CN110824238A - 一种电场感应型非接触式验电器及其自检方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电场感应型非接触式验电器及其自检方法，属于电力设备技术领域。一种电场感应型非接触式验电器，包含套球壳型电场传感器、信号处理电路板、信号指示部件及电源。本发明利用电场感应原理探测外界电力设备及线路的带电状况，发明中的电场传感器采用套球形壳式结构。操作人员通过拍打或敲击本发明的顶部即可完成自检过程。本发明可以避免直接接触带电设备或线路产生的安全隐患，保护人身安全；本发明小角度偏转不影响验电的准确性；本发明自检过程操作简便。

Description

一种电场感应型非接触式验电器及其自检方法

技术领域

本发明涉及电力设备技术领域，特别是一种电场感应型非接触式验电器及其自检方法。

背景技术

高压验电器是一种用于检测高压设备、架空线路、电缆线路是否带电的检测装置。近年来，随着我国电力行业的迅速发展，高压验电器的需求量与日俱增。目前已商业化的10kV及以上电压等级的验电器主要为电容式验电器，操作时需要直接接触裸露的金属导线，通声光报警指示线路是否带电。虽然电容式验电器体积小、操作简单、携带方便，但是它必须与高压线路接触才能使用，因此存在安全隐患。另外，电容式验电器也无法对配电网带有绝缘包覆的线路进行验电。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种电场感应型非接触式验电器及其自检方法，检测高压设备、架空线路及电缆线路的带电状况，避免直接接触带电设备或线路产生的安全隐患。

为了实现上述目的，本发明采用的第一个技术方案是：一种电场感应型非接触式验电器，包括信号指示部件和电源，其特征在于还包括：

套球壳型电场传感器，其用于探测高压设备或输电导线附近的工频电场，并输出与所述工频电场相关的双路差分电压信号；以及

信号处理电路板，其与所述电源电连接，其中，所述信号处理电路板包括：

分压电路模块，其接收所述双路差分电压信号，将所述双路差分电压信号进行限流降压处理后进行传输；

差分放大电路模块，其接收所述限流降压处理后的双路差分电压信号，将所述限流降压处理后的双路差分电压信号转换成一路电压信号；

带通滤波电路模块，其接收所述一路电压信号并从所述一路电压信号中提取工频电压信号，消除所述一路电压信号中的直流分量和谐波分量；

模拟-数字转换器，采集并传输所述工频电压信号；

微控制器，其接收所述模拟-数字转换器采集到的工频电压信号，对所述工频电压信号执行工频信号幅值提取、电压电场数据转换及阈值判断，电场信号幅值大于或等于所述阈值时，输出报警信号或蜂鸣信号；

