10～500kV高壓頻率轉換試驗儀的製作方法

2023-12-04 09:19:56

專利名稱：：10～500kV高壓頻率轉換試驗儀的製作方法
技術領域：
：本發明涉及高壓電器設備驗電測試裝置，特別是通過提高交流電頻率、從而降低電壓等級而對高壓電器設備進行驗電測試的儀器。
背景技術：
：根據電力安全規程，所有輸電線路和電氣設備停電檢修前，必須進行驗電測試，在確認無電危險情況下，方能開展具體工作。而實施檢測的高壓驗電器，使用前又必須先在同等級帶電體上作預試，確認驗電器正常後，才可轉到停電體上作檢測，以判斷是否還有危險電量存在。但是，現場中有末端站、封閉電纜、線路檢修等，使後續電路無裸露點或高電壓做試驗，給驗電器的預試工作造成阻礙，甚至無法進行，由此留下安全隱患。
發明內容本發明的目的是提供一種10500kV高壓頻率轉換試驗儀，以利用電壓值和頻率值間的反比關係，提高頻率值、從而降低電壓值，不斷調整改變，以將數十到幾百千伏的高壓電降到安全電壓以下。針對驗電測試的要求，許多地方利用電子技術開展了高壓信號發生器的研製，但是，電子技術是低壓、弱電範圍，產生的信號能夠代替高壓、強電作試驗嗎？它運用了什麼樣的工作原理？該類原理能夠指導設計製作嗎？這些便是需要本專利藥解決的問題。1、高壓驗電器工作原理高壓驗電器使用中，是由電氣工人手持高壓驗電器手柄，使前面金屬頭接觸帶電體，看能否發出聲光信號進行判斷。能發聲光，證明高壓驗電器正常，可轉到停電體上做試驗，否則，說明高壓驗電器存在問題，不可再用。由於金屬頭是單極接觸帶電體，故該試驗還借用了人體-大地-電磁場感應成迴路的測試原理。再者，能否發出聲光信號又有量值問題。高壓驗電器內部設有降壓電阻等參數，與人體對地電容形成阻抗。在觸發電流、高壓、阻抗間有如下關係i=(J/Zi:高壓驗電器觸發電流；0:系統電壓；Z:驗電器綜合阻抗。由於系統電壓為工頻頻率，同等級電壓下電阻配置已固定，人體對地電容Cr也基本不變，所以，此時觸發電流主要取決於被試體電壓值的大小。按照規程規定，當殘餘電壓達到被試電壓的15-40%時，高壓驗電器應發出聲光信號，表示該停電體帶有不安全電量，不能立即進行檢修等工作；若未發出聲光信號，方表明安全，才能開展其它工作。2、弱電代替強電作試驗的可行性分析高壓驗電器預試工作是在高電壓上完成的，但是，在高壓失電及所有不能做預試工作的狀態下，又該怎樣測量驗電器的好壞呢？對上問題，我們將對驗電器內部結構和工作原理做進一步分析，先把前面啟動電流計算式展開，其中因降壓電阻選定，又是線性元件，對電路影響不大，故不多議。但對阻抗Z中的人體電容Cr的容抗卻有必要著重分析和討論。它們之間有如下關係XCr=1/jcoCri=jcjCril=2jXfCriJX^:對地電容容抗；Cr:對地電容；j:正弦波直角坐標的虛數單位；co:角頻率co=2Jif;f:頻率參數。從式中可以看到，2jJi是常數，而在同一電場環境中，包括人體在內的對地電容Cr也將基本保持不變，在這樣的情況下，阻抗電流的大小便主要取決於電壓值O和頻率值f間的反比關係，即當頻率升高時，電壓可降低，不斷調整改變，可將數十到幾百千伏的高壓電降到安全電壓以下。這樣，我們便把條件局限的系統高壓試驗，變為了方便靈活的頻率調節試驗。由此找到了用電子技術替補高電壓做試驗的理論依據。上面論述了改變頻率參數，即可降低電壓，實現用弱電代替強電做試驗的理論依據，據此開展"高壓頻率轉換試驗儀"的設計工作。