頻率振蕩技術(shù)替補(bǔ)高電壓試驗(yàn)的探索設(shè)計(jì)

【摘要】電壓頻率是完全不同的兩個(gè)概念，但在電器設(shè)備檢測(cè)試驗(yàn)中能夠互換應(yīng)用嗎？尤其在強(qiáng)電試驗(yàn)受阻時(shí)，能夠用弱電技術(shù)替補(bǔ)嗎？它們之間的理論關(guān)系是什么？怎樣才能跨越？本文將以高壓驗(yàn)電器為例，進(jìn)行相關(guān)討論分析，并經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，找到轉(zhuǎn)換依據(jù)，再以此為指導(dǎo)，開(kāi)展高壓信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)研制工作。

【關(guān)鍵詞】高壓試驗(yàn)；比例關(guān)系；頻率振蕩；電路設(shè)計(jì)

1.試驗(yàn)受阻

根據(jù)電力安全規(guī)程，所有輸電線路和電氣設(shè)備停電檢修前，必須進(jìn)行驗(yàn)電測(cè)試，而實(shí)施檢測(cè)的高壓驗(yàn)電器，使用前又必須先在同級(jí)帶電體上作預(yù)試，確認(rèn)正常后，方可轉(zhuǎn)到停電體上作檢測(cè)，以判斷是否還有危險(xiǎn)電量存在。

但是，當(dāng)前端線路檢修或突然故障，使后續(xù)電路無(wú)高電壓做試驗(yàn)，給驗(yàn)電器的預(yù)試工作造成阻礙，甚至無(wú)法進(jìn)行，那么應(yīng)該怎么處理呢？

針對(duì)上述問(wèn)題，我們從電壓、頻率兩個(gè)電氣參數(shù)的相互關(guān)系入手，進(jìn)行分析推導(dǎo)，找到了強(qiáng)弱電轉(zhuǎn)換的理論依據(jù)，從而利用電子振蕩技術(shù)開(kāi)展了10～500KV高壓驗(yàn)電器試驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)研制，用以替補(bǔ)高壓失電的檢測(cè)試驗(yàn)工作。

2.壓頻轉(zhuǎn)換原理探索

2.1 高壓驗(yàn)電器工作原理

高壓驗(yàn)電器使用中，是由電氣工人手持驗(yàn)電器絕緣手柄，使前端金屬頭接觸帶電體，看能否發(fā)出聲光信號(hào)進(jìn)行判斷。能發(fā)聲光，證明高壓驗(yàn)電器正常，方可轉(zhuǎn)到停電體上做試驗(yàn)，否則，說(shuō)明高壓驗(yàn)電器存在問(wèn)題，不可再用。由于金屬頭是單極接觸帶電體，故該試驗(yàn)借用了人體—大地—電場(chǎng)感應(yīng)成回路的測(cè)試原理。

再者，能否發(fā)出聲光信號(hào)又有量值問(wèn)題。高壓驗(yàn)電器內(nèi)部設(shè)有降壓電阻等參數(shù)，與人體對(duì)地電容形成阻抗。在觸發(fā)電流間有如下關(guān)系：

í=ù/Ζ

注：í：高壓驗(yàn)電器觸發(fā)電流；ù：系統(tǒng)電壓；Ζ：驗(yàn)電器綜合阻抗

由于系統(tǒng)電壓為50Hz頻率，同等級(jí)電壓下電阻配置已固定，人體對(duì)地電容Cr也基本不變，所以，此時(shí)觸發(fā)電流主要取決于被試體電壓值的大小。按照規(guī)程規(guī)定，當(dāng)殘余電壓達(dá)到被試電壓的15-40%時(shí)，高壓驗(yàn)電器應(yīng)發(fā)出聲光信號(hào)，表示該停電體帶有不安全電量，不能立即進(jìn)行檢修工作；若未發(fā)出聲光信號(hào)，方表明安全，才能開(kāi)展相關(guān)工作。

