感應(yīng)式高壓報警電路的探討與設(shè)計

山西工程技術(shù)學(xué)院 崔建國 寧永香

對于高壓電氣工作人員，為了保護他們的安全，很有必要配備一個高壓報警電路，針對市場上眾多的同類型設(shè)備，利用場效應(yīng)管高輸入阻抗的特點，設(shè)計兩套感應(yīng)式高壓報警電路，其一利用壓電陶瓷片兼做發(fā)聲和反饋元件設(shè)計一套報警電路，其二利用555時基電路設(shè)計一套報警電路，兩套方案都可以高效完成較遠距離探測高壓電的人員，性價比皆比較高。

引言：現(xiàn)代電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，電網(wǎng)容量不斷擴大，對電網(wǎng)運行的可靠性要求也越來越高。所以在高壓線路遍布全國的今天，為了保障維護和檢修人員的安全，針對高電壓都有一定的安全距離范圍，誤入其內(nèi)會發(fā)生傷亡事故的應(yīng)用問題，很有必要來設(shè)計一種感應(yīng)式高壓偵測與報警裝置，根據(jù)不同高電壓等級的安全距離標準，自動給出報警，并能偵測出與高壓源的距離，顯示出來。這樣不僅僅是保障了線路人員的生命安全，也是對整個電網(wǎng)穩(wěn)定運行提供了一定的保障（李中年.控制電器及應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007）。

電氣檢修人員需要的感應(yīng)式高壓報警器能夠在不接觸的前提下，探測線路是否帶有高壓。它能檢測交流市電(220V或380V)，顯像管高壓以及高壓輸電線路的探測。由于不許接觸高壓線路，所以感應(yīng)片所探測到的信號非常微弱，由于場效應(yīng)管有高輸入阻抗以及電壓放大特性，故一般的感應(yīng)式高壓報警器通常皆以場效應(yīng)管作為輸入級，下面設(shè)計兩個方案以供探討。

1 壓電蜂鳴器兼做反饋電容的音頻振蕩器報警電路

用兩個三極管組成一個直接耦合型多級放大電路，以報警發(fā)聲元件壓電蜂鳴器兼做反饋電容，從而構(gòu)成一個簡單的音頻振蕩器，實現(xiàn)報警的目的，如圖1所示。

在圖1所示的感應(yīng)式高壓報警線路中，T1是結(jié)型場效應(yīng)管，利用其高輸入阻抗的特點以及電壓放大特性作信號撿拾和放大，T2作開關(guān)管用，D1為穩(wěn)壓二極管，用來改善開關(guān)特性。感應(yīng)片沒有撿拾到信號時，D1、T2均截止。

當(dāng)接近高壓時，場效應(yīng)管柵極感應(yīng)到信號，放大后由漏極輸出。當(dāng)漏極電位大于D1的穩(wěn)壓值與UBE2值之和時，開關(guān)管T2導(dǎo)通，接通聲音報警和發(fā)光報警的電源，線路既有聲光報警信號。

電位器P是用來調(diào)整報警啟動靈敏度的，通過調(diào)整P，一般可以達到以下指標：交流220V時，感應(yīng)報警距離為5～20CM；10KV高壓輸電線路時，感應(yīng)報警距離為80～250CM；顯像管高壓為10～30CM。

LED可選用圓形紅色的或黃色的。

三極管T3、T4組成音頻振蕩器，壓電蜂鳴器HTD兼做反饋電容；T2的β值最好能大于100，其余三極管的β值在50～100間選用；電源可選用9V疊層電池，以縮小體積。

調(diào)試時先不接T1，接通電源，調(diào)電位器P使T2飽和導(dǎo)通，此時LED應(yīng)發(fā)光，壓電蜂鳴器應(yīng)發(fā)聲，如壓電蜂鳴器不發(fā)聲，可改變R2的阻值，使振蕩器T3、T4起振。

然后關(guān)上電源，接好T1，將T1柵極套上塑料套管，彎成一個開口的小圓環(huán)以拾取信號。整機裝好后，調(diào)試W使T2退出飽和區(qū)，并根據(jù)所需的靈敏度確定其阻值。