3、報警值的確定首先，按下式求出各等級電壓報警值Unb:Unb=Un*(1540%)式中Un:10、35、110、220、500(kV)為適應集成元器件工作，故將高壓驗電器轉換試驗儀的啟動電壓選取為IOV，則Unb對應的各報警頻率值fnb計算為fnb=Unb*50*l/10此計算式的根源是將啟動電流的電壓乘積變為頻率乘積，即保證電流總值不變，故啟動效果一樣，但物理意義和電路處理卻有質的區別。現以35kV為例，作計算說明U35b=35X(15%40%)=5.2514(kV)f35b=(5.2514)X50X1/10=26.2570(KHz)以此類推，作出各等級相關計算，並將所得數填於表1中報警電壓、頻率數值表電壓等級(UnkV)1035110220500報警範圍(1540%Kv)1.54.05.251416.5443388752005tableseeoriginaldocumentpage6本表計算出的電壓報警範圍及所對應頻率值，將是我們進行10500KV頻率高壓轉換試驗儀設計的數字依據。本發明的目的是這樣實現的一種10500kV高壓頻率轉換試驗儀，包括工作電源，由振蕩器、調頻器、帶通濾波器、放大器、調幅器、功率放大器、脈衝變壓器以及輸出觸發器順次級聯組成；振蕩器、調頻器電路555時基集成塊ICl的7腳串接電阻R3後接於二極體D2正極，D2負極接於電位器W1—端，電位器W1另一端接於二極體D1正極，D1負極串接電阻R2後接於ICl的8腳和4腳，Dl負極接於ICl的7腳，ICl的6腳串接電容CI後接工作電源負極，ICl的2腳接於電位器W2—端，W2另一端接於Wl滑動端，W2的滑動端接於ICl的6腳，ICl的1腳接工作電源負極，ICl的8腳和4腳均接於開關Kl-1一端，開關Kl-1另一端接工作電源正極，ICl的5腳串接電容C2後接工作電源負極；帶通濾波器、放大器、調幅器電路型號為F007的運算放大器IC2的正輸入端順次串接電容C4、電阻R4後接於ICl的3腳，C4和R4的結點串接電容C3後接工作電源負極，IC2的正輸入端串接電阻R7後接於工作電源負極，IC2的負輸入端串接電阻R5後接地，IC2的輸出端與負輸入端之間聯接有電阻R4，R4和C4二者的結點與IC2的輸出端之間聯接有電阻R6，IC2的輸出端接於電位器W3—端，W3另一端串接電阻R9後接工作電源負極，W3的滑動端作為信號輸出端，IC2的4腳接工作電源負極，IC2的7腳接IC1的8腳；功率放大器、脈衝變壓器、輸出觸發器電路型號為CD4011的功率放大器IC3的負輸入端接電位器W3的滑動端，IC3的正輸入端串接電阻R10後接工作電源負極，IC3的輸出端與正輸入端之間聯接有電阻Rll，IC3的3腳接工作電源負極，IC3的5腳接IC1的8腳；IC3的輸出端接脈衝變壓器B1原邊線圈一端，B1原邊線圈另一端接工作電源負極，B1副邊線圈一端接金屬杆一端，金屬杆另一端伸出機殼外作試驗等待，Bl副邊線圈另一端或者懸空，或者串接開關Kl-2後經人體電容到地。上述工作電源的正極與負極之間還順次串接有開關K1-1、電阻R1、以及發光二極體Fgl，Kl-l與Rl的結點接於IC1的8腳。還具有缺電判斷指示電路型號為741的運算放大器IC4的正輸入端接於穩壓管D7負極，D7正極接工作電源負極，IC4負輸入端順次串接電阻R14、電阻R13後接於D7負極，IC4負輸入端串接電阻R15後接工作電源負極，IC4輸出端接於三極體BG1基極，BG1發射極串接電阻R16後接工作電源負極，BG1集電極接於發電二極體Fg5的負極，Fg5的正極接於電阻R13和電阻R14的結點，IC4的4腳接工作電源負極，IC4的7腳接IC1的8腳。