2.2 頻率電壓轉(zhuǎn)換推論

高壓驗(yàn)電器預(yù)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(yù)試工作的狀態(tài)下，又該怎樣測(cè)量驗(yàn)電器的好壞呢？

對(duì)上述問(wèn)題，我們將對(duì)驗(yàn)電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理做進(jìn)一步分析。先把前面啟動(dòng)電流計(jì)算式展開(kāi)，其中因降壓電阻選定，又是線性元件，對(duì)電路影響不大，故不多議。但對(duì)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(guān)系：

XCr=1/jωCr

í=ù/Ζ=ù/XCr=jωCr=2jлfCrù

注：XCr：對(duì)地電容容抗；Cr：對(duì)地電容；J：正弦波直角坐標(biāo)的虛數(shù)單位；ω：角頻率；f：頻率參數(shù)

從式中可以看到，2jл是常數(shù)，而在同一電場(chǎng)中，包括人體在內(nèi)的對(duì)地電容Cr也將基本保持不變，由此，阻抗電流的大小便主要取決于電壓值ù和頻率值f間的反比關(guān)系，即當(dāng)頻率升高時(shí)，電壓可以降低，不斷調(diào)整改變，則可將數(shù)十到幾百千伏的高壓電降到安全電壓以內(nèi)。這樣，我們便把條件局限的系統(tǒng)高壓試驗(yàn)，變?yōu)榱朔奖沆`活的頻率調(diào)節(jié)試驗(yàn)。由此找到了用電子技術(shù)代替高電壓做試驗(yàn)的理論依據(jù)。

2.3 報(bào)警值的確定

根據(jù)上面推論，我們可以按下式進(jìn)一步求出各等級(jí)電壓報(bào)警值Unb：

Unb=Un*（15～40%）

式中：Un：10、35、110、220、500（kV）

現(xiàn)以35kV為例：

U35=35×（15%～40%）=5.25～14（kV）

據(jù)前面啟動(dòng)電流í的計(jì)算式，推導(dǎo)出對(duì)應(yīng)頻率報(bào)警值為：

í35=jωCr=2jлfCrù35

在基波范圍有：í=2jлCr*50*U35

=2jлCr*[50*（5.25～14）]

=2jлCr*[262.5～700]（A）

在方括弧內(nèi)，電壓有多少，便與基波全數(shù)相乘，由此得到一個(gè)參考數(shù)據(jù)，因現(xiàn)場(chǎng)中已高壓失電，只有電場(chǎng)感應(yīng)電壓，測(cè)試為1V左右，所以，啟動(dòng)電流í的數(shù)據(jù)在公式中2jлCr基本不變，則需要占同等地位的頻率f值來(lái)填充，我們把它提出來(lái)，便是：

f35=[50*（5.25～14）]=262.5～700（kKHz）

但實(shí)際制作中，因高壓驗(yàn)電器試驗(yàn)儀內(nèi)部振蕩、功放等需工作電壓，外部試驗(yàn)還需觸發(fā)電壓等，為此，我們將其設(shè)計(jì)為10V。在前面高壓失電已全額相乘的數(shù)據(jù)中，此處則應(yīng)反運(yùn)算而除以該部分電壓值（亦乘以1/10），所以有：

f35=[50*（5.25～14）]*1/10=26.25～70（kKHz）

再將U35擴(kuò)展為各次電壓Unb，則啟動(dòng)電流計(jì)算式被整理為：

ínb=2jлCr*[50*Unb*1/10]

同樣，將上式方括弧中的電壓報(bào)警值Unb相關(guān)的數(shù)據(jù)乘積轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)應(yīng)的頻率fnb報(bào)警數(shù)據(jù)，寫(xiě)出表達(dá)式為：

fnb=Unb*50*1/10（kKHz）

后面，再按安全規(guī)程將10-500kV代入式中，計(jì)算出對(duì)應(yīng)電壓、頻率的報(bào)警值。

3.電路設(shè)計(jì)

