10～500kV高压频率转换试验仪

摘要

一种10～500kV高压频率转换试验仪，属通过提高交流电频率、从而降低电压等级而对高压电器进行验电测试的仪器。它由振荡器、调频器、带通滤波器、放大器、调幅器、功率放大器、脉冲变压器以及输出触发器顺次级联组成。它利用电压值和频率值间的反比关系，提高频率值，从而降低电压值，不断调整改变，将数十到几百千伏的高压电降到安全电压以下，在安全条件下完全验电测试。

权利要求

1.一种10～500kV高压频率转换试验仪，包括，工作电源，其特征是：由振荡器、调频器、带通滤波器、放大器、调幅器、功率放大器、脉冲变压器以及输出触发器组成；

振荡器、调频器电路：555时基集成块IC1的7脚串接电阻R3后接于二极管D2正极，D2负极接于电位器W1一端，电位器W1另一端接于二极管D1正极，D1负极串接电阻R2后接于IC1的8脚和4脚，D1负极接于IC1的7脚，IC1的6脚串接电容C1后接工作电源负极，IC1的2脚接于电位器W2一端，W2另一端接于W1滑动端，W2的滑动端接于IC1的6脚，IC1的1脚接工作电源负极，IC1的8脚和4脚均接于开关K1-1一端，开关K1-1另一端接工作电源正极，IC1的5脚串接电容C2后接工作电源负极；

带通滤波器、放大器、调幅器电路：型号为F007的运算放大器IC2的正输入端顺次串接电容C4、电阻R4后接于IC1的3脚，C4和R4的结点串接电容C3后接工作电源负极，IC2的正输入端串接电阻R7后接于工作电源负极，IC2的负输入端串接电阻R5后接地，IC2的输出端与负输入端之间联接有电阻R4，R4和C4二者的结点与IC2的输出端之间联接有电阻R6，IC2的输出端接于电位器W3一端，W3另一端串接电阻R9后接工作电源负极，W3的滑动端作为信号输出端，IC2的4脚接工作电源负极，IC2的7脚接IC1的8脚；

功率放大器、脉冲变压器、输出触发器电路：型号为CD4011的功率放大器IC3的负输入端接电位器W3的滑动端，IC3的正输入端串接电阻R10后接工作电源负极，IC3的输出端与正输入端之间联接有电阻R11，IC3的3脚接工作电源负极，IC3的5脚接IC1的8脚；IC3的输出端接脉冲变压器B1原边线圈一端，B1原边线圈另一端接工作电源负极，B1副边线圈一端接金属杆一端，金属杆另一端伸出机壳外作试验等待，B1副边线圈另一端或者悬空，或者串接开关K1-2后经人体电容到地。

2.根据权利要求1所述10～500kV高压频率转换试验仪，其特征是：所述工作电源的正极与负极之间还顺次串接有开关K1-1、电阻R1、以及发光二极管Fg1，K1-1与R1的结点接于IC1的8脚。

3.根据权利要求2所述10～500kV高压频率转换试验仪，其特征是：还具有缺电判断指示电路：型号为741的运算放大器IC4的正输入端接于稳压管D7负极，D7正极接工作电源负极，IC4负输入端顺次串接电阻R14、电阻R13后接于D7负极，IC4负输入端串接电阻R15后接工作电源负极，IC4输出端接于三极管BG1基极，BG1发射极串接电阻R16后接工作电源负极，BG1集电极接于发电二极管Fg5的负极，Fg5的正极接于电阻R13和电阻R14的结点，IC4的4脚接工作电源负极，IC4的7脚接IC1的8脚。

