頻率振蕩技術替補高電壓試驗的探索設計

【摘要】電壓頻率是完全不同的兩個概念，但在電器設備檢測試驗中能夠互換應用嗎？尤其在強電試驗受阻時，能夠用弱電技術替補嗎？它們之間的理論關系是什么？怎樣才能跨越？本文將以高壓驗電器為例，進行相關討論分析，并經數學推導，找到轉換依據，再以此為指導，開展高壓信號發生器的設計研制工作。

【關鍵詞】高壓試驗；比例關系；頻率振蕩；電路設計

1.試驗受阻

根據電力安全規程，所有輸電線路和電氣設備停電檢修前，必須進行驗電測試，而實施檢測的高壓驗電器，使用前又必須先在同級帶電體上作預試，確認正常后，方可轉到停電體上作檢測，以判斷是否還有危險電量存在。

但是，當前端線路檢修或突然故障，使后續電路無高電壓做試驗，給驗電器的預試工作造成阻礙，甚至無法進行，那么應該怎么處理呢？

針對上述問題，我們從電壓、頻率兩個電氣參數的相互關系入手，進行分析推導，找到了強弱電轉換的理論依據，從而利用電子振蕩技術開展了10～500KV高壓驗電器試驗儀的設計研制，用以替補高壓失電的檢測試驗工作。

2.壓頻轉換原理探索

2.1 高壓驗電器工作原理

高壓驗電器使用中，是由電氣工人手持驗電器絕緣手柄，使前端金屬頭接觸帶電體，看能否發出聲光信號進行判斷。能發聲光，證明高壓驗電器正常，方可轉到停電體上做試驗，否則，說明高壓驗電器存在問題，不可再用。由于金屬頭是單極接觸帶電體，故該試驗借用了人體—大地—電場感應成回路的測試原理。

再者，能否發出聲光信號又有量值問題。高壓驗電器內部設有降壓電阻等參數，與人體對地電容形成阻抗。在觸發電流間有如下關系：

í=ù/Ζ

注：í：高壓驗電器觸發電流；ù：系統電壓；Ζ：驗電器綜合阻抗

由于系統電壓為50Hz頻率，同等級電壓下電阻配置已固定，人體對地電容Cr也基本不變，所以，此時觸發電流主要取決于被試體電壓值的大小。按照規程規定，當殘余電壓達到被試電壓的15-40%時，高壓驗電器應發出聲光信號，表示該停電體帶有不安全電量，不能立即進行檢修工作；若未發出聲光信號，方表明安全，才能開展相關工作。

2.2 頻率電壓轉換推論

高壓驗電器預試工作是在高電壓上完成的，但是，在高壓失電及所有不能做預試工作的狀態下，又該怎樣測量驗電器的好壞呢？

對上述問題，我們將對驗電器內部結構和工作原理做進一步分析。先把前面啟動電流計算式展開，其中因降壓電阻選定，又是線性元件，對電路影響不大，故不多議。但對阻抗Z中的人體電容Cr的容抗卻有必要著重分析和討論。它們之間有如下關系：

XCr=1/jωCr

í=ù/Ζ=ù/XCr=jωCr=2jлfCrù

注：XCr：對地電容容抗；Cr：對地電容；J：正弦波直角坐標的虛數單位；ω：角頻率；f：頻率參數

從式中可以看到，2jл是常數，而在同一電場中，包括人體在內的對地電容Cr也將基本保持不變，由此，阻抗電流的大小便主要取決于電壓值ù和頻率值f間的反比關系，即當頻率升高時，電壓可以降低，不斷調整改變，則可將數十到幾百千伏的高壓電降到安全電壓以內。這樣，我們便把條件局限的系統高壓試驗，變為了方便靈活的頻率調節試驗。由此找到了用電子技術代替高電壓做試驗的理論依據。

2.3 報警值的確定

根據上面推論，我們可以按下式進一步求出各等級電壓報警值Unb：

Unb=Un*（15～40%）

式中：Un：10、35、110、220、500（kV）

現以35kV為例：

U35=35×（15%～40%）=5.25～14（kV）

據前面啟動電流í的計算式，推導出對應頻率報警值為：

í35=jωCr=2jлfCrù35

在基波范圍有：í=2jлCr*50*U35

=2jлCr*[50*（5.25～14）]

