一種感應式高壓帶電顯示閉鎖裝置的設計

摘要：設計了一種感應式高壓帶電顯示閉鎖裝置，即利用電容式感應電極和高壓帶電體之間的雜散電容，耦合高壓帶電體上的交變電壓信號。將此信號作為輸入信號傳遞給顯示控制器，對信號進行保護、放大、檢波、比較等一系列處理，實現高壓帶電體帶電狀態的顯示，同時通過連鎖信號輸出接點實現對操控機構的強制性解鎖、閉鎖控制。該裝置中傳感器不與高壓帶電體直接接觸，裝置本身不會產生局部放電，使用安全可靠，安裝維護簡單便捷。

關鍵詞：高壓帶電顯示閉鎖裝置；感應式；耦合；全波整流

中圖分類號：TH89；TM83 文獻標識碼：A

0 引言

保障電力系統安全可靠地運行是電力系統維護中的重中之重。高壓帶電顯示閉鎖裝置能夠真實地反映高壓帶電體的供電、停電情況，是檢測高壓帶電體是否帶電的一種有效裝置。它從高壓帶電體獲得輸入信號，經過對信號的處理，將帶電狀態以光或聲的形式展現出來[1]，同時強制閉鎖、解鎖相應的操作機構，防止誤碰帶電設備、帶電掛接地線、操作人員誤入帶電間隔等人為誤操作事故的出現，從而避免安全事故的發生[2]。高壓帶電顯示閉鎖裝置是國家電網公司變電運行專業中《防止電氣誤操作裝置安全管理規定》中推薦使用的防誤裝置之一[3]。

1 基本結構

本文設計的感應式高壓帶電顯示閉鎖裝置（簡稱“本裝置”）為分體結構，主要包括信號采集單元和顯示控制器（主機）兩個部分。信號采集單元采用3 個相互獨立的感應式電容傳感器；顯示控制器具有顯示功能并提供連鎖信號控制接點。測量時將3 個傳感器分別放置于待測線路的附近，采集高壓帶電體的電場耦合信號，并將此信號作為輸入信號分別傳給顯示控制器。顯示控制器對輸入信號進行保護、放大、檢波、比較等一系列處理，檢測出被測線路的帶電狀態，并以紅、綠雙色發光管的形式顯示，同時連鎖信號控制接點為相應的操作機構提供開、閉觸點，從而對操作機構進行閉鎖、解鎖。高壓帶電顯示閉鎖裝置的功能框圖如圖1 所示。

2 傳感器原理

本裝置采用感應式電容傳感器作為信號采集單元[4]，它是一個靠近高壓帶電體的對地絕緣的感應電極[5]，與高壓帶電體無直接接觸。當傳感器位于高壓帶電體附近時，它通過感應電極和高壓帶電體之間的雜散電容，耦合高壓帶電體上的交變電壓信號[6]。同時，利用感應電極與高壓帶電體之間、感應電極與地之間的雜散電容，通過電容分壓將此信號傳遞至顯示控制器后進行信號處理[7]，進而判斷帶電與否并實施控制。傳感器等效電路如圖2 所示，其中，CA 為感應電極與高壓帶電體之間的雜散電容；CB 為感應電極與殼體/ 地之間的雜散電容；Rc 為顯示控制器的等效電阻。感應電極上感應電容量的影響因素主要包括絕緣介質、感應電極面積以及感應電極與高壓帶電體之間的距離等[8-9]。

3 電路設計

3.1 供電電路

為了減少電磁干擾，本裝置供電電路部分主要由電磁兼容性（electromagnetic compatibility，EMC） 濾波器、交流/ 直流（alternating current/direct current， AC/DC）電源轉換模塊和DC/DC 電源隔離模塊組成。供電電路原理圖如圖3 所示。

EMC 濾波器可以抑制交流電源線浪涌，實現一級保護，配合AC/DC 電源轉換模塊使用，可使電源的電磁干擾（electromagnetic interference，EMI）符合信息技術產品的CISPR22： EN 55022 標準限制要求，同時還具有短路保護、過流保護、過壓保護的作用。另外，它可以配合瞬態電壓抑制器（transient voltage suppressor， TVS）、DC/DC 電源隔離模塊產生±12 V 直流電壓，作為電路工作電源使用。

