一種感應(yīng)式高壓帶電顯示閉鎖裝置的設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一種感應(yīng)式高壓帶電顯示閉鎖裝置，即利用電容式感應(yīng)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(hào)。將此信號(hào)作為輸入信號(hào)傳遞給顯示控制器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行保護(hù)、放大、檢波、比較等一系列處理，實(shí)現(xiàn)高壓帶電體帶電狀態(tài)的顯示，同時(shí)通過連鎖信號(hào)輸出接點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)操控機(jī)構(gòu)的強(qiáng)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(huì)產(chǎn)生局部放電，使用安全可靠，安裝維護(hù)簡(jiǎn)單便捷。

關(guān)鍵詞：高壓帶電顯示閉鎖裝置；感應(yīng)式；耦合；全波整流

中圖分類號(hào)：TH89；TM83 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

保障電力系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行是電力系統(tǒng)維護(hù)中的重中之重。高壓帶電顯示閉鎖裝置能夠真實(shí)地反映高壓帶電體的供電、停電情況，是檢測(cè)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(hào)，經(jīng)過對(duì)信號(hào)的處理，將帶電狀態(tài)以光或聲的形式展現(xiàn)出來[1]，同時(shí)強(qiáng)制閉鎖、解鎖相應(yīng)的操作機(jī)構(gòu)，防止誤碰帶電設(shè)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(xiàn)，從而避免安全事故的發(fā)生[2]。高壓帶電顯示閉鎖裝置是國家電網(wǎng)公司變電運(yùn)行專業(yè)中《防止電氣誤操作裝置安全管理規(guī)定》中推薦使用的防誤裝置之一[3]。

1 基本結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的感應(yīng)式高壓帶電顯示閉鎖裝置（簡(jiǎn)稱“本裝置”）為分體結(jié)構(gòu)，主要包括信號(hào)采集單元和顯示控制器（主機(jī)）兩個(gè)部分。信號(hào)采集單元采用3 個(gè)相互獨(dú)立的感應(yīng)式電容傳感器；顯示控制器具有顯示功能并提供連鎖信號(hào)控制接點(diǎn)。測(cè)量時(shí)將3 個(gè)傳感器分別放置于待測(cè)線路的附近，采集高壓帶電體的電場(chǎng)耦合信號(hào)，并將此信號(hào)作為輸入信號(hào)分別傳給顯示控制器。顯示控制器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行保護(hù)、放大、檢波、比較等一系列處理，檢測(cè)出被測(cè)線路的帶電狀態(tài)，并以紅、綠雙色發(fā)光管的形式顯示，同時(shí)連鎖信號(hào)控制接點(diǎn)為相應(yīng)的操作機(jī)構(gòu)提供開、閉觸點(diǎn)，從而對(duì)操作機(jī)構(gòu)進(jìn)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(yīng)式電容傳感器作為信號(hào)采集單元[4]，它是一個(gè)靠近高壓帶電體的對(duì)地絕緣的感應(yīng)電極[5]，與高壓帶電體無直接接觸。當(dāng)傳感器位于高壓帶電體附近時(shí)，它通過感應(yīng)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(hào)[6]。同時(shí)，利用感應(yīng)電極與高壓帶電體之間、感應(yīng)電極與地之間的雜散電容，通過電容分壓將此信號(hào)傳遞至顯示控制器后進(jìn)行信號(hào)處理[7]，進(jìn)而判斷帶電與否并實(shí)施控制。傳感器等效電路如圖2 所示，其中，CA 為感應(yīng)電極與高壓帶電體之間的雜散電容；CB 為感應(yīng)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(yīng)電極上感應(yīng)電容量的影響因素主要包括絕緣介質(zhì)、感應(yīng)電極面積以及感應(yīng)電極與高壓帶電體之間的距離等[8-9]。

3 電路設(shè)計(jì)

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(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)一級(jí)保護(hù)，配合AC/DC 電源轉(zhuǎn)換模塊使用，可使電源的電磁干擾（electromagnetic interference，EMI）符合信息技術(shù)產(chǎn)品的CISPR22： EN 55022 標(biāo)準(zhǔn)限制要求，同時(shí)還具有短路保護(hù)、過流保護(hù)、過壓保護(hù)的作用。另外，它可以配合瞬態(tài)電壓抑制器（transient voltage suppressor， TVS）、DC/DC 電源隔離模塊產(chǎn)生±12 V 直流電壓，作為電路工作電源使用。

3.2 信號(hào)處理電路

信號(hào)處理電路包括輸入保護(hù)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(hào)過大、靜電放電等因素造成電路損壞，在輸入保護(hù)電路的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)保護(hù)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(yīng)信號(hào)放大，然后全波整流電路將放大后的交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，比較電路將經(jīng)過處理后的直流信號(hào)與設(shè)定閾值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果驅(qū)動(dòng)輸出電路動(dòng)作[10-11]。全波整流電路如圖4所示。

