35 kV電容型驗電器啟動電壓試驗仿真與分析

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)

0 引言

隨著電力工業(yè)的快速發(fā)展，電容型驗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)系人身安全的活動中起著關(guān)鍵作用。為保證驗電器正常工作，給操作人員發(fā)出清晰準確的指示信號，需要在驗電器的檢測試驗中準確測出啟動電壓數(shù)值，并在同相、反相電場干擾試驗中保證驗電器的正確指示。

1 驗電器雜散電容仿真計算

電容型驗電器是一種通過檢測流過驗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，在驗電器接觸帶電設(shè)備進行驗電時，帶電設(shè)備、驗電器電極、驗電器地之間會形成一個雜散電容；驗電器地、驗電器絕緣桿、操作者人體和大地形成另一個電容，兩個電容的串聯(lián)回路中會流過一個微弱的電流，通過對微弱電流進行檢測，在達到一定數(shù)值后，驗電器會發(fā)出有電指示以提醒操作者。

雜散電容由電容型驗電器接觸電極與內(nèi)部電路板電源地形成，電路板電源負極由導線連接到一個圓形金屬片。由于無法通過計算公式得出電容，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行有限元仿真計算，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行網(wǎng)格劃分，最后計算出雜散電容的值為25 pF。

圖1 電容型驗電器幾何模型

2 驗電器原理及啟動電壓仿真試驗

2.1 驗電器電路

電容型驗電器作為一種接觸式驗電器，由接觸電極、驗電器本體、伸縮絕緣桿組成；驗電器本體由電路板、紐扣電池、一個自檢按鈕AN、兩個LED燈及一個蜂鳴器組成。以35 kV GSY型電容型驗電器為例，其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 35 kV GSY型電容型驗電器電路結(jié)構(gòu)

整個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，當電流達到一定閾值后，Q1導通，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，同樣可以點亮D2，D3發(fā)光二極管，并使蜂鳴器發(fā)出聲響。

2.2 驗電器電路仿真與啟動電壓試驗

采用電子電路仿真軟件搭建該款驗電器仿真電路，如圖3所示，研究驗電器內(nèi)部電流、電壓波形變化情況。

圖3 35 kV GSY型電容型驗電器仿真電路

C4為驗電器雜散電容，V1為驗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 驗電器電路仿真結(jié)果

因此，根據(jù)上述仿真試驗結(jié)果可知，當驗電器電極與驗電器地之間的感應(yīng)電壓達到2.45 kV時，驗電器啟動，發(fā)光二極管和蜂鳴器發(fā)出清晰指示。

3 驗電器實際啟動電壓試驗

按照DL/T 740—2014《電容型驗電器》對35 kV驗電器進行實際啟動電壓試驗，結(jié)果見表2。

表2 驗電器啟動電壓

啟動電壓平均值為7.85 kV，符合標準中啟動電壓在0.1Un～0.45Un范圍內(nèi)的要求。

4 驗電器啟動電壓試驗仿真模型

根據(jù)DL/T 740—2014《電容型驗電器》標準，35 kV電容型驗電器啟動電壓試驗布置如圖4所示，球電極接試驗變壓器高壓輸出，試驗時環(huán)電極接地。

圖4 電容型驗電器啟動電壓試驗布置

建立仿真模型，設(shè)置材料及靜電邊界條件，驗電器電極和球電極終端電壓設(shè)為7.85 kV，驗電器地設(shè)置為浮動電位，環(huán)電極和地面接地。

驗電器電極周圍電勢分布如圖5，靠近電極附近電場強度最大，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，驗電器地懸浮電位為5.383 kV，與驗電器電極(電位為7.85 kV)的電勢差為2.467 kV，與驗電器電路仿真啟動電壓試驗結(jié)果基本一致。

圖5 驗電器電極周圍電勢分布

5 結(jié)束語

以上通過對35 kV驗電器原理及電路結(jié)構(gòu)進行了分析，并采用電路仿真模型與靜電物理場仿真模型對35 kV驗電器啟動電壓試驗進行了仿真，經(jīng)實際試驗驗證分析，結(jié)果基本一致，為電力安全工器具的試驗提供了一種驗證分析方法。