CN208847788U - 一种基于场强分布的非接触式高压验电器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于场强分布的非接触式高压验电器，采用STM32F103ZE系列单片机作为中央处理分析及控制部件，该高压验电器还包括电场传感器、信号处理电路、温湿度检测模块、显示模块、声光警示模块、按键控制和硬件复位，信号处理电路的输入侧与电场传感器连接。根据输电线路附近分布着的磁场和电场有着“近场区”的特征，以及带电导体在电场中的静电平衡特征，借助金属导体在电磁场中的感应电流大小可得测量装置处电场强度的大小从而得出测量装置与带电线路之间的距离，并通过声光警示模块发出有电、无电信号状态，通过显示模块显示检测点与线路的距离。

Description

一种基于场强分布的非接触式高压验电器

技术领域

本实用新型涉及一种高压验电器，尤其涉及一种基于场强分布的非接触式高压验电器。

背景技术

电能与其他能量转换方便，宜于大量生产、集中管理、远距输送、自动控制，与国民经济各部门之间关系密切。随着我国经济水平的日益提高，人们的用电量急剧增加，电压等级也随之增大，在供电***内部，出现了多起工作人员因触电造成人身伤亡的事故，其中主要有两种触电：一种是强电磁场环境中的感应电触电，另一种是直接误触高压带电设备触电,根据近年来的事故统计分析发现,触电死亡人数占其全部死亡人数的6.54％，其中误碰带电设备造成伤亡人数最多,占到了伤亡总人数的36％,同时在触电伤亡事故中,大约有60％形成法律纠纷,给发供电企业带来巨大的经济损失和舆论负面影响。

因此，准确地计算线路附近的电场强度并设计出测量工频电场的装置，能够大大减少以上事故的发生。

绝缘杆由于伸缩自如、重量适中、维护方便，常用于传统的接触式高压验电器，但是在使用绝缘杆近电操作时，操作者常因操作距离高、绝缘杆长，造成绝缘杆倒杆碰到相邻带电设备，造成工作人员触电事故的发生。因此，一种突破传统观念的新型非接触式高压验电器的研制在电力***的安全操作中起着至关重要的作用。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种基于场强分布的非接触式高压验电器。通过高压线路及高压设备周围场强分布检验其是否带电。

本实用新型采用的技术方案：

一种基于场强分布的非接触式高压验电器，其特征在于：它包括作为中央处理分析及控制部件的单片机，还包括与单片机的输入侧连接的信号处理电路、温湿度检测模块、按键控制和硬件复位，与单片机的输出侧连接的声光警示模块和显示模块，信号处理电路的输入侧与电场传感器连接，

电场传感器，用于读取高压线附近的电场信号；

信号处理电路，处理判断输入的电场信号，发出有电、无电两种状态信号；

单片机，将接收信号处理电路发送的信号进行识别，发出有电或无电信号；

声光警示模块，收到单片机的信号后发出有电或无电语音提示并通过信号灯颜色的不同显示线路不同的状态；

显示模块，用于显示检测点与线路的距离；

温湿度检测模块，用来检测现场的温度和湿度，修正电场强度的分析结果。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：突破传统接触式高压验电器的观念，无需接触高压线路及高压设备就可检测其是否带电及当前装置所在位置的电场强度的大小，采用非接触的形式能够避免因绝缘杆过长造成的触电事故的发生；采用金属导体作为电场传感器，成本低廉，其他模块采用常见的电子器件，方便购材；增加温湿度检测模块从而修正检测结果，测量精确；本实用新型的高压验电器集成度高，体积小、重量轻、价格低廉，安全方便，更易于广泛使用和普及。