上述工作電源為蓄電池；所述三極體BG1的集電極與發光二極體Fg5之間還聯接有繼電器Jl;還具有智能多路徑充電控制器220V交流電接至變壓器B2初級線圈，B2次級線圈一端接於二極體D8正極，D8負極串接發光二極體Fg6後接於插座CZ2的2針，D8負極順次串接繼電器J2的常開觸點J2-l、發光二極體Fg7後接於插座CZ2的3針，B2次級線圈6另一端接於橋式全波整流器D3-6輸入端，D3-6輸出端順次串接穩壓器IC5、電阻R18以及電阻R19後接B2次級線圈另一端，電解電容C5正極和發光二極體Fg9正極均接於B2次級線圈一端，發光二極體Fg9負極串接電阻R17後接於B2次級線圈另一端，電解電容C5負極接於B2次級線圈另一端；IC5和電阻R18的結點接於發光二極體Fg8正極，Fg8負極接於CZ2的4針，B2次級線圈一端接於CZ2的1針，CY-56型智能時針晶片IC6的3腳接於三極體BG2的基極，BG2的發射極接於三極體BG3的基極，BG3的發射極接於IC6的14腳，BG2的集電極串接繼電器J2後接於CZ2的4針，BG2的集電極接於BG3的集電極，IC6的14腳接於B2次級線圈另一端，IC6的13腳接於電阻R18和電阻R19的結點。金屬杆另一端的端頭有與高壓驗電器圓錐形金屬頭相適配的圓形內凹面。本發明具有以下特點和優點1、基於理論和實踐的完整結合，完成了10500kV各等級頻率高壓轉換試驗儀的產品製作，經現場試用，反應良好。2、採用調頻調幅、帶通濾波、集成化設計、脈變提升信號、金屬頭圓凹製作、自動與周循環充電兼備的完整性、獨到性處理方式。3、獨有的輸出觸發器設計，工作人員操作時，使變壓器副邊自動與人體相接，經人體電容Cr到地，使信號幅度較前提高2030%，這樣既有利於觸發，又可以減少變壓器等參數的配置，降低成本。圖1是本發明電原理框圖；圖2是圖1所示本發明電路圖(未包括智能周循環充電器部分)；圖3是帶通頻率特徵示意圖；圖4是圖1所示智能多路徑充電控制器(即智能周循環充電器)電路；圖5是本發明開關Kl-2的結構示意圖。具體實施例方式從圖1可見，高壓驗電器轉換試驗儀以頻率振蕩為中心，加上調頻、調幅、帶通濾波及功率放大、脈衝變壓、輸出觸發等處理，製作成完整的信號源試驗儀器。為了方便使用，我們還設計了智能自動和周循環相結合的充電控制器(參見圖4)，使之隨時使用都有充足的工作電源作保障。圖2示出，基本振蕩與調頻器以IQ555時基集成塊為中心，結合&、R2、W2和Q構成基本振蕩器，DpDy以其方向性開啟充放電途徑，W工調節脈衝寬度，電容Q與電位器W2完成頻率粗調和細調，以幾千到兆赫茲範圍的變化滿足10500k各電壓等級的頻帶觸發要求。帶通濾波器IC2及其C4、C5、R4—8組成帶通濾波器，根據表1給出各電壓等級1540%的電壓報警範圍，所對應的頻率形成一個頻帶，經阻容參數的設置，在這個帶內的頻率才能通過，高於、低於的頻率都將被過濾掉。仍以35Kv為例，它的報警頻帶是2670KHz，當R、C參數設定後，高於70KHz將被C4濾掉，低於260KHz則被C5阻攔，故只有2670KHz的頻率才能通過，由此對應的選頻7特性如圖3所示。集成運放IC2形成有源控制，將使濾波效果更好、品質因數更高，穩定性更強。