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摘要：电气设备的接地是否达标不仅影响电气设备的正常运行，而且影响运维与检修人员的人生安全。本文描述了一种通过可变电容法监测电气设备周边静电电压的方法，来判断电气设备是否正常接地的装置。装置无需与设备接触，不影响设备运行，从而确保电气设备的可靠运行和人员安全。
关键词：静电检测；可变电容；非接触式
1设计背景
接地装置的作用主要是防止人身遭受电击、设备和线路遭受损坏、预防火灾和防止雷击、防止静电损害和保障电力系统正常运行，是电力系统中的一个重要组成部分。不论是强电设备还是弱电设备，不论是高压设备还是低压设备，接地装置的合格与否都直接影响到系统及设备的正常安全运行。电气设备一旦出现接地不良，大量静电的聚集会给设备和工作人员造成威胁；而当静电达到一定值时，有可能因静电放电而引起设备故障甚至火灾，从而造成难以弥补的损失。
电气设备的接地状况与接地线的老化时间、紧固件的紧固效果、设备的安装环境等有关。尽管新安装的电气设备出现接地不良的概率极小，然而电气设备通常“服役”年限很长，尤其是安装在野外的设备，长年累月的工作下，出现接地不良的概率急剧增加，且一旦出现故障，有可能造成很大的损失甚至是人员伤亡。实时了解电气设备的接地状况，及时进行设备维护将极大的减小发生故障和事故的几率。按粗略估计，若每年按照可避免2～3次事故计算，可避免的直接经济损失和间接经济损失可达数千万元，对于保障设备、电网及人员安全起到重要作用。
因此，本文介绍了一种能够在线监测电气设备是否接地良好的装置，该装置采用非接触式静电探测的方式判断电气设备是否接地异常，可以及时发现电气设备接地状况的变化，并自动报警。
2非接触式测量原理
为方便说明电场分布，我们首先以电力传输线为研究对象。电力传输线周边分布一定强度的电场。我们知道其电场强度大小与架空线路相对于大地的电压成正比，离架空线路越近，电场就越大；相反地，离架空线路越远，电场越小。这一现象同样可反映在电气设备中。图2.1所示为一个接地不良的10kV的电气设备周围的电场分布情况。
图2.1一个接地不良的10kV的电气设备周围的电场分布情况
由上图所示，当电气设备接地不良时，设备表面积聚的静电无法立即释放，设备附近产生一定的对地电势，因而只要通过探测被测物周围的静电电势的变化，即可判断被测物是否接地良好。
对于电气设备接地情况的策略，最早采用伏安法测量接地电阻的方式，即通过测出电气设备接地体的测量电流大小以及电位差压，使用欧姆定律计算出接地体接地电阻数值。基于该原理，不同的测量接地电阻的设备—接地阻抗测试仪类型越来越多。此后，电气设备分布将越来越广泛，并且大型电力设备将会由相对集中趋于分散，从城市到乡镇，从室内到野外都有。显然现在广泛使用的传统的接地阻抗测试仪来测量时，必须由人工来完成测量。这种测试方法与实时监测系统来比较，就显得比较笨拙，同时对人力资源和财力资源造成了浪费[1]。
通过以上分析可知，设备出现接地不良时，会向空间发散出一定的静电，其压降与空间距离正相关。基于这一现象，本文采用通过监测设备周边的静电电压来判断设备是否接地良好。非接触式静电感应检测方法不需与被测物体直接碰触，不仅能检测金属材质器件的静电电压降，也能测量非金属材质的绝缘器件、或者是导体和半导体的静电电压降的数值，而且基本上不影响被测器件的数据[2]。本文采用可变电容法对静电进行监测，如图2.2所示。
图2.2可变电容监测原理
为了精确得出电容Cm上的工频电压，现将其通过一个选频电路，筛选出50Hz的信号，而后信号通过一个有可变电容二极管组成的测量网络，进行电压检测。图中Cp为待测电容值，传感器对被测物体表面的电容，该电容值随被测物表面电荷的增加而变化；C2为传感器对地电容；C3为传感器探头对被测物表面电容；C4为传感器探头对地电容；Cp2为可变电容传感器电容值，Cp匹配电容，通过检测该电容值的变化即可测得被测物电场强度变化情况。
3监测装置设计
本文所设计的监测装置示意图如图3.1所示。该设备由静电传感器、温度传感器、湿度传感器组成。静电传感器即基于可变电容设计的静电感应探头，可实时感应设备周边的静电信息，通过设备内电路板中的采样、放大、滤波等电路转成标准电压信号。通过该电压信号的有无和大小，即可判断该设备是否接地良好，若接地异常，则可判断泄漏电压等级。
人们对电磁场的求解方法及更高精度计算方法的研究都较为成熟，但这些研究都没有将温度和湿度作为影响其大小变化的因素。在
室外环境下，由于同一天的不同时间的温度和湿度均会变化，所以单一研究湿度不变温度变化的情况和温度不变湿度变化的情况对电场强度的影响不容易实现，需同时研究湿度、温度这两个因变量对电场强度的影响。因此该设备同时能监测测量点的温度和湿度。最终将全部数据通过无线通信传输到服务器上。
本文首先通过高压探头分别测量高压线、电力设备附近的电压，并通过高精度的电场强度测试仪器检测其电场强度；将得到的数据在多物理场仿真软件COMSOLMultiphysics中进行仿真运算，从而建立电场分布模型。而后通过运用MatLab中关于BP神经网络的函数工具箱对测量数据进行处理，建立温度、湿度对电场强度的影响模型，并多该模型进行测量验证，最后即可利用该模型预测结果，反映温度、湿度对工频电场强度的影响。当现场监测数据上传后，只需与该模型进行比对，即可知道当前设备的接地状况。
图3.1电气设备接地监测装置示意图
4总结
当前，中国电力电网正朝着智能化、自动化、可视化发展，新开发、新投入使用的高科技设备不断增多，电气设备的接地装置未能按照要求完成自检。本文研究的非接触式电气设备接地监测装置，可实现远程对电力系统接地装置的实时监测；同时通过所建立的电场模型，可通过与设备采集数据进行比对，实时判断设备接地是否正常，最终实现设备的可靠运行。
参考文献:
[1]白兴刚.基于非接触式静电检测技术的电气设备接地实时检测系统的研究及应用[D].兰州理工大学,2017.
[2]Dense-phasepneumaticallyconveyedcoalparticlevelocitymeasurementusingelectrostaticprobes[J].ChuanlongXu,BinZhou,ShiminWang.JournalofElectrostatics.2009(1).