3.2 信號處理電路

信號處理電路包括輸入保護電路、放大電路、全波整流電路、比較電路等。為了避免雷擊、輸入信號過大、靜電放電等因素造成電路損壞，在輸入保護電路的設計中采用雙向TVS 二極管使其免受瞬間高電壓損害；采用BAV99 二極管實現保護和鉗位功能，將輸入電壓降至0.7 V 以下，避免靜電損害。采用反向放大電路增加抗干擾性，將傳感器接收到的微弱感應信號放大，然后全波整流電路將放大后的交流信號轉換為直流信號，比較電路將經過處理后的直流信號與設定閾值進行比較，根據比較結果驅動輸出電路動作[10-11]。全波整流電路如圖4所示。

由于輸入信號電壓幅值較小，為了減小二極管的壓降影響，避免在整流過程中因出現失真而影響檢測的準確性，本裝置采用放大器TL062 和快速雙向二極管BAV99 設計了精密的全波整流電路。

當交流輸入信號Vin ＞ 0 時，DA1 的1、3 引腳導通，2、3 引腳截止，TL062 的U2A 與外圍電阻R10、R1 組成反向比例放大器，放大倍數為-R1/R10，當R1 與R10 阻值相等時，電路節點Vo1 的電壓值等于-Vin。同時Vo1、Vin 作為輸入信號與電阻R7、R12、R2 及TL062 的U2B 組成反向加法運算電路，此時輸出信號Vout 的計算公式：

Vout =-R2×（Vo1/R7+Vin /R12）。 （ 1）

當R12=2×R7 時，

Vout =（R2/R12）×Vin。 （ 2）

因為此時Vin ＞ 0，所以Vout ＞ 0。

當交流輸入信號Vin ＜ 0 時，DA1 的1、3 引腳截止，2、3 引腳導通，電阻R7 兩端虛地，無電流流過，電路簡化為以Vin 作為輸入信號與電阻R12、R2 及TL062 的U2B 組成反向比例放大器，此時輸出信號的計算公式：

Vout =（-R2/R12）×Vin。 （ 3）

因為此時Vin ＜ 0，所以Vout ＞ 0。

綜上，交流輸入信號經過整流電路后，輸出信號與輸入信號的關系可通過以下計算公式得出，由此實現精密全波整流。

Vout =|（R2/R12） ×Vin| ＞0。 （ 4）

3.3 輸出電路

本裝置輸出電路由3 組獨立的帶電狀態指示燈和5 組連鎖信號輸出接點組成。其中，帶電狀態指示燈采用紅、綠雙色發光二極管，由反向緩沖器驅動，同一時刻每組指示燈只能顯示紅色、綠色或不亮；連鎖信號輸出接點分別為1 組A 相控制節點、1 組B 相控制節點、1 組C 相控制節點和2 組ABC三相聯控節點，每組連鎖信號輸出接點各提供一對開、閉觸點外接相應的操作機構，實現對操作機構進行閉鎖、解鎖。當檢測到高壓帶電體帶電時，發光管顯示紅色，繼電器閉鎖；當檢測到高壓帶電體不帶電時，發光管顯示綠色，繼電器解鎖；顯示控制器無工作電源時，發光管不亮，繼電器強制閉鎖，以確保操控機構操作安全。

顯示驅動電路如圖5 所示，采用反向緩沖器HEF4049BT 驅動紅、綠雙色發光二極管。緩沖器共有6 路，兩兩串聯，分為3 組分別驅動3 組發光管。引腳1A ～ 6A 為輸入引腳，1Y ～ 6Y 為輸出引腳，每路輸出引腳信號與對應輸入引腳信號方向相反。以A 相顯示為例，將第一路輸出引腳1Y 與第二路輸入引腳2A 相連接，無論輸入信號如何，當信號由1A 引腳輸入時，引腳1Y 與2Y 均輸出相反的信號，即其中一個引腳輸出低電平，另一個引腳輸出高電平。其中的高電平引腳驅動發光管LEDA 工作，從而顯示被測線路帶電狀態。

4 結論

感應式高壓帶電顯示閉鎖裝置具有體積小、性價比高、可靠性好、受環境溫度干擾小等優點，配合電磁鎖、微機防誤閉鎖裝置共同使用，對接地刀閘、柜門（網門）等需要閉鎖的地方實現安全聯鎖，在防止電氣誤操作、保障電力系統安全平穩地運行等方面有著重要意義。本裝置經過驗證，能夠實時、準確地反映高壓帶電體的帶電狀態，準確控制電磁鎖等操控機構，有效避免誤操作等情況發生，是電力“五防”的理想裝置之一。

參考文獻

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