放大與調幅(型號為F007的)運算放大器IC2在完成帶通濾波的同時，電阻R4與R6以及R5與R8之間在合理配置下還具有放大功能，設計為23個增益，這樣的增益為後續電路進行幅值調節作了裕度儲備。1(:2的6腳輸出信號，傳送給電位器￥3進行電壓幅度調節，R9是防止電位器調節到零時出現接地短路的保護電阻。以上頻率、幅度的調節有利於滿足不同廠家、不同報警值的觸發要求，有效地增強高壓信號發生器的廣泛性和通用性。功率放大器從W3來的信號又傳送給IC3功率放大器CD4011，它也具備有源控制功能，頻率範圍寬，穩定性強，功率量大，故更能適應本高壓信號發生器寬頻變化中帶負載能力的要求。脈衝變壓器經功率放大後的信號，再傳送給脈衝變壓器B"將頻率信號再做比例放大，形成高頻高壓輸出。脈衝變壓器的特點是鐵芯採用適應高頻變化的錳鋅或鎳鋅材料(非低頻矽鋼片)製成，故能滿足幾十千赫到兆赫茲的頻率要求，同時，也具備變壓器的基本特性U2=K^U丄式中——Bi的變比；仏——Bi原邊電壓；U2-B!副邊電壓。由上式可見，通過改變原、副邊線圈匝數，即可改變變比&數值，從而靈活、有效地調整副邊輸出電壓仏，達到各高壓驗電器能夠觸發的幅度要求。這是某些單線圈和僅有功放作用產品所不具備的優點。輸出觸發器在圖2中，脈衝變壓器副邊分兩路聯結上側接金屬杆一端，金屬杆另一端(如箭頭)伸出機殼外，做試驗等待，當需要進行高壓驗電器檢測時，按下開關Kl-2，便送出觸發信號。下側輸出又分兩種方式一是在器身內直接懸空，如虛線部分，利用電磁感應接地；二是用導線引到按鍵為金屬頭的開關K1-2上，猶如並設了一個開關K卜2，在工作人員操作時，使變壓器副邊自動與人體相接，形成經人體電容Cr到地，使信號幅度較前提高2030%，由此既有利於觸發又可以減少變壓器等參數配置，降低成本，故，是一項很有特色和意義的設計。圖5中，1、金屬頭按鍵；2、箱蓋隔板示意；3、脈變手觸導線；4、開關行程觸頭；5、開關座；6、開關焊腳；7、壓線螺母。如圖5所示，用導線引到按鍵為金屬頭的開關K1-1上，猶如並設了一個開關Kl-2，在工作人員操作時，使變壓器副邊下側自動與人體相接，形成經人體電容Cr到地，使信號幅度較前提高2030%，由此既有利於觸發又可以減少變壓器等參數配置，降低成本，故，是一項很有特色和意義的設計。缺電判斷指示本10500KV頻率高壓轉換試驗儀採用9V電池工作，為防止電能下降，影響工作，我們設計了以IQ(運算放大器741)為中心的比較判斷電路，其中R12與穩壓二極體Di構成7V基準電壓，R13R14對實際電源採樣，電壓高時截止，低於7V後，IC4翻轉，繼電器Jl啟動，發光二級管Fg5點亮，提示使用人員更換或補充電能。多類型充電器頻率高壓轉換試驗儀是直流電工作，為了避免勤換電池，我們採用了蓄電池充電方式。充電器電路請見圖2和圖4。多路電源設置從圖4可見，220V交流電經變壓器BJ條壓，一路由D2半波整流，形成脈動電流，分送給輸出插座CZ2的2針和經繼電器J2-l到第3針；另一路經D3-6(橋式全波整流器)整流，C5濾波，IC5穩壓，一路經R18、R19分壓，接往IC6的13、14腳作工作電源，另一路直送CZ2第四針，由此，變壓器副邊構成了四組電源輸出。智能周循環控制圖4中IC6為CY-56型智能時鐘晶片，它含有晶振、分頻、存儲等硬體電路，也經軟體編程對秒、時、分、周等進行計算合成，並由開關K4-10作相關校時和定時設置。我們要選用的是周循環控制，因高壓驗電及信號發生器用時必須保證有充足電源，可蓄電池若長期充電，將處於飽和狀態，必然老化廢棄得快，所以，我們改設為缺電時自動充電與等待時每周充電一次來解決這一矛盾。