新型高压带电显示装置设计

2020-11-12沈建位吕晓蓉黄晓霞

自动化仪表 2020年9期

沈建位，吕晓蓉，黄晓霞

(1.宁波职业技术学院机电工程学院，浙江宁波 315800；2.浙江开关厂有限公司，浙江衢州 324000)

0 引言

高压带电显示装置是一种电气防误装置。该装置集感应检测、带电显示、强制闭锁等功能于一体，适用于交流50 Hz、额定电压6～550 kV的电气线路或气体绝缘全封闭组合电器(gas insulated substation，GIS)等开关设备。它能够在较为安全的情况下对线路或电气设备进行检测，判断其是否带电，并且提供闭锁接点，实现强制闭锁的功能。该装置是目前保证电气设备的安全操作的设备之一，同时也是电气装置领域研究的热点[1]。

目前，市场上某些带电显示装置存在较大事故隐患，即在没有工作电源的情况下，无论高压线路侧是否带电，闭锁接点始终处于解锁状态，易发生操作事故[2]。本文基于上述分析，设计了一种新型高压带电显示闭锁装置。该装置在无操作电源，或有操作电源且高压有电时，闭锁接点始终处于闭锁状态，仅在装置有电且高压侧无电时，闭锁接点处于解锁状态，提高了装置安全及可靠性。

1 总体方案设计

本装置由传感器、输入保护电路、信号处理电路、显示闭锁输出电路和电源电路等组成。

系统总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图Fig.1 Overall structure of the system

装置结构共包括两部分，分别为显示控制电路和传感器。传感器的主要作用是实现高压的带电信号感应，即将高压电路信号传输到显示控制电路，从而完成信号的分析和处理。

当信号传输至显示控制电路后，通过放大、滤波、检波、比较判断后分为两路信号。一路信号输出给带电显示，主要通过二极管按相位分别显示；另一路信号经放大后驱动闭锁继电器，实现输出闭锁功能。

本装置带电检测部分由三相单独显示控制，每一相检测电路单独工作，并控制相应的信号。当某一相带电时，对应的带电指示灯显示，同时实现闭锁信号输出。在装置无工作电源情况下，也会输出强制闭锁信号。此外，为方便调试，装置还设有自检功能，按下装置“自检”按钮，可以检查带电指示灯显示和闭锁继电器闭锁是否正常动作。

2 传感器原理

本装置设计的传感器电路模型如图2所示。3个传感器分别和3相高压电路相对应，但彼此之间保持一定距离。电容为传感器等效电容，电阻为检测电路等效电阻。根据电路原理，电压与电流的关系为u=iZ。

图2 传感器电路模型Fig.2 Sensor circuit model

高压电路电压关系如式(1)所示。

(1)

传感器感应电压关系如式(2)所示。

(2)

结合两式可得式(3)。

(3)

式中：Z1为感应电容与检测电路的等效阻抗;Z2为检测电路的阻抗。

由式(3)可知，当传感器安装位置确定后，传感器端感应电压和高压电路电压呈对应关系，可由感应电压值得到高压电路电压值。

3 系统设计

3.1 输入保护电路

高压带电装置的传感器基于电容感应原理。电容耦合能量与高压信号频率呈正比，即频率越大，耦合能量也越大[3]。当高频暂态电压出现时，得到的耦合信号非常大，此外浪涌和尖峰过电压也容易损坏装置[4]。为了避免这些信号损坏装置，设计了输入保护电路。图3为A相输入保护电路，B相、C相与之类似。

图3 A相输入保护电路Fig.3 Input protection circuit of A phase

图3中：P1为传感器接线端子，与传感器相连接。TA1为陶瓷放电管，TVSA1为双向二极管，当输入信号因雷击或其他原因过电压时，陶瓷放电管及TVS管导通，保护元器件。DA1与DA2为二极管，组成限幅电路，当输入信号达到二极管导通条件时，二极管导通，将输入信号限制在0.7 V之内。

3.2 信号处理电路

3.2.1 信号放大电路

传感器输出的信号微弱，不足以驱动发光二极管和闭锁输出继电器等，故需要对采集到的信号进行放大[5]。图4为信号放大电路。电阻RA1、RA2、RA8及运放LM324组成反相比例放大电路，放大倍数由RA1与RA2的比值进行确定。电容CA1与CA2为相位补偿电容，补偿放大电路的相位偏移，防止产生自激振荡。

图4 信号放大电路Fig.4 Signal amplifying circuit

3.2.2 滤波电路

传感器输出信号含有许多高频噪声，需要设计合适的滤波电路去滤除这些噪声[6]。本装置的滤波电路如图5所示。

图5 滤波电路Fig.5 Filter circuit

滤波电路是由二阶有源滤波和同相比例放大电路组成的二阶压控型低通有源滤波器。集成运放的输入端加入负反馈。反馈信号的极性在很大程度上取决于频段范围。当信号频率远大于截止频率时，单级RC和两极RC电路发生的相移位，分别移相-90°和-180°。通过CA3实现了信号的负反馈。负反馈能够在一定程度上使输入信号和放大倍数变小。滤波电路具有输入阻抗高而输出阻抗低的特点[7]。

其通带放大倍数由RA11与RA12确定，如式(4)所示。

(4)

滤波器的低通截止频率如式(5)所示。

(5)

电容CA5为耦合电容，其作用是隔离信号中的直流成分。

3.2.3 检波电路

传感器输出的信号经放大、滤波之后，还需对信号进行检波。检波电路的设计在检波过程中发挥着重要作用。常见的为普通检波二极管电路，但该检波电路具有准确度低、易失真等缺陷。除此之外，检波电路还极易受到温度的影响，从而对结果产生不利影响[8]。

而运算放大器构成的精密检波电路，能够有效避免上述弊端，并且不容易受温度的影响，各方面性能较高[9]。本装置的检波电路如图6所示。

图6 检波电路Fig.6 Detection circuit

(6)

3.2.4 比较判断及阈值调整电路

输入信号经过检波之后，得到直流信号。该直流信号送入如图7所示的比较判断及阈值调整电路后，驱动发光二极管及闭锁继电器。

图7 比较判断及阈值调整电路Fig.7 Comparative judgment and threshold adjustment circuit

图7中：RA14、RA16为取样电阻，通过调整RA16的阻值，可以改变运放LM393反相输入端的参考电压。当高压电路有电时，相对于反向端电压而言，同相端的输入电压更大。运放脚输出高电平，反之输出低电平。

3.3 带电显示及输出闭锁电路

带电显示及输出闭锁电路如图8所示。

图8 带电显示及输出闭锁电路Fig.8 Live indicating and output blocking circuit

图8中：DA5为发光二极管；KA1及K1为输出闭锁继电器。当高压电路有电时，传感器信号经输入保护、信号处理电路之后运放LM393的①脚输出高电平信号。此高电平信号一方面驱动三极管QA1导通，对应发光二级管DA5点亮，显示带电状态。另一方面驱动三极管QA3导通，由于QA3的导通，三极管QA2基集电位变低，QA2截止，继电器KA1与K1失电，输出闭锁信号。反之，当高压侧无电时，运放LM393的①脚输出低电平信号，一方面三极管QA1截止，发光二极管熄灭。另一方面，该低电平不足以驱动三极管QA3，QA3截止，QA2与Q1基极为高电平，QA2与QA1导通，继电器输出解锁信号。

此外，为防止装置无工作电源时的误操作，该装置还有掉电闭高压带电锁功能。当装置无工作电源时，各电路不工作，继电器输出为闭锁状态。