功率放大电路模块，其接收并放大所述报警信号或所述蜂鸣信号；以及

档位选择模块，其通过选定自检档位开启所述微控制器的自检程序，通过选定测试档位开启所述微控制器的测试程序，并通过选定关机档位控制所述电源的开启或关闭。

优选的，所述套球壳型电场传感器的构造至少包括外球壳层、中间绝缘介质层和内球壳层，所述外球壳层和所述内球壳层的球心位于同一点，所述外球壳层表面具有至少一个开孔。

优选的，所述内球壳层上连接屏蔽线，所述屏蔽线穿过所述绝缘介质层及所述外球壳层上的开孔与所述分压电路模块电连接。

优选的，所述开孔至少一个为圆形孔。

优选的，所述至少一个开孔在所述外球壳层上均匀分布。

优选的，所述档位选择模块根据外部探测的不同电压值设置相应的档位。

优选的，所述信号指示部件包括：

蜂鸣器，其接收到所述放大的蜂鸣信号时发出蜂鸣提示音；

报警灯，其接收到所述放大的报警信号时发出报警。

优选的，还包括，底座、保护罩、档位旋转开关、固定支架、底座螺孔，其中，

所述保护罩位于所述底座上部并与所述底座螺纹连接，

所述档位旋转开关安装于所述底座的侧面，

所述底座下表面上安装有所述报警灯和所述蜂鸣器，

所述电源为电池，所述电池及所述固定支架位于所述保护罩内，

所述固定支架通过螺丝安装在所述底座上，

所述套球壳型电场传感器粘附于所述固定支架上，

所述信号处理电路板通过螺丝固定于所述固定支架上并与所述电池电连接。

本发明采用的第二个技术方案是：一种电场感应型非接触式验电器的自检方法，其特征在于包括：

将档位旋转开关旋拧到所述自检档位，从而选定所述自检档位；

然后用手或绝缘体周期性拍打或周期性敲击验电器的顶部，

若所述验电器声光报警，则判定所述验电器工作正常，否则，判定所述验电器工作异常。

本发明的有益效果是：

本发明应用时，利用电场感应原理，检测高压设备、架空线路及电缆线路的带电状况，避免直接接触带电设备或线路产生的安全隐患，保护人身安全；

本发明采用了套球壳型结构的电场传感器，验电器小角度偏转不影响验电的准确性；

本发明采用周期性用手或绝缘体拍打的方式进行验电器整个电回路自检，简单易操作。

附图说明

图1是本发明一种电场感应型非接触式验电器功能结构示意图；

图2是本发明一种电场感应型非接触式验电器外观示意图及剖视图；

附图中各部件的标记如下：

1-套球壳型电场传感器、2-信号处理电路板、3-电池、4-档位旋转开关、5-报警灯、6-蜂鸣器、7-保护罩、8-底座、9-固定支架、10-底座螺孔。

图3是本发明中套球壳型电场传感器结构外观示意图及剖面图；

附图中各部件的标记如下：11-外球壳层、12-绝缘介质层、13-内球壳层、111-开孔一、112-开孔二、113-开孔三、114-开孔四、115-开孔五、116-开孔六、117-屏蔽线。

图4是本发明中档位选择模块电路原理图；

图5是本发明中微控制器(Micro Control Unit)程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本发明一种电场感应型非接触式验电器的外观结构主要包括套球壳型电场传感器1、信号处理电路板2、电池3、档位旋转开关4、报警灯5、蜂鸣器6、保护罩7、底座8、固定支架9、底座螺孔10(见图2)。

本发明的主体外观结构中保护罩7采用绝缘材料制成，其位于底座8上方，并与底座8螺纹连接。底座8的侧面上安装档位旋转开关4，通过旋转此开关4可以选择本发明的工作模式(关机、自检、测试)。档位旋转开关4的“OFF”为“关机”档，“220V”为“自检”档，“10kV”为“测试”档。

底座8的下表面上安装有报警灯5和蜂鸣器6，用于显示验电器自检及测试过程中的电场变化。从而，操作人员可以判断验电器自检是否正常或测试过程中外界电力设备的带电状况。

底座8下表面中心位置设置底座螺孔10。使用验电器时，将一根绝缘棒连接在底座螺孔10内，操作人员手持绝缘棒检测外界电力设备、架空线路及电缆线路的带电状况。

旋转保护罩7，使其与底座8分离，可以显示验电器的内部结构。其主要包括套球壳型电场传感器1、信号处理电路板2、电池3及固定支架9。固定支架9通过螺丝安装在底座8上，固定支架9上通过螺丝固定安装信号处理电路板2。电池3固定在固定支架9上，固定支架9上还粘附着套球壳型电场传感器1。

本发明采用电池3作为工作电源，安全方便，其与信号处理电路板2电连接。如果电池3耗完电量，旋开保护罩7，更换电池3即可。

图1所示是本发明一种电场感应型非接触式验电器功能结构，主要包括套球壳型电场传感器、信号处理电路、电源模块、报警灯及蜂鸣器。

信号处理电路主要包括分压电路模块、差分放大电路模块、带通滤波电路模块、模拟-数字转换器(A/D转换器)、微控制器(Micro Control Unit)、档位选择模块。其中，分压电路模块主要采用电阻分压方式，其通过屏蔽线117与套球壳型电场传感器中的内球壳层13连接；

差分放大电路模块采用AD620芯片，还可采用其它型号的芯片或直接采用运算放大器搭建的差分放大电路；

带通滤波电路模块提取工频电压信号。带通滤波电路模块采用由电阻电容组成的无源滤波器，也可以采用由电阻、电容和运算放大器组成的有源滤波器，还可以采用专用的滤波器芯片组成的带通滤波器。