如試驗儀等待時選擇並設置為每周一812點為充電時間，當8點到達時，IC6的3腳輸出高電平，複合管BG2-3導通，繼電器J2-啟動，常開結點J2-l閉合，將D2來的脈動電流傳送給輸出插座CZ2第3針。而12點到達時，IC6的3腳轉低電平，截止輸出，由此達到周循環控制目的。充電信號的傳遞使用結合圖2和圖4我們可以看到，輸入插座CZ1和輸出插座CZ2經電纜作充電信號傳遞，其中第一針為公共地，第二針將脈動電流傳給J1-1等待，在任何情況下，只要IC4判斷缺電，則J1啟動，J1-1閉合，便可立即投入充電，而當充電滿後，I(;翻轉，Jl-l斷開，停止充電，完成自動充電過程；第三針則是周循環控制，當每周設置的充電時間到達時，繼電器J2-1閉合，即給蓄電池充電。增設的R12是限流電阻，這是在並非完全缺電的情況下，採用微電流、浮充形式補充能量；第四針是在電源故障的情況下，撥通開關K2，用穩壓電源直接供電的緊急措施。可見，本儀器有充分電源保障。圖2與圖4中，各發光管的作用是，Fgl點亮表示頻率高壓轉換試驗儀投入使用；Fg2、Fg6和Fg3和Fg8分別串聯指示發生器與充電器自動和周循環充電；Fg4和Fg8則指示穩壓源直接供電；而Fg9指示充電器正常工作。使用方式高壓驗電器試驗儀製作完成後，使用時，工作人員可一手拿高壓信號儀，一手握高壓驗電器，將金屬導電桿與金屬導電桿相對接，再按下操作鍵，若高壓驗電器發出聲光信號，即為正常，否則為異常，不可再用。在實際中發現，因高壓驗電器金屬頭為圓錐形，若轉換儀也同形狀，接觸時將尖對尖打滑，使用很不方便。為此對轉換儀作了圓凹式改進。金屬杆另一端的端頭有與高壓驗電器圓錐形金屬頭相適配的圓形內凹面。當對接試驗時，錐頭插入圓窩中(即圓形內凹面)，便非常穩定，這也是方便使用的一個有效措施。從上可見，此時的高壓驗電器試驗儀已替補原來的帶電體位置，對高壓驗電器做預防性試驗，其試驗方法、循環迴路、信號反饋和判斷結論與在高壓帶電體上作試驗完全一樣。所以是可行可信的。權利要求一種10～500kV高壓頻率轉換試驗儀，包括，工作電源，其特徵是由振蕩器、調頻器、帶通濾波器、放大器、調幅器、功率放大器、脈衝變壓器以及輸出觸發器組成；振蕩器、調頻器電路555時基集成塊IC1的7腳串接電阻R3後接於二極體D2正極，D2負極接於電位器W1一端，電位器W1另一端接於二極體D1正極，D1負極串接電阻R2後接於IC1的8腳和4腳，D1負極接於IC1的7腳，IC1的6腳串接電容C1後接工作電源負極，IC1的2腳接於電位器W2一端，W2另一端接於W1滑動端，W2的滑動端接於IC1的6腳，IC1的1腳接工作電源負極，IC1的8腳和4腳均接於開關K1-1一端，開關K1-1另一端接工作電源正極，IC1的5腳串接電容C2後接工作電源負極；帶通濾波器、放大器、調幅器電路型號為F007的運算放大器IC2的正輸入端順次串接電容C4、電阻R4後接於IC1的3腳，C4和R4的結點串接電容C3後接工作電源負極，IC2的正輸入端串接電阻R7後接於工作電源負極，IC2的負輸入端串接電阻R5後接地，IC2的輸出端與負輸入端之間聯接有電阻R4，R4和C4二者的結點與IC2的輸出端之間聯接有電阻R6，IC2的輸出端接於電位器W3一端，W3另一端串接電阻R9後接工作電源負極，W3的滑動端作為信號輸出端，IC2的4腳接工作電源負極，IC2的7腳接IC1的8腳；功率放大器、脈衝變壓器、輸出觸發器電路型號為CD4011的功率放大器IC3的負輸入端接電位器W3的滑動端，IC3的正輸入端串接電阻R10後接工作電源負極，IC3的輸出端與正輸入端之間聯接有電阻R11，IC3的3腳接工作電源負極，IC3的5腳接IC1的8腳；IC3的輸出端接脈衝變壓器B1原邊線圈一端，B1原邊線圈另一端接工作電源負極，B1副邊線圈一端接金屬杆一端，金屬杆另一端伸出機殼外作試驗等待，B1副邊線圈另一端或者懸空，或者串接開關K1-2後經人體電容到地。