管將共同對電路進行兩級保護。

2）脈沖磁場

閃電、接地故障以及機械開關對點感性負載的切換，通常會對系統中的電路產生瞬時擾動，它們共同點有：脈沖成群出現、脈沖的重復率較高、脈沖波形的上升時間短暫、單個秒沖的能量較低，會使設備產生誤動作[8]。本控制終端需要通過脈沖磁場試驗，內容如下。

脈沖群干擾為共模性質，通過容性的耦合加入設備，相當于通過一個高通濾波器，只有高頻信號就可以進入設備，所以要對高頻信號進行處理，本控制終端電路設計時，將有可能通過高頻信號的電路串聯共模電感，作用有兩點：

（1）電感本身的特性可以衰減掉一些高頻干擾成分。

（2）耦合電容和共模電感產生串聯諧振，若，增大，則減小，這樣可以抑制頻率比較低的脈沖群信號干擾；若減小，則增大，這樣就可以抑制頻率比較搞的脈沖群信號干擾。

3）保護電路

如圖7所示，信號輸入端并聯一個TVS管和一個壓敏電阻，在壓敏電阻與TVS管之間串聯兩個共模電感，作為近電感應器的保護電路，從而限制浪涌以及脈沖群的影響。

圖7 抗電磁干擾電路

3 現場實驗及結果分析

3.1 近電感應器試驗

本次研究與設計的帶電報警型接地線的整體組裝實物圖如圖8所示，在變內將帶電報警型接地線在相應電壓等級安全距離范圍內做報警試驗，試驗結果見表2，其報警距離均大于《國家電網公司電力安全工作規程》規定的“設備不停電的安全距離”，而且成功率為100%，因此滿足線路突然來電在安全距離內的報警功能需求。

圖8 整體組裝實物圖

表2 試驗結果

3.2 帶電報警型接地線試用

帶電報警型接地線首先在國網徐州供電公司變電運維室劉灣運維班進行試用，試用期間，共裝設了20次接地線，試用結果見表3。

由表3可知，在裝設接地線過程中，能夠一人監護，一人完成裝設接地線的工作，省去一人同時持驗電器持續驗電的工作量；而且在裝設接地線過程中成功發現35kV黃張線線路反送電，避免了可能發生的人身和設備事故。

4 結論

本次研究設計的帶電報警型接地線，在保證操作安全的前提下，成功將驗電、裝設接地線操作從3人恢復至2人，減少了人力投入。原操作模式每次投入人數為3人；新操作模式每次投入人數2人。原操作模式總人力投入=3人×20次=60人·次，新操作模式總人力投入=2人×20次=40人·次，試用期內共減少人力投入：20人·次。

表3 裝設接地線情況統計表

帶電報警型接地線具備線路突然來電時報警功能。當出現線路反送電時，向操作人員二次提醒，使其及時發現線路帶電，有效避免帶電裝設接地線的惡性操作事故發生，從而保證了人身和設備的安全運行。

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Research and Design of a Kind of Grounding Line with Power-alarm

Wang Xiaohui Wu Bin Dai Ming Sun Zhongwen Ji Lianhe

(State Grid Xuzhou Power Supply Company, Xuzhou, Jiangsu 221000)

In order to reduce the manpower input to install the grounding wire, to avoid the malignant operation accident of installation grounding wire in the case of electricity and to ensure the safe operation of the personal and equipment, this paper studies and designs a kind of ground wire for power-alarm. According to the size of the grounding line joint, a power-alarm with filtering function and anti-electromagnetic interference function is designed, with other modules being matched. The test and the results show that the device can reliably send out alarm signals outside the safe distance of the charged equipment, and effectively reduce the manpower input when the grounding wire is installed.

power-alarm; grounding line; manpower input

王曉輝（1990-），男，江蘇徐州人，工學碩士，助理工程師，從事變電站運維檢修工作。