新型高壓帶電顯示裝置設(shè)計(jì)

沈建位，呂曉蓉，黃曉霞

(1.寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江 寧波 315800；2.浙江開關(guān)廠有限公司，浙江 衢州 324000)

0 引言

高壓帶電顯示裝置是一種電氣防誤裝置。該裝置集感應(yīng)檢測、帶電顯示、強(qiáng)制閉鎖等功能于一體，適用于交流50 Hz、額定電壓6～550 kV的電氣線路或氣體絕緣全封閉組合電器(gas insulated substation，GIS)等開關(guān)設(shè)備。它能夠在較為安全的情況下對線路或電氣設(shè)備進(jìn)行檢測，判斷其是否帶電，并且提供閉鎖接點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制閉鎖的功能。該裝置是目前保證電氣設(shè)備的安全操作的設(shè)備之一，同時(shí)也是電氣裝置領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[1]。

目前，市場上某些帶電顯示裝置存在較大事故隱患，即在沒有工作電源的情況下，無論高壓線路側(cè)是否帶電，閉鎖接點(diǎn)始終處于解鎖狀態(tài)，易發(fā)生操作事故[2]。本文基于上述分析，設(shè)計(jì)了一種新型高壓帶電顯示閉鎖裝置。該裝置在無操作電源，或有操作電源且高壓有電時(shí)，閉鎖接點(diǎn)始終處于閉鎖狀態(tài)，僅在裝置有電且高壓側(cè)無電時(shí)，閉鎖接點(diǎn)處于解鎖狀態(tài)，提高了裝置安全及可靠性。

1 總體方案設(shè)計(jì)

本裝置由傳感器、輸入保護(hù)電路、信號處理電路、顯示閉鎖輸出電路和電源電路等組成。

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Overall structure of the system

裝置結(jié)構(gòu)共包括兩部分，分別為顯示控制電路和傳感器。傳感器的主要作用是實(shí)現(xiàn)高壓的帶電信號感應(yīng)，即將高壓電路信號傳輸?shù)斤@示控制電路，從而完成信號的分析和處理。

當(dāng)信號傳輸至顯示控制電路后，通過放大、濾波、檢波、比較判斷后分為兩路信號。一路信號輸出給帶電顯示，主要通過二極管按相位分別顯示；另一路信號經(jīng)放大后驅(qū)動閉鎖繼電器，實(shí)現(xiàn)輸出閉鎖功能。

本裝置帶電檢測部分由三相單獨(dú)顯示控制，每一相檢測電路單獨(dú)工作，并控制相應(yīng)的信號。當(dāng)某一相帶電時(shí)，對應(yīng)的帶電指示燈顯示，同時(shí)實(shí)現(xiàn)閉鎖信號輸出。在裝置無工作電源情況下，也會輸出強(qiáng)制閉鎖信號。此外，為方便調(diào)試，裝置還設(shè)有自檢功能，按下裝置“自檢”按鈕，可以檢查帶電指示燈顯示和閉鎖繼電器閉鎖是否正常動作。

2 傳感器原理

本裝置設(shè)計(jì)的傳感器電路模型如圖2所示。3個(gè)傳感器分別和3相高壓電路相對應(yīng)，但彼此之間保持一定距離。電容為傳感器等效電容，電阻為檢測電路等效電阻。根據(jù)電路原理，電壓與電流的關(guān)系為u=iZ。

圖2 傳感器電路模型Fig.2 Sensor circuit model

高壓電路電壓關(guān)系如式(1)所示。

(1)

傳感器感應(yīng)電壓關(guān)系如式(2)所示。

(2)

結(jié)合兩式可得式(3)。

(3)

式中：Z1為感應(yīng)電容與檢測電路的等效阻抗;Z2為檢測電路的阻抗。

由式(3)可知，當(dāng)傳感器安裝位置確定后，傳感器端感應(yīng)電壓和高壓電路電壓呈對應(yīng)關(guān)系，可由感應(yīng)電壓值得到高壓電路電壓值。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 輸入保護(hù)電路