4.根据权利要求3所述10～500kV高压频率转换试验仪，其特征是：所述工作电源为蓄电池；所述三极管BG1的集电极与发光二极管Fg5之间还联接有继电器J1；还具有智能多路径充电控制器：220V交流电接至变压器B2初级线圈，B2次级线圈一端接于二极管D8正极，D8负极串接发光二极管Fg6后接于插座CZ2的2针，D8负极顺次串接继电器J2的常开触点J2-1、发光二极管Fg7后接于插座CZ2的3针，B2次级线圈另一端接于桥式全波整流器D3-6输入端，D3-6输出端顺次串接稳压器IC5、电阻R18以及电阻R19后接B2次级线圈另一端，电解电容C5正极和发光二极管Fg9正极均接于B2次级线圈一端，发光二极管Fg9负极串接电阻R17后接于B2次级线圈另一端，电解电容C5负极接于B2次级线圈另一端；IC5和电阻R18的结点接于发光二极管Fg8正极，Fg8负极接于CZ2的4针，B2次级线圈一端接于CZ2的1针，CY-56型智能时针芯片IC6的3脚接于三极管BG2的基极，BG2的发射极接于三极管BG3的基极，BG3的发射极接于IC6的14脚，B62的集电极串接继电器J2后接于CZ2的4针，BG2的集电极接于BG3的集电极，IC6的14脚接于B2次级线圈另一端，IC6的13脚接于电阻R18和电阻R19的结点。

5.根据权利要求1或2或3或4任一权利要求所述10～500kV高压频率转换试验仪，其特征是：所述金属杆另一端的端头有与高压验电器圆锥形金属头相适配的圆形内凹面。

说明书

技术领域

本发明涉及高压电器设备验电测试装置，特别是通过提高交流电频率、从而降低电压等级而对高压电器设备进行验电测试的仪器。

背景技术

根据电力安全规程，所有输电线路和电气设备停电检修前，必须进行验电测试，在确认无电危险情况下，方能开展具体工作。而实施检测的高压验电器，使用前又必须先在同等级带电体上作预试，确认验电器正常后，才可转到停电体上作检测，以判断是否还有危险电量存在。
但是，现场中有末端站、封闭电缆、线路检修等，使后续电路无裸露点或高电压做试验，给验电器的预试工作造成阻碍，甚至无法进行，由此留下安全隐患。