附图说明

图1是本实用新型的原理框图。

图2是本实用新型电场传感器的电路图。

图3是本实用新型的倍压整流电路图。

图4是本实用新型的差分放大电路图。

图5是本实用新型的施密特触发器电路图。

图6a是本实用新型的温湿度检测模块的温度传感器的电路图。

图6b是本实用新型的温湿度检测模块的湿度传感器的电路图。

其中，1、单片机，2、电场传感器，3、信号处理电路，4、温湿度检测模块，5、显示模块，6、声光警示模块，7、按键控制，8、硬件复位，9、电源接口。

具体实施方式

为了加深对本实用新型的理解，下面结合附图及具体实施方式进行详细描述，本说明书中描述的实施例仅用于解释本实用新型，并非用来限定本实用新型。

图1所示，本实用新型的一种基于场强分布的非接触式高压验电器，采用STM32F103ZE系列单片机1作为中央处理分析及控制部件，其集成度高、体积小、功能强大，该高压验电器还包括电场传感器2、信号处理电路3、温湿度检测模块4、显示模块5、声光警示模块6、按键控制7和硬件复位8，信号处理电路3、温湿度检测模块4、按键控制7和硬件复位8与单片机1的输入侧连接，声光警示模块6和显示模块5与单片机1的输出侧连，信号处理电路3的输入侧与电场传感器2连接。图中标号9为单片机1的电源接口。

信号处理电路3包括整流放大电路和施密特触发器，高压线附近的电场信号由电场传感器2读取，经整流放大电路送入施密特触发器，施密特触发器对输入信号进行判断，发出有电、无电两种状态信号至单片机1，单片机1将接收到的信号进行识别，发出有电或无电信号到声光警示模块6，声光警示模块6收到信号后发出有电或无电语音提示并通过信号灯颜色的不同显示线路不同的状态；显示模块5显示检测点与线路的距离，显示模块5是比较常见的显示屏，电场传感器读取高压线路附近的电场信号通过差分放大电路进行放大，被放大的信号送往单片机，通过单片机的程序代码可以计算出被测电路与测试点的距离，从而得出结果并通过显示屏显示。

由于验电器用于高压设备的测量，很容易受到雷击，为了防止雷击事故的发生，加上压敏电阻作为电场传感器的保护(图2所示)。压敏电阻的特性就是其拥有一个阀值电压，在正常的情况下，若它两端的电压小于阀值电压时，压敏电阻相当于开路，但是若有雷击或者是放电时，其两端的电阻就会变小，这样就可以抑制电路中过大的电压，保护后面的元件。同时，在两个压敏电阻之间加上了共模电感起到滤除信号线上的共模信号的作用。

整流放大电路包括倍压整流电路和差分放大电路，倍压整流电路由多个二极管和电容组成，图3所示，具有二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6，具有电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6，可以把较低的交流电压，用耐压较低的整流二极管和电容器，“整”出一个较高的直流电压。

倍压整流电路接收电场传感器交流信号并转换成直流信号，传给差分放大电路(图4所示)进行进一步的处理。输电线路的发射能力十分低下，所以由检测元件感应出的电压以及电流信号非常微小，根据运算放大器的虚短与虚段原理，可以通过选取不同电阻的阻值，设计合理的放大倍数，对信号进行高倍率放大。

图5所示，施密特触发器可以对信号中的波形起到变换和整流的作用，将缓慢变化的三角波或正弦波等信号变为矩形波(即高低电平)输出，使得验电器电路更为稳定，触发器对输入信号进行判断，发出有电、无电两种信号，最后有无电信号的结论通过声光警示模块，在验电器上显示出来。

环境中的温湿度变化影响电场强度的测量结果，因此，通过温湿度检测模块4来检测现场的温度和湿度，进一步修正电场强度的分析结果。

温湿度检测模块4包括温度传感器和湿度传感器，温湿度传感器模块4中温度传感器(图6a)采用单总线DS18B20数字温度传感器，可将温度信号直接转换成串行数字信号供处理器读取，单总线是在一根IO线上可以连接多个传感器，区别这些传感器的方法就是内部64位ROM序列号，DS18B20传感器的测量范围达到-55～+125℃，对应的9～12位可编程分辨率，分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，其测量精度较高。湿度传感器(图6b)采用DHT11湿度传感器，DHT11也是一种单总线传感器，其湿度测量范围为20％～90％RH，精度为±5.0％RH，但其测温功能较弱，测温范围为0～+50℃，精度为±1.0℃。本设计方案采用单总线温湿度传感器，很方便对传感器节点数按需扩充。

本实用新型的电场传感器在根据输电线路附近分布着的磁场和电场有着“近场区”的特征，通过将一个与电力线经线方向一致的长导体置于变化速度缓慢的工频电场中，由于静电平衡，它将分别在近电力线和远电力线的两侧感应出受电场影响分布变化的正负电荷，电荷数量随时间进行工频变化，电荷密度分别为σ(t)与-σ(t)，其中：