根據(jù)理論推導(dǎo)和相關(guān)數(shù)據(jù)，我們實(shí)施了電路設(shè)計(jì)，將分別介紹于后。

3.1 基本振蕩器

以IC1六非門邏輯電路為中心，結(jié)合C1、R2、W1構(gòu)成基本振蕩器，改變阻容參數(shù)實(shí)現(xiàn)頻率粗調(diào)，W1為多圈電位器，可以對(duì)頻率進(jìn)行線性細(xì)調(diào)，從幾千到兆赫茲范圍的變化，能滿足10～500k各電壓等級(jí)的頻帶觸發(fā)要求。

3.2 帶通濾波器

振蕩器的輸出信號(hào)經(jīng)R3后，進(jìn)入帶通濾波器，帶通濾波器由IC2集成運(yùn)放MC1471及其C3、C4、R4-8組成，根據(jù)各電壓等級(jí)15～40%的電壓報(bào)警范圍，所對(duì)應(yīng)的頻率形成一個(gè)頻帶，經(jīng)阻容參數(shù)的設(shè)置，在這個(gè)帶內(nèi)的頻率才能通過(guò)，高于、低于的頻率都將被過(guò)濾掉。

仍以35kV為例，它的報(bào)警頻帶是26～ 70kHz，當(dāng)R、C參數(shù)設(shè)定后，高于70kHz將被C2濾掉，低于26KHz則被C3阻攔，故只有26～70KHz的頻率才能通過(guò)，由此對(duì)應(yīng)的選頻特性如圖3所示。集成運(yùn)放IC2形成有源控制，將使濾波效果更好、品質(zhì)因數(shù)更高，穩(wěn)定性更強(qiáng)。

3.3 功率放大器

由帶通濾波器IC2第6腳輸出的頻率信號(hào)，經(jīng)電位器W2做幅度選調(diào)后，又傳送給IC3功率放大器CD4011，它也具備有源控制功能，，頻率范圍寬，穩(wěn)定性強(qiáng)，功率提升量大，更能適應(yīng)本高壓信號(hào)發(fā)生器寬頻變化范圍下帶負(fù)載能力的要求。

3.4 脈沖變壓器

經(jīng)功率放大后的信號(hào)，再傳送給脈沖變壓器B1，將頻率信號(hào)再做比例放大，形成高頻高壓輸出。

脈沖變壓器的特點(diǎn)是鐵芯采用適應(yīng)高頻變化的錳鎳材料（非低頻矽鋼片）制成，同時(shí)，也具備變壓器的基本特性：

U2=K1*U1

式中：K1——B1的變比；U1——B1原邊電壓；U2——B1副邊電壓

由上式可見(jiàn)，通過(guò)改變?cè)⒏边吘€圈匝數(shù)，即可靈活、有效地調(diào)整副邊輸出電壓U2，達(dá)到各高壓驗(yàn)電器能夠觸發(fā)的幅度要求。

3.5 輸出觸發(fā)器

在圖1中，脈沖變壓器副邊上側(cè)接金屬桿內(nèi)端，金屬桿另一端（如箭頭）伸出機(jī)殼外，做試驗(yàn)等待；變壓器下端經(jīng)人體電容Cr接地，再經(jīng)電磁感應(yīng)形成回路。當(dāng)需要進(jìn)行高壓驗(yàn)電器檢測(cè)時(shí)，按下開(kāi)關(guān)K1，便送出原高電壓經(jīng)頻率轉(zhuǎn)換后的觸發(fā)信號(hào)，對(duì)高壓驗(yàn)電器進(jìn)行相似試驗(yàn)。

4.結(jié)語(yǔ)

本文從分析、計(jì)算入手，論述了采用頻率調(diào)整以替補(bǔ)高電壓做驗(yàn)電器試驗(yàn)的可行性，尋找到了從弱電到強(qiáng)電大跨越的理論依據(jù)，并實(shí)施了高壓驗(yàn)電器試驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)等。故，從理論到實(shí)踐，都具有先進(jìn)性和完善性。現(xiàn)在，我們已經(jīng)制作出了10～500KV系列產(chǎn)品，投入現(xiàn)場(chǎng)使用，反映良好。

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