档位选择模块(关机、自检、测试)通过档位旋转开关来选定需要控制的档位。如图4所示，电阻R₁和电阻R₂的阻值不同，电阻R₀串联在COM端与地之间，使能端EN分别与电源模块和微控制器连接。当旋转开关处于“关机”档时，使能端EN电压为0，电源模块不工作，整个信号处理电路停止运行。当旋转开关处于“自检”档时，使能端EN电压为V₁>0，电源模块工作，验电器正常运行，微控制器采集到电压V₁时，阈值自动设置成自检阈值，通过固定操作步骤开始自检。当旋转开关处于“测试”档时，使能端EN电压为V₂>0(V₂≠V₁)，电源模块工作，验电器正常运行，微控制器采集到电压V₂时，阈值自动设置成测试阈值，开始具体验电操作。

为了更加精确的探测外界不同电压等级的高压设备或输电线路，档位选择模块可以设计成多个档位。微控制器设置不同的阈值与不同的档位相适应。

微控制器的程序流程如图5所示，验电器开机后，微控制器先初始化，之后A/D转换器采集电场信号。微控制器通过档位旋转开关反馈的电压信号选择阈值，如果电场信号幅值大于或等于阈值，触发声光报警，然后程序跳回到A/D部分再次采集电场信号；如果电场信号幅值小于阈值，程序则直接跳回到A/D部分采集电场信号再次进行判断。

本发明中的电场感应信号处理过程如下：

套球壳型电场传感器探测并采集电力设备或输电线路附近的工频电场，输出与电场相关的双路差分电压信号；

分压电路模块接收双路差分电压信号并对其进行限流降压处理；

差分放大电路模块将限流降压处理后的双路差分电压信号转换成一路电压信号，同时消除套球壳感应结构的共模噪声；

带通滤波电路模块对差分放大电路输出的电压信号提取工频电压信号，消除一路电压信号中的直流分量和谐波分量；

A/D转换器，采集并传输工频电压信号；

微控制器(Micro Control Unit)接收A/D转换器传入的工频电压信号。对此工频信号执行幅值提取、电压电场数据转换及阈值判断。当测量电场信号幅值大于或等于阈值时，输出报警信号或蜂鸣信号，

功率放大电路模块将微控制器输出的报警信号或蜂鸣信号放大后传输至蜂鸣器和报警灯，从而触发报警灯和蜂鸣器工作；

档位选择模块通过选定自检档位开启微控制器的自检程序；通过选定测试档位开启微控制器的测试程序；通过选定关机档位控制电源的开启或关闭。

电源模块与信号处理电路连接从而为整个验电器提供工作电源。

图3所示是本发明中套球壳型电场传感器结构，包括外球壳层11、绝缘介质层12、内球壳层13、开孔一111、开孔二112、开孔三113、开孔四114、开孔五115、开孔六116、屏蔽线117。

套球壳型电场传感器1的构造为三层，分别为外球壳层11、中间绝缘介质层12和内球壳层13。外球壳层11和内球壳层13的球心位于同一点。外球壳层11和内球壳层13采用金属材质制成，可以选择不锈钢、铝、铁、铜等。中间绝缘介质层12采用绝缘材料制成，可以选择塑料、绝缘纤维制品、橡胶、玻璃、陶瓷等。

外球壳层11与位于球心的笛卡尔坐标系的x、y、z坐标轴相交处设置六个开孔111～116，这些开孔中至少一个为圆形孔。从而使得验电器探测外界的电场分布均匀，同时验电器以球心为基准点小角度偏转不影响电场测量准确性。内球壳层13上的屏蔽线117穿过中间绝缘介质层12，通过其中一个开孔与信号处理电路板电连接。

外球壳层11上设置的开孔数量为至少一个。开孔的形状可以为圆形、方形、三角形等任意形状。这些开孔分布(均匀布置或非均匀布置)在外球壳层11表面，使得电场分布均匀。

内球壳层13采用实心或空心球，其上开孔或不开孔。

在使用本发明对外界电力设备或线路进行探测前，操作人员先要对验电器本身进行自检。操作人员将档位旋转开关旋拧到“自检”档，然后用手周期性拍打或敲击验电器的顶部，或者用绝缘体周期性拍打或敲击验电器的顶部。拍打或敲击过程中验电器外壳上会通过摩擦起电，产生变化电场，从而能实现自检。如果验电器声光报警，则判定验电器工作正常；否则，判定验电器工作异常，需要对验电器进行检查，排除故障。

在使用本发明对外界电力设备或线路进行探测时，操作人员将一根绝缘杆连接在底座螺孔10上，将档位旋转开关旋拧到“测试”档，使验电器顶部靠近高压电力设备或带电线路，验电程序开始，通过报警灯和/或蜂鸣器发出的信号判断电力设备或线路的带电状况。