由于輸入信號(hào)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(xiàn)失真而影響檢測(cè)的準(zhǔn)確性，本裝置采用放大器TL062 和快速雙向二極管BAV99 設(shè)計(jì)了精密的全波整流電路。

當(dāng)交流輸入信號(hào)Vin ＞ 0 時(shí)，DA1 的1、3 引腳導(dǎo)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(shù)為-R1/R10，當(dāng)R1 與R10 阻值相等時(shí)，電路節(jié)點(diǎn)Vo1 的電壓值等于-Vin。同時(shí)Vo1、Vin 作為輸入信號(hào)與電阻R7、R12、R2 及TL062 的U2B 組成反向加法運(yùn)算電路，此時(shí)輸出信號(hào)Vout 的計(jì)算公式：

Vout =-R2×（Vo1/R7+Vin /R12）。 （ 1）

當(dāng)R12=2×R7 時(shí)，

Vout =（R2/R12）×Vin。 （ 2）

因?yàn)榇藭r(shí)Vin ＞ 0，所以Vout ＞ 0。

當(dāng)交流輸入信號(hào)Vin ＜ 0 時(shí)，DA1 的1、3 引腳截止，2、3 引腳導(dǎo)通，電阻R7 兩端虛地，無電流流過，電路簡(jiǎn)化為以Vin 作為輸入信號(hào)與電阻R12、R2 及TL062 的U2B 組成反向比例放大器，此時(shí)輸出信號(hào)的計(jì)算公式：

Vout =（-R2/R12）×Vin。 （ 3）

因?yàn)榇藭r(shí)Vin ＜ 0，所以Vout ＞ 0。

綜上，交流輸入信號(hào)經(jīng)過整流電路后，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的關(guān)系可通過以下計(jì)算公式得出，由此實(shí)現(xiàn)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(dú)立的帶電狀態(tài)指示燈和5 組連鎖信號(hào)輸出接點(diǎn)組成。其中，帶電狀態(tài)指示燈采用紅、綠雙色發(fā)光二極管，由反向緩沖器驅(qū)動(dòng)，同一時(shí)刻每組指示燈只能顯示紅色、綠色或不亮；連鎖信號(hào)輸出接點(diǎn)分別為1 組A 相控制節(jié)點(diǎn)、1 組B 相控制節(jié)點(diǎn)、1 組C 相控制節(jié)點(diǎn)和2 組ABC三相聯(lián)控節(jié)點(diǎn)，每組連鎖信號(hào)輸出接點(diǎn)各提供一對(duì)開、閉觸點(diǎn)外接相應(yīng)的操作機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行閉鎖、解鎖。當(dāng)檢測(cè)到高壓帶電體帶電時(shí)，發(fā)光管顯示紅色，繼電器閉鎖；當(dāng)檢測(cè)到高壓帶電體不帶電時(shí)，發(fā)光管顯示綠色，繼電器解鎖；顯示控制器無工作電源時(shí)，發(fā)光管不亮，繼電器強(qiáng)制閉鎖，以確保操控機(jī)構(gòu)操作安全。

顯示驅(qū)動(dòng)電路如圖5 所示，采用反向緩沖器HEF4049BT 驅(qū)動(dòng)紅、綠雙色發(fā)光二極管。緩沖器共有6 路，兩兩串聯(lián)，分為3 組分別驅(qū)動(dòng)3 組發(fā)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(hào)與對(duì)應(yīng)輸入引腳信號(hào)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(hào)如何，當(dāng)信號(hào)由1A 引腳輸入時(shí)，引腳1Y 與2Y 均輸出相反的信號(hào)，即其中一個(gè)引腳輸出低電平，另一個(gè)引腳輸出高電平。其中的高電平引腳驅(qū)動(dòng)發(fā)光管LEDA 工作，從而顯示被測(cè)線路帶電狀態(tài)。

4 結(jié)論

感應(yīng)式高壓帶電顯示閉鎖裝置具有體積小、性價(jià)比高、可靠性好、受環(huán)境溫度干擾小等優(yōu)點(diǎn)，配合電磁鎖、微機(jī)防誤閉鎖裝置共同使用，對(duì)接地刀閘、柜門（網(wǎng)門）等需要閉鎖的地方實(shí)現(xiàn)安全聯(lián)鎖，在防止電氣誤操作、保障電力系統(tǒng)安全平穩(wěn)地運(yùn)行等方面有著重要意義。本裝置經(jīng)過驗(yàn)證，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地反映高壓帶電體的帶電狀態(tài)，準(zhǔn)確控制電磁鎖等操控機(jī)構(gòu)，有效避免誤操作等情況發(fā)生，是電力“五防”的理想裝置之一。

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