发明内容

本发明的目的是提供一种10～500kV高压频率转换试验仪，以利用电压值和频率值间的反比关系，提高频率值、从而降低电压值，不断调整改变，以将数十到几百千伏的高压电降到安全电压以下。
针对验电测试的要求，许多地方利用电子技术开展了高压信号发生器的研制，但是，电子技术是低压、弱电范围，产生的信号能够代替高压、强电作试验吗？它运用了什么样的工作原理？该类原理能够指导设计制作吗？这些便是需要本专利药解决的问题。
1、高压验电器工作原理：
高压验电器使用中，是由电气工人手持高压验电器手柄，使前面金属头接触带电体，看能否发出声光信号进行判断。能发声光，证明高压验电器正常，可转到停电体上做试验，否则，说明高压验电器存在问题，不可再用。由于金属头是单极接触带电体，故该试验还借用了人体-大地-电磁场感应成回路的测试原理。再者，能否发出声光信号又有量值问题。高压验电器内部设有降压电阻等参数，与人体对地电容形成阻抗。在触发电流、高压、阻抗间有如下关系：
高压验电器触发电流；
系统电压；
Z：验电器综合阻抗。
由于系统电压为工频频率，同等级电压下电阻配置已固定，人体对地电容Cr也基本不变，所以，此时触发电流主要取决于被试体电压值的大小。按照规程规定，当残余电压达到被试电压的15-40％时，高压验电器应发出声光信号，表示该停电体带有不安全电量，不能立即进行检修等工作；若未发出声光信号，方表明安全，才能开展其它工作。
2、弱电代替强电作试验的可行性分析：
高压验电器预试工作是在高电压上完成的，但是，在高压失电及所有不能做预试工作的状态下，又该怎样测量验电器的好坏呢？
对上问题，我们将对验电器内部结构和工作原理做进一步分析，先把前面启动电流计算式展开，其中因降压电阻选定，又是线性元件，对电路影响不大，故不多议。但对阻抗Z中的人体电容Cr的容抗却有必要着重分析和讨论。它们之间有如下关系：
XCr＝1/jωCr
$\stackrel{·}{I}=\mathrm{j\omega Cr}\stackrel{·}{U}=2\mathrm{j\pi Cr}\stackrel{·}{U}$
XCr：对地电容容抗；
Cr：对地电容；
j：正弦波直角坐标的虚数单位；
ω：角频率ω＝2πf；
f：频率参数。
从式中可以看到，2jπ是常数，而在同一电场环境中，包括人体在内的对地电容Cr也将基本保持不变，在这样的情况下，阻抗电流的大小便主要取决于电压值和频率值f间的反比关系，即当频率升高时，电压可降低，不断调整改变，可将数十到几百千伏的高压电降到安全电压以下。这样，我们便把条件局限的系统高压试验，变为了方便灵活的频率调节试验。由此找到了用电子技术替补高电压做试验的理论依据。
上面论述了改变频率参数，即可降低电压，实现用弱电代替强电做试验的理论依据，据此开展“高压频率转换试验仪”的设计工作。
3、报警值的确定
首先，按下式求出各等级电压报警值Unb：
Unb＝Un*(15～40％)
式中Un：10、35、110、220、500    (kV)
为适应集成元器件工作，故将高压验电器转换试验仪的启动电压选取为10V，则Unb对应的各报警频率值fnb计算为：
fnb＝Unb*50*1/10
此计算式的根源是将启动电流的电压乘积变为频率乘积，即保证电流总值不变，故启动效果一样，但物理意义和电路处理却有质的区别。
现以35kV为例，作计算说明：
U35b＝35×(15％～40％)＝5.25～14         (kV)
f35b＝(5.25～14)×50×1/10＝26.25～70    (KHz)
以此类推，作出各等级相关计算，并将所得数填于表1中：
报警电压、频率数值表
  电压等级  (Un kV)   10   35   110   220   500   报警范围  (15～40％Kv)   1.5～4.0   5.25～14   16.5～44   33～88   75～200
  电压等级  (Un kV)   10   35   110   220   500   对应频率  (KHz)   7.5～20   26.25～70   83～220   165～440   375～1000
本表计算出的电压报警范围及所对应频率值，将是我们进行10～500KV频率高压转换试验仪设计的数字依据。