本发明可用于220V/380V、10kV、35kV、110kV、220kV、330kV、500kV、1000kV等不同电压等级的高压设备或输电线路验电。

本发明根据电磁感应原理探测外界电力设备或线路的带电状况，距离高压输电线路越近的位置，电场强度越强。本发明通过测量电场的方式进行验电，无需与高压设备或带电线路接触。当验电器到达报警区域且验电器测量电场值大于或等于设定阈值时，即触发声光报警。

本发明应用时，利用电场感应原理，检测高压设备、架空线路及电缆线路的带电状况，避免直接接触带电设备或线路产生的安全隐患，保护人身安全；本发明采用了套球壳型结构的电场传感器，验电器小角度偏转不影响验电的准确性；本发明采用周期性用手或绝缘体拍打的方式进行验电器整个电回路自检，简单易操作。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种电场感应型非接触式验电器，包括信号指示部件和电源，其特征在于还包括：

套球壳型电场传感器，其用于探测高压设备或输电导线附近的工频电场，并输出与所述工频电场相关的双路差分电压信号；以及

信号处理电路板，其与所述电源电连接，其中，所述信号处理电路板包括：

分压电路模块，其接收所述双路差分电压信号，将所述双路差分电压信号进行限流降压处理后进行传输；

差分放大电路模块，其接收所述限流降压处理后的双路差分电压信号，将所述限流降压处理后的双路差分电压信号转换成一路电压信号；

带通滤波电路模块，其接收所述一路电压信号并从所述一路电压信号中提取工频电压信号，消除所述一路电压信号中的直流分量和谐波分量；

模拟-数字转换器，采集并传输所述工频电压信号；

微控制器，其接收所述模拟-数字转换器采集到的工频电压信号，对所述工频电压信号执行工频信号幅值提取、电压电场数据转换及阈值判断，电场信号幅值大于或等于所述阈值时，输出报警信号或蜂鸣信号；

功率放大电路模块，其接收并放大所述报警信号或所述蜂鸣信号；以及

档位选择模块，其通过选定自检档位开启所述微控制器的自检程序，通过选定测试档位开启所述微控制器的测试程序，并通过选定关机档位控制所述电源的开启或关闭。

2.如权利要求1所述的电场感应型非接触式验电器，其特征在于，所述套球壳型电场传感器的构造至少包括外球壳层、中间绝缘介质层和内球壳层，所述外球壳层和所述内球壳层的球心位于同一点，所述外球壳层表面具有至少一个开孔。

3.如权利要求2所述的电场感应型非接触式验电器，其特征在于，所述内球壳层上连接屏蔽线，所述屏蔽线穿过所述绝缘介质层及所述外球壳层上的开孔与所述分压电路模块电连接。

4.如权利要求2所述的电场感应型非接触式验电器，其特征在于，所述开孔至少一个为圆形孔。

5.如权利要求4所述的电场感应型非接触式验电器，其特征在于，所述至少一个开孔在所述外球壳层上均匀分布。

6.如权利要求1所述的电场感应型非接触式验电器，其特征在于所述档位选择模块根据外部探测的不同电压值设置相应的档位。

7.如权利要求1所述的电场感应型非接触式验电器，其特征在于所述信号指示部件包括：

蜂鸣器，其接收到所述放大的蜂鸣信号时发出蜂鸣提示音；

报警灯，其接收到所述放大的报警信号时发出报警。

8.如权利要求7所述的电场感应型非接触式验电器，其特征在于还包括，底座、保护罩、档位旋转开关、固定支架、底座螺孔，其中，

所述保护罩位于所述底座上部并与所述底座螺纹连接，

所述档位旋转开关安装于所述底座的侧面，

所述底座下表面上安装有所述报警灯和所述蜂鸣器，

所述电源为电池，所述电池及所述固定支架位于所述保护罩内，

所述固定支架通过螺丝安装在所述底座上，

所述套球壳型电场传感器粘附于所述固定支架上，

所述信号处理电路板通过螺丝固定于所述固定支架上并与所述电池电连接。

9.一种如权利要求8所述电场感应型非接触式验电器的自检方法，其特征在于包括：

将档位旋转开关旋拧到所述自检档位，从而选定所述自检档位；

然后用手或绝缘体周期性拍打或周期性敲击验电器的顶部，

若所述验电器声光报警，则判定所述验电器工作正常，否则，判定所述验电器工作异常。

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