=2jлCr*[262.5～700]（A）

在方括弧內，電壓有多少，便與基波全數相乘，由此得到一個參考數據，因現場中已高壓失電，只有電場感應電壓，測試為1V左右，所以，啟動電流í的數據在公式中2jлCr基本不變，則需要占同等地位的頻率f值來填充，我們把它提出來，便是：

f35=[50*（5.25～14）]=262.5～700（kKHz）

但實際制作中，因高壓驗電器試驗儀內部振蕩、功放等需工作電壓，外部試驗還需觸發電壓等，為此，我們將其設計為10V。在前面高壓失電已全額相乘的數據中，此處則應反運算而除以該部分電壓值（亦乘以1/10），所以有：

f35=[50*（5.25～14）]*1/10=26.25～70（kKHz）

再將U35擴展為各次電壓Unb，則啟動電流計算式被整理為：

ínb=2jлCr*[50*Unb*1/10]

同樣，將上式方括弧中的電壓報警值Unb相關的數據乘積轉變為對應的頻率fnb報警數據，寫出表達式為：

fnb=Unb*50*1/10（kKHz）

后面，再按安全規程將10-500kV代入式中，計算出對應電壓、頻率的報警值。

3.電路設計

根據理論推導和相關數據，我們實施了電路設計，將分別介紹于后。

3.1 基本振蕩器

以IC1六非門邏輯電路為中心，結合C1、R2、W1構成基本振蕩器，改變阻容參數實現頻率粗調，W1為多圈電位器，可以對頻率進行線性細調，從幾千到兆赫茲范圍的變化，能滿足10～500k各電壓等級的頻帶觸發要求。

3.2 帶通濾波器

振蕩器的輸出信號經R3后，進入帶通濾波器，帶通濾波器由IC2集成運放MC1471及其C3、C4、R4-8組成，根據各電壓等級15～40%的電壓報警范圍，所對應的頻率形成一個頻帶，經阻容參數的設置，在這個帶內的頻率才能通過，高于、低于的頻率都將被過濾掉。

仍以35kV為例，它的報警頻帶是26～ 70kHz，當R、C參數設定后，高于70kHz將被C2濾掉，低于26KHz則被C3阻攔，故只有26～70KHz的頻率才能通過，由此對應的選頻特性如圖3所示。集成運放IC2形成有源控制，將使濾波效果更好、品質因數更高，穩定性更強。

3.3 功率放大器

由帶通濾波器IC2第6腳輸出的頻率信號，經電位器W2做幅度選調后，又傳送給IC3功率放大器CD4011，它也具備有源控制功能，，頻率范圍寬，穩定性強，功率提升量大，更能適應本高壓信號發生器寬頻變化范圍下帶負載能力的要求。

3.4 脈沖變壓器

經功率放大后的信號，再傳送給脈沖變壓器B1，將頻率信號再做比例放大，形成高頻高壓輸出。

脈沖變壓器的特點是鐵芯采用適應高頻變化的錳鎳材料（非低頻矽鋼片）制成，同時，也具備變壓器的基本特性：

U2=K1*U1

式中：K1——B1的變比；U1——B1原邊電壓；U2——B1副邊電壓

由上式可見，通過改變原、副邊線圈匝數，即可靈活、有效地調整副邊輸出電壓U2，達到各高壓驗電器能夠觸發的幅度要求。

3.5 輸出觸發器

在圖1中，脈沖變壓器副邊上側接金屬桿內端，金屬桿另一端（如箭頭）伸出機殼外，做試驗等待；變壓器下端經人體電容Cr接地，再經電磁感應形成回路。當需要進行高壓驗電器檢測時，按下開關K1，便送出原高電壓經頻率轉換后的觸發信號，對高壓驗電器進行相似試驗。

4.結語

本文從分析、計算入手，論述了采用頻率調整以替補高電壓做驗電器試驗的可行性，尋找到了從弱電到強電大跨越的理論依據，并實施了高壓驗電器試驗儀的設計等。故，從理論到實踐，都具有先進性和完善性。現在，我們已經制作出了10～500KV系列產品，投入現場使用，反映良好。

參考文獻

[1]盛守貧.關于對高壓交流驗電器檢測工作原理的認識[J].華東電力，2007（7）：81-83.

[2]翟玉文，梁偉.二階有源濾波[M].電子設計與實踐，2005 （5）：14-16.