本发明的目的是这样实现的：一种10～500kV高压频率转换试验仪，包括工作电源，由振荡器、调频器、带通滤波器、放大器、调幅器、功率放大器、脉冲变压器以及输出触发器顺次级联组成；
振荡器、调频器电路：555时基集成块IC1的7脚串接电阻R3后接于二极管D2正极，D2负极接于电位器W1一端，电位器W1另一端接于二极管D1正极，D1负极串接电阻R2后接于IC1的8脚和4脚，D1负极接于IC1的7脚，IC1的6脚串接电容C1后接工作电源负极，IC1的2脚接于电位器W2一端，W2另一端接于W1滑动端，W2的滑动端接于IC1的6脚，IC1的1脚接工作电源负极，IC1的8脚和4脚均接于开关K1-1一端，开关K1-1另一端接工作电源正极，IC1的5脚串接电容C2后接工作电源负极；
带通滤波器、放大器、调幅器电路：型号为F007的运算放大器IC2的正输入端顺次串接电容C4、电阻R4后接于IC1的3脚，C4和R4的结点串接电容C3后接工作电源负极，IC2的正输入端串接电阻R7后接于工作电源负极，IC2的负输入端串接电阻R5后接地，IC2的输出端与负输入端之间联接有电阻R4，R4和C4二者的结点与IC2的输出端之间联接有电阻R6，IC2的输出端接于电位器W3一端，W3另一端串接电阻R9后接工作电源负极，W3的滑动端作为信号输出端，IC2的4脚接工作电源负极，IC2的7脚接IC1的8脚；
功率放大器、脉冲变压器、输出触发器电路：型号为CD4011的功率放大器IC3的负输入端接电位器W3的滑动端，IC3的正输入端串接电阻R10后接工作电源负极，IC3的输出端与正输入端之间联接有电阻R11，IC3的3脚接工作电源负极，IC3的5脚接IC1的8脚；IC3的输出端接脉冲变压器B1原边线圈一端，B1原边线圈另一端接工作电源负极，B1副边线圈一端接金属杆一端，金属杆另一端伸出机壳外作试验等待，B1副边线圈另一端或者悬空，或者串接开关K1-2后经人体电容到地。
上述工作电源的正极与负极之间还顺次串接有开关K1-1、电阻R1、以及发光二极管Fg1，K1-1与R1的结点接于IC1的8脚。
还具有缺电判断指示电路：型号为741的运算放大器IC4的正输入端接于稳压管D7负极，D7正极接工作电源负极，IC4负输入端顺次串接电阻R14、电阻R13后接于D7负极，IC4负输入端串接电阻R15后接工作电源负极，IC4输出端接于三极管BG1基极，BG1发射极串接电阻R16后接工作电源负极，BG1集电极接于发电二极管Fg5的负极，Fg5的正极接于电阻R13和电阻R14的结点，IC4的4脚接工作电源负极，IC4的7脚接IC1的8脚。
上述工作电源为蓄电池；所述三极管BG1的集电极与发光二极管Fg5之间还联接有继电器J1；还具有智能多路径充电控制器：220V交流电接至变压器B2初级线圈，B2次级线圈一端接于二极管D8正极，D8负极串接发光二极管Fg6后接于插座CZ2的2针，D8负极顺次串接继电器J2的常开触点J2-1、发光二极管Fg7后接于插座CZ2的3针，B2次级线圈另一端接于桥式全波整流器D3-6输入端，D3-6输出端顺次串接稳压器IC5、电阻R18以及电阻R19后接B2次级线圈另一端，电解电容C5正极和发光二极管Fg9正极均接于B2次级线圈一端，发光二极管Fg9负极串接电阻R17后接于B2次级线圈另一端，电解电容C5负极接于B2次级线圈另一端；IC5和电阻R18的结点接于发光二极管Fg8正极，Fg8负极接于CZ2的4针，B2次级线圈一端接于CZ2的1针，CY-56型智能时针芯片IC6的3脚接于三极管BG2的基极，BG2的发射极接于三极管BG3的基极，BG3的发射极接于IC6的14脚，BG2的集电极串接继电器J2后接于CZ2的4针，BG2的集电极接于BG3的集电极，IC6的14脚接于B2次级线圈另一端，IC6的13脚接于电阻R18和电阻R19的结点。
金属杆另一端的端头有与高压验电器圆锥形金属头相适配的圆形内凹面。
本发明具有以下特点和优点：
1、基于理论和实践的完整结合，完成了10～500kV各等级频率高压转换试验仪的产品制作，经现场试用，反应良好。
2、采用调频调幅、带通滤波、集成化设计、脉变提升信号、金属头圆凹制作、自动与周循环充电兼备的完整性、独到性处理方式。
3、独有的输出触发器设计，工作人员操作时，使变压器副边自动与人体相接，经人体电容Cr到地，使信号幅度较前提高20～30％，这样既有利于触发，又可以减少变压器等参数的配置，降低成本。

