一種高壓帶電顯示裝置（VPIS）的設計

姚麗娟

阿城繼電器股份有限公司，黑龍江阿城 150302

0 引言

高壓帶電顯示裝置，用于標稱電壓3kV及以上，頻率50Hz的電力系統中運行的戶內和戶外高壓電氣設備所使用的帶電顯示裝置。帶電顯示裝置用于向運行人員提供高壓電氣設備安裝處主回路電壓狀態的信息。高壓線路停電檢修時必須遵循停電、驗電、掛地再開始操作的規定。僅憑帶電顯示裝置的顯示還不足以證明系統已經不帶電，應使用符合DL740的驗電器。本次開發的高壓帶電顯示裝置主要用于鐵路牽引變電所中高壓輸電線路的監測工作，其設計要求是監測鐵路饋線27.5kV電壓線路的運行情況。

1 高壓帶電顯示裝置設計原理

1.1 工作原理

高壓帶電顯示裝置采用非接觸式電容式傳感器作為信號輸入，它不直接與高壓線接觸，利用高壓線附近的電場來檢驗高壓線路是否帶電，通過指示燈發出有電或無電信息，同時還可以給監控設備發送有電或無電的監控信息。本裝置固定安裝在室外某段饋出線的電線桿上，它采用交流或直流電源對整個設備供電。本裝置設計為戶外安裝使用，滿足戶外工作的要求。

圖1 帶電顯示裝置示意圖

1.2 傳感單元

裝置傳感單元采用非接觸式傳感器。

圖2 帶電高壓線路下方不同高度空間電位分布

當高壓輸電線路接通電源時，在其周圍空間就形成了工頻電場。電場的強度是用沿一定方向單位距離內的電位差（即電壓）來度量，電場強度的計量單位為伏每米或千伏每米（V/m或kV/m）。

由于高壓輸電線路導線直徑很小，因此鄰近導線處電場高度集中，線路導線與大地間的空間電場分布是不均勻的，僅以單根（“單相”）帶電高壓導線為例，在無建筑物、樹木等影響的情況下，沿導線到地面高度的空間范圍內，電位分布呈指數衰減分布（如圖所示）。越接近于導線處，電場強度（E）越大。

電容式傳感器放入電場后，處于交變電場中的傳感器，表面電荷量與電場強度E(t)成正比，Q(t) = KE(t)；其中K為比例系數。

C=εS/4πkd 。其中，ε是一個介電常數，S為電容極板的正對面積，d為電容極板的距離， k則是靜電力常量。常見的平行板電容器,電容為C=εS/d.（ε為極板間介質的介電常數，S為極板面積，d為極板間的距離。）

因此，通過測量取樣電容的電壓，可以判斷電場強度的大小，根據電場強度的大小，判斷導線有電和無電。這就是電容式傳感器的原理。

由于不進行定量計算，無精度要求，使用簡單的銅片制作電容器，放置于導線下方，調整距離，輸出一定范圍的電壓即可。實際設計的電容式傳感器，安裝在距離高壓線0.8m～1m的正下方，從現場測得的結果，在本線路有電情況下傳感器讀出來的信號一般在4V～6V，工頻50Hz的交流電壓信號。

1.3 顯示單元

裝置顯示單元硬件設計電路由電源、信號跟隨電路、低通濾波電路、倍壓整流電路、減法電路、放大電路、施密特觸發電路、信號輸出電路（當地顯示指示和接點）組成，其原理框圖如下圖所示。

圖3 裝置硬件原理框圖

電源電路采用交直流兩用電源輸入：AC220V或DC110V，便于站內供電。信號跟隨電路起到隔離干擾作用，低通濾波電路設計只保留工頻信號，減少饋線上的二次諧波和五次諧波干擾，提高裝置的可靠性；減法電路可以將相鄰線路之間存在著相互干擾信號減掉，經過放大電路放大到施密特觸發電路翻轉的觸發電壓，

圖4

圖5

設計方案確定后，接下來進行具體的設計過程。首先分析激光傳感器的工作過程。激光傳感器有3個不分組成，如圖六所示：激光發射器，激光接收器，激光信號處理器。激光發射器的作用是發射激光，激光信號處理器的作用是將激光接收器接收的激光信號進行處理，然后將處理結果輸出到儀器的顯示屏上。為了減輕操作的勞動強度，可以將激光信號處理器處理結果輸出報警器上，并設定輸出的直線度為0.05mm以內為合格，報警器不報警，輸出的直線度為0.05mm以上為不合格，報警器報警，激光發射器和激光接收器成對安裝，往復運動是通過氣壓傳動來實現的。

圖6

從上面分析，激光傳感器是通過對零件的投影，從而測量外形尺寸。所以為了測量碳粉刮刀的直線度，必須使工件與其他裝置組成一個外形，如圖七所示。假設理論直線度偏差為0，工件的刃口邊和理論直線組成一條狹縫，激光通過狹縫發射到激光接收器，如果刃口直線度有偏差，反映出的狹縫的寬度就有偏差，激光信號處理器受到激光接收器傳過來的信號，經程序處理后就變成工件直線度的大小，所以必須設計一條理論上直線度為0的參考直邊，選用材質為T8的工具鋼經熱處理50-55HRC硬度，用大水磨床將參考直邊的直線度誤差控制在0.002mm以下，如圖七所示。兩頭設計成相等高度，等高的標準針規旁邊安裝強力磁鐵，由于SUS430-NO.2B不銹鐵帶磁性，依靠強力磁鐵作為夾具的規定作用，可實現快速取放。

圖7

圖8

綜上所述，傳統接觸式夾具，因為工作過程互相接觸，隨便用次數的增多，磨損程度越來越大，夾具精度就越來越低，誤差也越來越大。而非接觸式夾具應用激光穩定不分散的特點，且在使用過程中，精度一直保持穩定，不隨此夾具的使用次數增多而降低。此夾具的特點是操作方便，只要將工件放在夾具的指定位置，有不合格產品時，報警器報警，可以很容易將不合格產品分開。激光傳感器通過氣缸驅動就可實現往復運動，單行程即可完成一次測量，效率很高。激光除在這類直線度要求高的夾具中使用，還可在平面度，圓的外徑，以及外形尺寸等的高精度測量夾具同樣可以廣泛應用。

[1]單輝祖.材料力學[M].高等教育出版社，1999，9.

[2]湯慧瑾.機械設計基礎[M].機械工業出版社，1996，8.

[3]朱換池.機械制造工藝學[M].機械工業出版社，1997，11.

[4]薛源順.機床夾具設計[M].機械工業出版社，1999，10.

[5]蘭建設.液壓與氣壓傳動[M].高等教育出版社，1999，7.

[6]程丹.電工電子技術[M].高等教育出版社，1999，12.