調(diào)好后的整機靜態(tài)待機時耗電約0.3mA，報警時耗電約15mA。

2 以555時基電路接成無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的報警電路

該設(shè)計可以實現(xiàn)在報警器接近高壓帶電體時，會發(fā)出響亮的報警聲，它是電氣工作人員檢修高壓線路的一種適用保安工具。

圖2 以555時基電路接成無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的報警電路

2.1 報警器電氣原理

電路如圖2所示，圖中的555時基電路接成一個無穩(wěn)態(tài)自激多諧振蕩器。感應(yīng)片所連接的感應(yīng)電路BG選擇場效應(yīng)管，充分利用其高輸入阻抗的特點，可以使非常微若的感應(yīng)信號順利進入報警電路，作為555多諧振蕩電路的觸發(fā)信號（李仁.電器控制[M].北京:機械工業(yè)出版社,2013）。

而且場效應(yīng)管BG必須選擇耗盡型場效應(yīng)管，可以是結(jié)型場效應(yīng)管或絕緣柵場效應(yīng)管中的耗盡型場效應(yīng)管,本設(shè)計采用3DJ4系列結(jié)型場效應(yīng)管(N道溝)。這類耗盡型場效應(yīng)管在柵極未加電壓時D（漏）S（源）間存在有導(dǎo)電溝道，加了柵極反向電壓后可以將原有的導(dǎo)電溝道夾斷，使電流進入飽和區(qū)，通過所加?xùn)艠O的高低來控制其導(dǎo)電溝道的大小，起到電壓控制電流的作用。正因為未加?xùn)艠O電壓時DS間有導(dǎo)電溝道，所以用歐姆表測量DS間就有了固定電阻值（韓廣興.電子元器件與實用電路基礎(chǔ)[M].北京:電子工業(yè)出版社(修訂版),2005）。

平時，場效應(yīng)管BG處于零偏狀態(tài)，由于漏、源極之間的電阻較小，與漏極相連的的IC（555時基電路）的第4腳處于低電位（＜0.7V）,時基電路不工作，壓電陶瓷片HTD不發(fā)聲，一旦報警器接近高壓帶電體，與BG柵極相連的感應(yīng)片就會感應(yīng)到電場信號，使BG漏源之間的電阻增大，IC第4腳獲得高電位，振蕩器起振，IC第8腳輸出一系列音頻振蕩信號，經(jīng)輸出電容C2耦合、音頻變壓器B升壓后，驅(qū)動壓電陶瓷片HTD發(fā)出響亮的報警聲（劉暢生.傳感器簡明手冊及應(yīng)用電路[M].陜西:西安電子科技大學(xué)出版社,2006）。

整機可焊裝在體積僅55*50*20mm2的非金屬絕緣材料小盒內(nèi)。IC可選用NE555、5G1555等型時基電路，BG選用3DJ6型結(jié)型場效應(yīng)管，要求飽和漏極電流小于1mA。變壓器B采用晶體管收音機里常用的小型輸出音頻變壓器來代替，C1用滌綸或瓷介電容器皆可，電源E用4F20型6V疊層干電池。

感應(yīng)片用面積約15*15mm2的小金屬片制作，HTD用普通壓電陶瓷片蜂鳴片，這兩者安裝時均應(yīng)用環(huán)氧樹脂粘貼在機盒內(nèi)壁上。

2.2 使用注意事項

使用時，將報警器安放在電氣工作人員的安全帽或上衣袋內(nèi)，即可起到防誤登帶高壓電桿（塔）或誤入帶電高壓禁區(qū)的報警。

本機報警靈敏度與感應(yīng)片面積大小、和R1阻值大小有關(guān)，改變R1阻值可改變報警靈敏度。

實測報警距離為：110～220kV高壓輸電線路為5～10米；35kV高壓輸電線路為2～6米；10kV高壓輸電線路為0.8～2.5米；交流220V市電線路為5～20厘米。

使用者在取得一定經(jīng)驗數(shù)據(jù)后，還可根據(jù)報警距離估計高壓高低，此外，該裝置在靠近工頻時，其音頻信號受50hZ周波的調(diào)制，發(fā)聲為蟋蟀顫音，當(dāng)處于靜電場中時，發(fā)聲為電笛樣直音。

3 結(jié)語

通過以上兩個感應(yīng)式高壓報警線路的設(shè)計與分析，可以看出報警器的感應(yīng)端都比較相似，但基于振蕩電路設(shè)計的不同，其報警距離有所不同。兩個設(shè)計各有千秋，其對電氣行業(yè)的工作人員的安全都可以起到很好的保護，隨使用者的喜好而選擇其即可。