附图说明

图1是本发明电原理框图；
图2是图1所示本发明电路图(未包括智能周循环充电器部分)；
图3是带通频率特征示意图；
图4是图1所示智能多路径充电控制器(即智能周循环充电器)电路；
图5是本发明开关K1-2的结构示意图。

具体实施方式

从图1可见，高压验电器转换试验仪以频率振荡为中心，加上调频、调幅、带通滤波及功率放大、脉冲变压、输出触发等处理，制作成完整的信号源试验仪器。为了方便使用，我们还设计了智能自动和周循环相结合的充电控制器(参见图4)，使之随时使用都有充足的工作电源作保障。
图2示出，基本振荡与调频器：以IC1555时基集成块为中心，结合R1、R2、W1、W2和C1构成基本振荡器，D1、D2、以其方向性开启充放电途径，W1调节脉冲宽度，电容C1与电位器W2完成频率粗调和细调，以几千到兆赫兹范围的变化满足10～500k各电压等级的频带触发要求。
带通滤波器：IC2及其C4、C5、R4-8组成带通滤波器，根据表1给出各电压等级15～40％的电压报警范围，所对应的频率形成一个频带，经阻容参数的设置，在这个带内的频率才能通过，高于、低于的频率都将被过滤掉。
仍以35Kv为例，它的报警频带是26～70KHz，当R、C参数设定后，高于70KHz将被C4滤掉，低于260KHz则被C5阻拦，故只有26～70KHz的频率才能通过，由此对应的选频特性如图3所示。集成运放IC2形成有源控制，将使滤波效果更好、品质因数更高，稳定性更强。
放大与调幅：(型号为F007的)运算放大器IC2在完成带通滤波的同时，电阻R4与R6以及R5与R8之间在合理配置下还具有放大功能，设计为2～3个增益，这样的增益为后续电路进行幅值调节作了裕度储备。IC2的6脚输出信号，传送给电位器W3进行电压幅度调节，R9是防止电位器调节到零时出现接地短路的保护电阻。
以上频率、幅度的调节有利于满足不同厂家、不同报警值的触发要求，有效地增强高压信号发生器的广泛性和通用性。
功率放大器：从W3来的信号又传送给IC3功率放大器CD4011，它也具备有源控制功能，频率范围宽，稳定性强，功率量大，故更能适应本高压信号发生器宽频变化中带负载能力的要求。
脉冲变压器：经功率放大后的信号，再传送给脉冲变压器B1，将频率信号再做比例放大，形成高频高压输出。
脉冲变压器的特点是铁芯采用适应高频变化的锰锌或镍锌材料(非低频矽钢片)制成，故能满足几十千赫到兆赫兹的频率要求，同时，也具备变压器的基本特性：
U2＝K1*U1
式中：K1——B1的变比；
U1——B1原边电压；
U2——B1副边电压。
由上式可见，通过改变原、副边线圈匝数，即可改变变比K1数值，从而灵活、有效地调整副边输出电压U2，达到各高压验电器能够触发的幅度要求。这是某些单线圈和仅有功放作用产品所不具备的优点。
输出触发器：在图2中，脉冲变压器副边分两路联结：
上侧接金属杆一端，金属杆另一端(如箭头)伸出机壳外，做试验等待，当需要进行高压验电器检测时，按下开关K1-2，便送出触发信号。
下侧输出又分两种方式：一是在器身内直接悬空，如虚线部分，利用电磁感应接地；二是用导线引到按键为金属头的开关K1-2上，犹如并设了一个开关K1-2，在工作人员操作时，使变压器副边自动与人体相接，形成经人体电容Cr到地，使信号幅度较前提高20～30％，由此既有利于触发又可以减少变压器等参数配置，降低成本，故，是一项很有特色和意义的设计。
