感應式高壓報警電路的探討與設計

山西工程技術學院 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備，利用場效應管高輸入阻抗的特點，設計兩套感應式高壓報警電路，其一利用壓電陶瓷片兼做發聲和反饋元件設計一套報警電路，其二利用555時基電路設計一套報警電路，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：現代電網結構日趨復雜，電網容量不斷擴大，對電網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，誤入其內會發生傷亡事故的應用問題，很有必要來設計一種感應式高壓偵測與報警裝置，根據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，也是對整個電網穩定運行提供了一定的保障（李中年.控制電器及應用[M].北京:清華大學出版社,2007）。

電氣檢修人員需要的感應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，所以感應片所探測到的信號非常微弱，由于場效應管有高輸入阻抗以及電壓放大特性，故一般的感應式高壓報警器通常皆以場效應管作為輸入級，下面設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，以報警發聲元件壓電蜂鳴器兼做反饋電容，從而構成一個簡單的音頻振蕩器，實現報警的目的，如圖1所示。

在圖1所示的感應式高壓報警線路中，T1是結型場效應管，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作開關管用，D1為穩壓二極管，用來改善開關特性。感應片沒有撿拾到信號時，D1、T2均截止。

當接近高壓時，場效應管柵極感應到信號，放大后由漏極輸出。當漏極電位大于D1的穩壓值與UBE2值之和時，開關管T2導通，接通聲音報警和發光報警的電源，線路既有聲光報警信號。

電位器P是用來調整報警啟動靈敏度的，通過調整P，一般可以達到以下指標：交流220V時，感應報警距離為5～20CM；10KV高壓輸電線路時，感應報警距離為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。

調試時先不接T1，接通電源，調電位器P使T2飽和導通，此時LED應發光，壓電蜂鳴器應發聲，如壓電蜂鳴器不發聲，可改變R2的阻值，使振蕩器T3、T4起振。

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

調好后的整機靜態待機時耗電約0.3mA，報警時耗電約15mA。

2 以555時基電路接成無穩態多諧振蕩器的報警電路

該設計可以實現在報警器接近高壓帶電體時，會發出響亮的報警聲，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時基電路接成無穩態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態自激多諧振蕩器。感應片所連接的感應電路BG選擇場效應管，充分利用其高輸入阻抗的特點，可以使非常微若的感應信號順利進入報警電路，作為555多諧振蕩電路的觸發信號（李仁.電器控制[M].北京:機械工業出版社,2013）。

而且場效應管BG必須選擇耗盡型場效應管，可以是結型場效應管或絕緣柵場效應管中的耗盡型場效應管,本設計采用3DJ4系列結型場效應管(N道溝)。這類耗盡型場效應管在柵極未加電壓時D（漏）S（源）間存在有導電溝道，加了柵極反向電壓后可以將原有的導電溝道夾斷，使電流進入飽和區，通過所加柵極的高低來控制其導電溝道的大小，起到電壓控制電流的作用。正因為未加柵極電壓時DS間有導電溝道，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[M].北京:電子工業出版社(修訂版),2005）。

平時，場效應管BG處于零偏狀態，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不發聲，一旦報警器接近高壓帶電體，與BG柵極相連的感應片就會感應到電場信號，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，經輸出電容C2耦合、音頻變壓器B升壓后，驅動壓電陶瓷片HTD發出響亮的報警聲（劉暢生.傳感器簡明手冊及應用電路[M].陜西:西安電子科技大學出版社,2006）。

整機可焊裝在體積僅55*50*20mm2的非金屬絕緣材料小盒內。IC可選用NE555、5G1555等型時基電路，BG選用3DJ6型結型場效應管，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，這兩者安裝時均應用環氧樹脂粘貼在機盒內壁上。

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，即可起到防誤登帶高壓電桿（塔）或誤入帶電高壓禁區的報警。

本機報警靈敏度與感應片面積大小、和R1阻值大小有關，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驗數據后，還可根據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周波的調制，發聲為蟋蟀顫音，當處于靜電場中時，發聲為電笛樣直音。

3 結語

通過以上兩個感應式高壓報警線路的設計與分析，可以看出報警器的感應端都比較相似，但基于振蕩電路設計的不同，其報警距離有所不同。兩個設計各有千秋，其對電氣行業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。