高壓帶電裝置的傳感器基于電容感應(yīng)原理。電容耦合能量與高壓信號頻率呈正比，即頻率越大，耦合能量也越大[3]。當(dāng)高頻暫態(tài)電壓出現(xiàn)時(shí)，得到的耦合信號非常大，此外浪涌和尖峰過電壓也容易損壞裝置[4]。為了避免這些信號損壞裝置，設(shè)計(jì)了輸入保護(hù)電路。圖3為A相輸入保護(hù)電路，B相、C相與之類似。

圖3 A相輸入保護(hù)電路Fig.3 Input protection circuit of A phase

圖3中：P1為傳感器接線端子，與傳感器相連接。TA1為陶瓷放電管，TVSA1為雙向二極管，當(dāng)輸入信號因雷擊或其他原因過電壓時(shí)，陶瓷放電管及TVS管導(dǎo)通，保護(hù)元器件。DA1與DA2為二極管，組成限幅電路，當(dāng)輸入信號達(dá)到二極管導(dǎo)通條件時(shí)，二極管導(dǎo)通，將輸入信號限制在0.7 V之內(nèi)。

3.2 信號處理電路

3.2.1 信號放大電路

傳感器輸出的信號微弱，不足以驅(qū)動發(fā)光二極管和閉鎖輸出繼電器等，故需要對采集到的信號進(jìn)行放大[5]。圖4為信號放大電路。電阻RA1、RA2、RA8及運(yùn)放LM324組成反相比例放大電路，放大倍數(shù)由RA1與RA2的比值進(jìn)行確定。電容CA1與CA2為相位補(bǔ)償電容，補(bǔ)償放大電路的相位偏移，防止產(chǎn)生自激振蕩。

圖4 信號放大電路Fig.4 Signal amplifying circuit

3.2.2 濾波電路

傳感器輸出信號含有許多高頻噪聲，需要設(shè)計(jì)合適的濾波電路去濾除這些噪聲[6]。本裝置的濾波電路如圖5所示。

圖5 濾波電路Fig.5 Filter circuit

濾波電路是由二階有源濾波和同相比例放大電路組成的二階壓控型低通有源濾波器。集成運(yùn)放的輸入端加入負(fù)反饋。反饋信號的極性在很大程度上取決于頻段范圍。當(dāng)信號頻率遠(yuǎn)大于截止頻率時(shí)，單級RC和兩極RC電路發(fā)生的相移位，分別移相-90°和-180°。通過CA3實(shí)現(xiàn)了信號的負(fù)反饋。負(fù)反饋能夠在一定程度上使輸入信號和放大倍數(shù)變小。濾波電路具有輸入阻抗高而輸出阻抗低的特點(diǎn)[7]。

其通帶放大倍數(shù)由RA11與RA12確定，如式(4)所示。

(4)

濾波器的低通截止頻率如式(5)所示。

(5)

電容CA5為耦合電容，其作用是隔離信號中的直流成分。

3.2.3 檢波電路

傳感器輸出的信號經(jīng)放大、濾波之后，還需對信號進(jìn)行檢波。檢波電路的設(shè)計(jì)在檢波過程中發(fā)揮著重要作用。常見的為普通檢波二極管電路，但該檢波電路具有準(zhǔn)確度低、易失真等缺陷。除此之外，檢波電路還極易受到溫度的影響，從而對結(jié)果產(chǎn)生不利影響[8]。

而運(yùn)算放大器構(gòu)成的精密檢波電路，能夠有效避免上述弊端，并且不容易受溫度的影響，各方面性能較高[9]。本裝置的檢波電路如圖6所示。

圖6 檢波電路Fig.6 Detection circuit

(6)

