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非接触式高压验电器的开发(图)

更新日期:2007-12-13  作者:  来源:光学精密机械网(ChinaOptic.Com.Cn)收集整理

来源:今日电子/21IC  作者:蔡欢欢 毛明星 苏波 吕玉珠 林雯


文章介绍了非接触式验电器的工作原理和结构,并对现场中出现的问题进行了分析和解决,通过实际中的应用验证了设计原理的正确性。



高压线路停电检修时必须遵循停电、验电、挂地再开始操作的规定。验电操作必须通过验电器来完成。验电器是用来检测电力设备上是否存在电压的常用电力安全工具之一,通过验电器明确验证停电设备是否确无电压,再进行其他操作,以防止出现带电装接地线(合接地刀闸)、误碰有电设备等恶性事故的发生。因此,在电力行业中验电器的作用不可忽视。



传统的验电器都是便携式的,通常是把验电器安装在操作杆上,操作时用验电器直接与高压线路接触,验电器中的电阻将高电压降低到安全的电压值(通常是几伏),通过人体到大地形成一个回路,验电器中通常都带有声音或发光指示线路是否带电。传统的验电器小巧、携带方便,但必须与高压线路接触才能使用,因此仍然存在安全隐患。传统验电器在使用中要用到电池,这给使用带来不便,并且在使用中如果电池电能耗尽而没有及时更换导致验电器不能正确发声或发光也会带来安全隐患。非接触式验电器是一种新型验电器,它突破了传统验电器设计理论和思路的束缚,无须接触即可检测高压线是否带电,使用起来安全、方便、正确。


非接触式高压验电器简介
非接触式高压验电器功能简介
非接触式验电器是一种新型验电器,它不直接与高压线接触,利用高压线附近的电场来检测高压线路是否带电,通过指示灯发出有电或无电信息,同时还可以给监控设备发送有电或无电的监控信息。本装置固定安装在室外某段高压线的电线杆上,它采用交流或直流电源对整个设备供电,免去了更换电池的烦恼,因此它既可以用于检测高压线是否带电,也可以用于长期监视高压线工作。本装置外部安装了防水盒,完全可以满足室外工作的要求。



本次开发的验电器主要用于铁路中高压输电线路的监测工作,其设计要求是监测铁路中27.5kV电压线路的运行情况。



非接触式高压验电器使用现场简介
铁路上一般都有两路以上的电线,因此相互线路之间都存在电场干扰,从现场测得的结果来看最大相互干扰不超过0.9V,在本线路有电情况下传感器读出来的信号一般在3~5V,最低为2.47V,本线路无电而其他相邻线路有电时信号一般为0.5~0.8V,最高为0.89V。



传感器输出信号跟天气有一定关系,晴天信号较强,一般在4~5V,雨天特别是大雨天信号相对较弱,一般在3~4V。本文认为下雨天特别是大雨天,传感器外壳被雨淋湿,而传感器外壳与大地连接,使得传感器外壳上的水膜形成了一个与大地连接的屏蔽罩,最终导致传感器读取的信号较弱。



现场存在各种干扰信号,主要是来自于电力机车,从示波器中测得的波形来看都是高次谐波,表现为波峰(谷)处或附近出现毛刺波形。因此滤波必不可少。


非接触式高压验电器的工作原理
本装置由传感器、信号跟随电路、滤波电路、倍压整流电路、减法电路、放大电路、施密特触发电路、信号指示和监控信号发送电路组成,其原理图如图1所示。传感器读取高压线附近的电场信号,传感器送出的交流信号经过信号跟随电路跟随并正向偏置后进行滤波,然后将交流信号倍压整流成直流信号,减法器减掉相邻线路间的干扰信号,放大器将信号进行必要的放大后送入施密特触发器,触发器根据输入信号的大小送出有电、无电两种信号,信号指示灯将有电无电信号在验电器上显示出来,同时监控信号发送电路将有电无电信号送入室内监控设备。



