一种高压带电显示装置（VPIS）的设计

姚丽娟

阿城继电器股份有限公司，黑龙江阿城 150302

0 引言

高压带电显示装置，用于标称电压3kV及以上，频率50Hz的电力系统中运行的户内和户外高压电气设备所使用的带电显示装置。带电显示装置用于向运行人员提供高压电气设备安装处主回路电压状态的信息。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。仅凭带电显示装置的显示还不足以证明系统已经不带电，应使用符合DL740的验电器。本次开发的高压带电显示装置主要用于铁路牵引变电所中高压输电线路的监测工作，其设计要求是监测铁路馈线27.5kV电压线路的运行情况。

1 高压带电显示装置设计原理

1.1 工作原理

高压带电显示装置采用非接触式电容式传感器作为信号输入，它不直接与高压线接触，利用高压线附近的电场来检验高压线路是否带电，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馈出线的电线杆上，它采用交流或直流电源对整个设备供电。本装置设计为户外安装使用，满足户外工作的要求。

图1 带电显示装置示意图

1.2 传感单元

装置传感单元采用非接触式传感器。

图2 带电高压线路下方不同高度空间电位分布

当高压输电线路接通电源时，在其周围空间就形成了工频电场。电场的强度是用沿一定方向单位距离内的电位差（即电压）来度量，电场强度的计量单位为伏每米或千伏每米（V/m或kV/m）。

由于高压输电线路导线直径很小，因此邻近导线处电场高度集中，线路导线与大地间的空间电场分布是不均匀的，仅以单根（“单相”）带电高压导线为例，在无建筑物、树木等影响的情况下，沿导线到地面高度的空间范围内，电位分布呈指数衰减分布（如图所示）。越接近于导线处，电场强度（E）越大。

电容式传感器放入电场后，处于交变电场中的传感器，表面电荷量与电场强度E(t)成正比，Q(t) = KE(t)；其中K为比例系数。

C=εS/4πkd 。其中，ε是一个介电常数，S为电容极板的正对面积，d为电容极板的距离， k则是静电力常量。常见的平行板电容器,电容为C=εS/d.（ε为极板间介质的介电常数，S为极板面积，d为极板间的距离。）

因此，通过测量取样电容的电压，可以判断电场强度的大小，根据电场强度的大小，判断导线有电和无电。这就是电容式传感器的原理。

由于不进行定量计算，无精度要求，使用简单的铜片制作电容器，放置于导线下方，调整距离，输出一定范围的电压即可。实际设计的电容式传感器，安装在距离高压线0.8m～1m的正下方，从现场测得的结果，在本线路有电情况下传感器读出来的信号一般在4V～6V，工频50Hz的交流电压信号。

1.3 显示单元

装置显示单元硬件设计电路由电源、信号跟随电路、低通滤波电路、倍压整流电路、减法电路、放大电路、施密特触发电路、信号输出电路（当地显示指示和接点）组成，其原理框图如下图所示。

图3 装置硬件原理框图

电源电路采用交直流两用电源输入：AC220V或DC110V，便于站内供电。信号跟随电路起到隔离干扰作用，低通滤波电路设计只保留工频信号，减少馈线上的二次谐波和五次谐波干扰，提高装置的可靠性；减法电路可以将相邻线路之间存在着相互干扰信号减掉，经过放大电路放大到施密特触发电路翻转的触发电压，

图4

图5

设计方案确定后，接下来进行具体的设计过程。首先分析激光传感器的工作过程。激光传感器有3个不分组成，如图六所示：激光发射器，激光接收器，激光信号处理器。激光发射器的作用是发射激光，激光信号处理器的作用是将激光接收器接收的激光信号进行处理，然后将处理结果输出到仪器的显示屏上。为了减轻操作的劳动强度，可以将激光信号处理器处理结果输出报警器上，并设定输出的直线度为0.05mm以内为合格，报警器不报警，输出的直线度为0.05mm以上为不合格，报警器报警，激光发射器和激光接收器成对安装，往复运动是通过气压传动来实现的。

图6

从上面分析，激光传感器是通过对零件的投影，从而测量外形尺寸。所以为了测量碳粉刮刀的直线度，必须使工件与其他装置组成一个外形，如图七所示。假设理论直线度偏差为0，工件的刃口边和理论直线组成一条狭缝，激光通过狭缝发射到激光接收器，如果刃口直线度有偏差，反映出的狭缝的宽度就有偏差，激光信号处理器受到激光接收器传过来的信号，经程序处理后就变成工件直线度的大小，所以必须设计一条理论上直线度为0的参考直边，选用材质为T8的工具钢经热处理50-55HRC硬度，用大水磨床将参考直边的直线度误差控制在0.002mm以下，如图七所示。两头设计成相等高度，等高的标准针规旁边安装强力磁铁，由于SUS430-NO.2B不锈铁带磁性，依靠强力磁铁作为夹具的规定作用，可实现快速取放。

图7

图8

综上所述，传统接触式夹具，因为工作过程互相接触，随便用次数的增多，磨损程度越来越大，夹具精度就越来越低，误差也越来越大。而非接触式夹具应用激光稳定不分散的特点，且在使用过程中，精度一直保持稳定，不随此夹具的使用次数增多而降低。此夹具的特点是操作方便，只要将工件放在夹具的指定位置，有不合格产品时，报警器报警，可以很容易将不合格产品分开。激光传感器通过气缸驱动就可实现往复运动，单行程即可完成一次测量，效率很高。激光除在这类直线度要求高的夹具中使用，还可在平面度，圆的外径，以及外形尺寸等的高精度测量夹具同样可以广泛应用。

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