图5中，1、金属头按键；2、箱盖隔板示意；3、脉变手触导线；4、开关行程触头；5、开关座；6、开关焊脚；7、压线螺母。如图5所示，用导线引到按键为金属头的开关K1-1上，犹如并设了一个开关K1-2，在工作人员操作时，使变压器副边下侧自动与人体相接，形成经人体电容Cr到地，使信号幅度较前提高20～30％，由此既有利于触发又可以减少变压器等参数配置，降低成本，故，是一项很有特色和意义的设计。
缺电判断指示：本10～500KV频率高压转换试验仪采用9V电池工作，为防止电能下降，影响工作，我们设计了以IC4(运算放大器741)为中心的比较判断电路，其中R12与稳压二极管D1构成7V基准电压，R13R14对实际电源采样，电压高时截止，低于7V后，IC4翻转，继电器J1启动，发光二级管Fg5点亮，提示使用人员更换或补充电能。
多类型充电器：频率高压转换试验仪是直流电工作，为了避免勤换电池，我们采用了蓄电池充电方式。充电器电路请见图2和图4。
多路电源设置：从图4可见，220V交流电经变压器B2降压，一路由D2半波整流，形成脉动电流，分送给输出插座CZ2的2针和经继电器J2-1到第3针；另一路经D3-6(桥式全波整流器)整流，C5滤波，IC5稳压，一路经R18、R19分压，接往IC6的13、14脚作工作电源，另一路直送CZ2第四针，由此，变压器副边构成了四组电源输出。
智能周循环控制：图4中IC6为CY-56型智能时钟芯片，它含有晶振、分频、存储等硬件电路，也经软件编程对秒、时、分、周等进行计算合成，并由开关K4-10作相关校时和定时设置。我们要选用的是周循环控制，因高压验电及信号发生器用时必须保证有充足电源，可蓄电池若长期充电，将处于饱和状态，必然老化废弃得快，所以，我们改设为缺电时自动充电与等待时每周充电一次来解决这一矛盾。
如试验仪等待时选择并设置为每周一8～12点为充电时间，当8点到达时，IC6的3脚输出高电平，复合管BG 2-3导通，继电器J2-启动，常开结点J2-1闭合，将D2来的脉动电流传送给输出插座CZ2第3针。而12点到达时，IC6的3脚转低电平，截止输出，由此达到周循环控制目的。
充电信号的传递使用：结合图2和图4我们可以看到，输入插座CZ1和输出插座CZ2经电缆作充电信号传递，其中第一针为公共地，第二针将脉动电流传给J1-1等待，在任何情况下，只要IC4判断缺电，则J1启动，J1-1闭合，便可立即投入充电，而当充电满后，IC4翻转，J1-1断开，停止充电，完成自动充电过程；第三针则是周循环控制，当每周设置的充电时间到达时，继电器J2-1闭合，即给蓄电池充电。增设的R12是限流电阻，这是在并非完全缺电的情况下，采用微电流、浮充形式补充能量；第四针是在电源故障的情况下，拨通开关K2，用稳压电源直接供电的紧急措施。可见，本仪器有充分电源保障。
图2与图4中，各发光管的作用是，Fg1点亮表示频率高压转换试验仪投入使用；Fg2、Fg6和Fg3和Fg8分别串联指示发生器与充电器自动和周循环充电；Fg4和Fg8则指示稳压源直接供电；而Fg9指示充电器正常工作。
使用方式：
高压验电器试验仪制作完成后，使用时，工作人员可一手拿高压信号仪，一手握高压验电器，将金属导电杆与金属导电杆相对接，再按下操作键，若高压验电器发出声光信号，即为正常，否则为异常，不可再用。
在实际中发现，因高压验电器金属头为圆锥形，若转换仪也同形状，接触时将尖对尖打滑，使用很不方便。为此对转换仪作了圆凹式改进。金属杆另一端的端头有与高压验电器圆锥形金属头相适配的圆形内凹面。当对接试验时，锥头插入圆窝中(即圆形内凹面)，便非常稳定，这也是方便使用的一个有效措施。
从上可见，此时的高压验电器试验仪已替补原来的带电体位置，对高压验电器做预防性试验，其试验方法、循环回路、信号反馈和判断结论与在高压带电体上作试验完全一样。所以是可行可信的。