图1 非接触式验电器原理图


 


非接触式高压验电器的结构
电源
电源对整个设备提供12V的直流工作电压。本装置一般安装在铁路配电所附近,各个配电所能提供的电源不同,有交流220V也有直流110V,因此本装置中选用了北京新兴博思达科技有限公司的HQE 15W 交流/直流隔离变换器作为电源,该电源输入可以是交、直流,输出电压为直流12V。



传感
传感器安装在距离高压线0.8m的正下方,用于读取高压线附近的电场信号。本装置中的传感器采用铜片电容设计,从电容两端分别引出两根导线,靠近高压线处铜片引出的导线作为信号输出的正极,另一端接地。传感器的信号线外都加有屏蔽层,屏蔽层与传感器信号线中的地线一同接地。传感器送出的信号为工频50Hz交流电压信号。



图2 信号跟随电路



信号跟随电路
电容式传感器电流驱动能力较弱,这就对验电器的输入阻抗有较严格的要求。从实际使用的情况来看,输入阻抗最佳值是在1~2MΩ。另外由于传感器送出的是交流信号,并且验电器使 用单电源,故在信号进入后必须进行偏置,否则在滤波处就会将信号负半周截止掉。信号跟随电路如图2所示。信号由C1—1输入,C1—3接地,电容C101隔去直流干扰信号。电位器W101接电源,另一端与R101连接组成偏置电路,通过调节W101来为输入新提供合适的偏置电压。C102为退偶电容。



滤波电路
电路中采用了一阶巴特沃思低通滤波,滤波截止频率为50Hz。信号经过滤波之后高次谐波得到明显的削弱,验电器的稳定性得到加强。



倍压整流电路
倍压整流电路将交流信号转换为直流信号。验电器最后只需检测出高压线有电和无电两种状态,信号经过整流之后就转化为直流信号供后续电路处理。



减法电路
相邻线路之间存在着相互干扰信号,减法电路可以将干扰信号减掉或将过强的信号衰减到合适的值。



放大电路
不同现场中信号强弱不一样,有些现场的信号经过倍压之后不足以驱动后续电路工作,放大器可以将信号放大到合适的大小。



施密特触发电路
现场中信号在电力机车通过的时候难免出现一定幅度的波动,在之前设计的验电器中曾经出现过指示灯连续跳动的问题,跳动频率几十赫兹。施密特触发电路可以很好的解决这个问题。本电路采用NE555设计,阈值电压为4V和8V,即输入电压大于8V时输出为低电平,输入电压低于4V时输出为高电平。



信号指示和监控信号发送电路
指示灯将高压线有电或无电信号在验电器上显示出来,监控信号发送电路将有电或无电信号送入监控室。施密特触发电路输出的信号控制两路并联继电器,一路控制信号灯,另一路继电器根据输入端的信号发出断开、闭两个状态将有电无电信号送如室内监控设备。


 


结束语
本装置不需要与高压线直接接触,使用起来安全、方便、正确。本项目从2007年元月开始使用,经过几个月的运行至今没有出现问题,能正确发出有电、无电指示信号和监控信号,电力机车通过时的干扰信号得到有效的衰减,整个设备运行稳定,完全可以满足实际应用。因此本装置设计原理和思路的正确性得到验证。非接触式验电器的出现将会对新型验电器的发展起到一点推动作用。



本装置也存在不足:从有电状态向无电状态跳变时有几秒的延迟,现场中表现出来的现象为指示灯、继电器和监控信号的发出同时都有几秒的延迟。此处原因在于触发器输入端加了较大容量的电容,并且NE555耗电较小,在从有电向无电状态跳变时电容有较长时间的放电过程,因此出现较长时间的延迟。由于延迟时间较短,不影响验电器运行和使用,并且触发器输入端电容起稳定电路和滤波作用而不能去掉,故此处电路没做改动。

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