2.根據權利要求1所述10500kV高壓頻率轉換試驗儀，其特徵是所述工作電源的正極與負極之間還順次串接有開關Kl-l、電阻Rl、以及發光二極體Fgl，Kl-l與Rl的結點接於IC1的8腳。3.根據權利要求2所述10500kV高壓頻率轉換試驗儀，其特徵是還具有缺電判斷指示電路型號為741的運算放大器IC4的正輸入端接於穩壓管D7負極，D7正極接工作電源負極，IC4負輸入端順次串接電阻R14、電阻R13後接於D7負極，IC4負輸入端串接電阻R15後接工作電源負極，IC4輸出端接於三極體BG1基極，BG1發射極串接電阻R16後接工作電源負極，BG1集電極接於發電二極體Fg5的負極，Fg5的正極接於電阻R13和電阻R14的結點，IC4的4腳接工作電源負極，IC4的7腳接IC1的8腳。4.根據權利要求3所述10500kV高壓頻率轉換試驗儀，其特徵是所述工作電源為蓄電池；所述三極體BG1的集電極與發光二極體Fg5之間還聯接有繼電器Jl;還具有智能多路徑充電控制器220V交流電接至變壓器B2初級線圈，B2次級線圈一端接於二極體D8正極，D8負極串接發光二極體Fg6後接於插座CZ2的2針，D8負極順次串接繼電器J2的常開觸點J2-l、發光二極體Fg7後接於插座CZ2的3針，B2次級線圈另一端接於橋式全波整流器D3-6輸入端，D3-6輸出端順次串接穩壓器IC5、電阻R18以及電阻R19後接B2次級線圈另一端，電解電容C5正極和發光二極體Fg9正極均接於B2次級線圈一端，發光二極體Fg9負極串接電阻R17後接於B2次級線圈另一端，電解電容C5負極接於B2次級線圈另一端；IC5和電阻R18的結點接於發光二極體Fg8正極，Fg8負極接於CZ2的4針，B2次級線圈一端接於CZ2的1針，CY-56型智能時針晶片IC6的3腳接於三極體BG2的基極，BG2的發射極接於三極體BG3的基極，BG3的發射極接於IC6的14腳，B62的集電極串接繼電器J2後接於CZ2的4針，BG2的集電極接於BG3的集電極，IC6的14腳接於B2次級線圈另一端，IC6的13腳接於電阻R18和電阻R19的結點。5.根據權利要求1或2或3或4任一權利要求所述10500kV高壓頻率轉換試驗儀，其特徵是所述金屬杆另一端的端頭有與高壓驗電器圓錐形金屬頭相適配的圓形內凹面。全文摘要一種10～500kV高壓頻率轉換試驗儀，屬通過提高交流電頻率、從而降低電壓等級而對高壓電器進行驗電測試的儀器。它由振蕩器、調頻器、帶通濾波器、放大器、調幅器、功率放大器、脈衝變壓器以及輸出觸發器順次級聯組成。它利用電壓值和頻率值間的反比關係，提高頻率值，從而降低電壓值，不斷調整改變，將數十到幾百千伏的高壓電降到安全電壓以下，在安全條件下完全驗電測試。文檔編號G01R35/00GK101702011SQ200910216120公開日2010年5月5日申請日期2009年11月3日優先權日2009年11月3日發明者粟和林申請人:四川電力試驗研究院