3.2.4 比較判斷及閾值調(diào)整電路

輸入信號經(jīng)過檢波之后，得到直流信號。該直流信號送入如圖7所示的比較判斷及閾值調(diào)整電路后，驅(qū)動發(fā)光二極管及閉鎖繼電器。

圖7 比較判斷及閾值調(diào)整電路Fig.7 Comparative judgment and threshold adjustment circuit

圖7中：RA14、RA16為取樣電阻，通過調(diào)整RA16的阻值，可以改變運(yùn)放LM393反相輸入端的參考電壓。當(dāng)高壓電路有電時(shí)，相對于反向端電壓而言，同相端的輸入電壓更大。運(yùn)放腳輸出高電平，反之輸出低電平。

3.3 帶電顯示及輸出閉鎖電路

帶電顯示及輸出閉鎖電路如圖8所示。

圖8 帶電顯示及輸出閉鎖電路Fig.8 Live indicating and output blocking circuit

圖8中：DA5為發(fā)光二極管；KA1及K1為輸出閉鎖繼電器。當(dāng)高壓電路有電時(shí)，傳感器信號經(jīng)輸入保護(hù)、信號處理電路之后運(yùn)放LM393的①腳輸出高電平信號。此高電平信號一方面驅(qū)動三極管QA1導(dǎo)通，對應(yīng)發(fā)光二級管DA5點(diǎn)亮，顯示帶電狀態(tài)。另一方面驅(qū)動三極管QA3導(dǎo)通，由于QA3的導(dǎo)通，三極管QA2基集電位變低，QA2截止，繼電器KA1與K1失電，輸出閉鎖信號。反之，當(dāng)高壓側(cè)無電時(shí)，運(yùn)放LM393的①腳輸出低電平信號，一方面三極管QA1截止，發(fā)光二極管熄滅。另一方面，該低電平不足以驅(qū)動三極管QA3，QA3截止，QA2與Q1基極為高電平，QA2與QA1導(dǎo)通，繼電器輸出解鎖信號。

此外，為防止裝置無工作電源時(shí)的誤操作，該裝置還有掉電閉高壓帶電鎖功能。當(dāng)裝置無工作電源時(shí)，各電路不工作，繼電器輸出為閉鎖狀態(tài)。

4 試驗(yàn)測試分析

產(chǎn)品經(jīng)電力工業(yè)電力安全工器具質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心試驗(yàn)，按照安裝距離的要求將傳感器安裝在試驗(yàn)?zāi)妇€一側(cè)，試驗(yàn)示意圖如圖9所示。對試驗(yàn)?zāi)妇€施加15%、65%和110%的額定相電壓，顯示器顯示清晰、狀態(tài)正確，閉鎖觸點(diǎn)動作正常；三相回路中一相或兩相失電時(shí)，帶電相能正確顯示“有電”，失電相則無顯示。

圖9 試驗(yàn)示意圖Fig.9 Test arrangement diagram

經(jīng)檢測，產(chǎn)品各項(xiàng)性能指標(biāo)符合 DL/T 538-2006《高壓帶電顯示裝置》等有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[10]。裝置試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。試驗(yàn)時(shí)，包含了35 kV、110 kV、220 kV三種電壓等級。表1僅列出額定電壓110 kV電壓等級的裝置試驗(yàn)情況。

表1 裝置試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Device test results

5 結(jié)論

作為一種新型電氣防誤裝置，高壓帶電顯示裝置不僅能夠指示高壓帶電信號，還能為其他防誤裝置提供閉鎖接點(diǎn)，是一種簡單、實(shí)用的電氣防誤裝置。本文開發(fā)的新型電氣防誤裝置能夠有效避免無工作電源情況下閉鎖繼電器處于解鎖狀態(tài)的缺點(diǎn)，有效防止了誤操作，提高了可靠性。

本裝置目前已在國家電網(wǎng)工程的多個(gè)項(xiàng)目110 kV GIS產(chǎn)品上使用。運(yùn)行結(jié)果表明，該裝置可靠性高、安裝維護(hù)方便，具有較高的推廣價(jià)值。