σ(t)＝εE(t)

由于电荷左右移动，长导体感应出交变电流i(t)，其中：

i(t)＝2σ(t)＝2εE(t)

电流的变化体现了电场强度的变化，将此感生电流进行拾取和处理，即可计算出检测元件位置处的电场强度。

线路附近工频电场强度的计算属于电磁场正问题的数值计算与分析，即可求出其场域中场量随时间、空间分布的规律，从而得出与电源的距离。对于水平架空线路来说，产生交变电磁场的源为线路中的电流，属工频正弦激励，此时在线性媒质、正弦激励且稳态条件下，一般形式的麦克斯韦方程组可归结为不显含时间的复相量表示形式，即任何一个电、磁场量都可以用一个复相量表示，因此正弦稳态情况下的时变电场也简称为时谐电磁场，工频环境下麦克斯韦方程组可以写成相量形式：

式中，以相量形式表征的各场量和源量均仅为空间坐标的函数，其模值为相应正弦量的有效值。例如，实际的时变电场E(t)可由电场复相量在时域表示为：

通过解此方程组，可得电力线路附近电场强度水平和垂直分量的近似计算公式：

式中，y为电力线对地投影到观测点的距离，I为电力线中的交变电流，h为电力线平均架设高度，z为观测点高度，σ为大地的视在电导率，μ₀＝4π×10^-7H/m，ω为角频率，γ₁为大地传播常数，u为特征参数，J₀()为第1类0阶贝塞尔函数。

因此，通过检测工频电场中导体的感生电流可以检测元件位置处的电场强度，近而测定出测量点与带电体的距离，从而来明确高压线路是否带电、作业机械是否进入到高场强区，是否接近线路设备的最小安全距离，从而警告人们是否需要安全撤离。

根据输电线路附近分布着的磁场和电场有着“近场区”的特征，以及带电导体在电场中的静电平衡特征，借助金属导体在电磁场中的感应电流大小可得测量装置处电场强度的大小从而得出测量装置与带电线路之间的距离，并通过声光警示模块发出有电、无电信号状态，通过显示模块显示检测点与线路的距离。

本实用新型这种基于高压线路及高压设备空间电场分布的新型验电器，不需接触高压线路及高压设备就可检测其是否带电及当前装置所在位置的电场强度的大小，通过电场的大小来明确高压线路是否带电、作业机械是否进入到高场强区，是否接近线路设备的最小安全距离，从而警告人们是否需要安全撤离。

Claims (6)

1.一种基于场强分布的非接触式高压验电器，其特征在于：它包括作为中央处理分析及控制部件的单片机，还包括与单片机的输入侧连接的信号处理电路、温湿度检测模块、按键控制和硬件复位，与单片机的输出侧连接的声光警示模块和显示模块，信号处理电路的输入侧与电场传感器连接，

电场传感器，用于读取高压线附近的电场信号；

信号处理电路，处理判断输入的电场信号，发出有电、无电两种状态信号；

单片机，将接收信号处理电路发送的信号进行识别，发出有电或无电信号；

声光警示模块，收到单片机的信号后发出有电或无电语音提示并通过信号灯颜色的不同显示线路不同的状态；

显示模块，用于显示检测点与线路的距离；

温湿度检测模块，用来检测现场的温度和湿度，修正电场强度的分析结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于场强分布的非接触式高压验电器，其特征在于：所述电场传感器上并联有两个压敏电阻。

3.根据权利要求2所述的一种基于场强分布的非接触式高压验电器，其特征在于：两个压敏电阻之间连接有共模电感。

4.根据权利要求1所述的一种基于场强分布的非接触式高压验电器，其特征在于：所述信号处理电路包括整流放大电路和施密特触发器，整流放大电路将电场传感器读取的高压线附近的电场信号送入施密特触发器，施密特触发器对输入信号进行判断，发出有电、无电两种状态信号。

5.根据权利要求4所述的一种基于场强分布的非接触式高压验电器，其特征在于：所述整流放大电路包括倍压整流电路和差分放大电路，倍压整流电路由多个二极管和电容组成，接收电场传感器交流信号并转换成直流信号，传给差分放大电路。

6.根据权利要求1所述的一种基于场强分布的非接触式高压验电器，其特征在于：所述温湿度检测模块包括温度传感器和湿度传感器。