专利名称：1000kV特高压交流非接触式验电器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于IOOOkV特高压交流输变电设备安全工器具，具体涉及一种 IOOOkV特高压交流非接触式验电器。
背景技术：
运行检修工作是掌握电网设备运行情况、及时发现和处理设备缺陷的重要手段。 《国家电网公司电力安全工作规程(电力线路部分)》明确规定在部分停电的电气设备上 工作或停电线路工作地段装接地线前，要先验电，验明设备或线路确无电压。验电器即是用 来检测电力设备上是否存在电压的常用工具之一，通过验电器明确验证被检修设备上是否 确无电压，再进行其他操作，以防出现带电装接地线(合接地刀闸)、误碰有电设备等恶性 事故的发生。目前我国高/超高压输电线路均是使用接触式验电器进行验电，且已有相关标准 (IEC61243-1《带电作业用验电器用于交流IkV及以上电压的电容型验电器》、DL740-2000 《电容性验电器》)对接触式验电器的设计、制造、操作导则以及试验方法进行了规范。但 在我国目前以建设特高压交/直流输电为重点、各级电网协调发展的加强国家电网的背景 下，现有的验电技术和产品已无法满足特高压交/直流输变电工程检修维护的需求。IOOOkV特高压交流输变电工程具有设备结构参数高和运行参数高两个基本特点。 由于IOOOkV特高压交流输电线路的杆塔高、塔头尺寸大、绝缘子串长、如果仍然使用接触 式验电器进行验电，则由于相-地距离大，要求绝缘操作杆具有较长的长度，这样一方面操 作杆的重量大，会极大地增加作业人员的劳动强度；另一方面较长的绝缘操作杆容易挠曲， 不便于操作，再加上高空作业的因素，甚至有可能使验电操作无法实现。此外，特高压交流 输变电工程的运行电压为IOOOkV,现有的验电器都是针对高/超高压输变电工程的，其最 高适用电压无法满足特高压工程的需要；并且由于设备周围的空间场强更高，对验电器的 抗干扰能力和可靠性相应地有更高的要求。需要指出的是，DL740-2000《电容型验电器》只适用于操作时与被测设备相接触的 电容型验电器，并不适用于感应型的非接触式验电器。因此，在IOOOkV特高压交流输变电 工程非接触式验电器的研制中，并没有现成的标准和规范可供借鉴，只能在调研国内外各 种验电器研究成果(包括原理、技术标准、使用经验等)的基础上，根据非接触式验电器的 使用特点，对其原理、功能和技术条件等进行设计和开发。对搜集的资料进行汇总分析，现有的高/超高压验电器按验电方式可分为接触式 和非接触式两种。接触式验电器大多是基于电容分压原理来实现验电的。而非接触式验电 器目前还处在研制和试验阶段，它主要是通过对带电设备附近的电场或设备发生局部放电 时的相关参量检测来实现验电功能。其中前者在电力系统中已有实际应用；后者则还在研 究、试验阶段，还没有可以实用化的产品。综上所述，目前还没有标准和规范可直接指导IOOOkV特高压交流输变电工程非 接触式验电器的研制，并且国内外非接触验电技术和装置还处在研制阶段，因此需要在汇总分析各种原理的验电技术研究成果基础上，进行自主创新，研制适用于IOOOkV特高压交 流输变电工程的非接触式验电器。本实用新型的一种IOOOkV特高压交流非接触式验电器，操作简单、准确、可靠，在 2008年10月13日已经通过了国家电网公司科技部在武汉召开特高压交流输电工程关键技 术研究课题验收会的验收，并编制完成了《1000kV特高压交流非接触式验电器》和《1000kV 特高压交流非接触式验电器预防性试验规程》技术标准草案。在此之前，不曾有同类产品相 关报导。发明内容本实用新型的目的是提供一种IOOOkV特高压交流非接触式验电器，采用电容感 应原理的电磁感应法来验电，用于IOOOkV特高压交流输变电线路工程中，测量输变电线路 是否有电，起安全保护作用。为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是1000kV特高压交流非接触式验电 器，其特征在于包括信号采集模块、信号放大模块、信号处理模块、报警模块和模数转换及 数据处理模块，信号采集模块采集到的特高压的电压信号，经信号放大模块放大，再经信号 处理模块处理；信号采集模块根据电磁感应原理采集电压信号进行设计，测量电阻R两端 的压降，计算得到验电器所处空间环境的电场强度；数据处理模块采集验电器工作位置的 电场强度得到的值作为验电的基准值；模数转换及数据处理模块对信号处理模块传来的信 号进行数据处理后，联动报警模块作出相应声、光报警信号；模数转换及数据处理模块由单 片机C8051F330构成，涉及到的C8051F330的外围接口设计如下(a)P0. 0接入信号处理模块3的输出端；(b)P0. 2接报警模块中的蜂鸣报警器；(C)P0. 3接报警模块中的报警指示灯；(d)P0. 5、P0. 6和P0. 7用于控制多路模拟开关芯片⑶4053，同时对应控制三个用 来显示当前验电器状态的LED指示灯；(e) C2D和C2CK均作为在线编程调试JTAG的连接口。本实用新型的工作原理是现有的不同电压等级验电器，对应的验电基准值是固 定不变的，而本实用新型的验电基准值是可变的。验电的基准值是自检通过后，经延时，以 一定的频率进行数据采集此工作位置的电场强度得到的值。由于输变电设备现场环境复 杂，电场变化不规律，而本实用新型的验电基准值是现场工作位置的电场值，有效地提高了 验电器的使用范围和准确度，作业人员在地面和塔上均可测量。现有的不同电压等级验电器，对应的验电报警阀值是固定不变的。本实用新型是 根据空间电场的场强曲线和变化趋势来验电，在IOOOkV特高压交流试验基地进行了多次 现场试验。通过本实用新型报警的声、光信号频率快慢来反映电场的大小和变化趋势，声、 光信号频率快，则表示本实用新型所在位置比基准位置的电场强，即本实用新型所测的运 行设备带电。由于本实用新型是根据空间电场的场强曲线和变化趋势来验电，有效地排除 了邻近带电设备的干扰，解决了邻近被测设备带电体对空间场强的干扰导致验电结果重复 性不好、准确度不高难题。本实用新型的有益效果是满足了我国交流IOOOkV特高压输电线路工程作业安 全防护要求，填补了我国在IOOOkV特高压输变电设备安全工器具上的空白，适用于IOOOkV特高压输变电线路巡检。
图1为本实用新型实施例硬件系统方框图。图2为图1中的信号采集模块原理图。图3为图1中的信号放大模块原理图。图4为图1中的信号处理模块中整流电路原理图。图5为图1中的模数转换及数据处理模块外围电路图。图6为本实用新型实施例软件编程流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型IOOOkV特高压交流非接触式验电器做进一 步说明图1中标记说明1_信号采集模块，2-信号放大模块，3-信号处理模块，4-模数转 换及数据处理模块，5-报警模块，6-自检信号。图3中的标记7_差分输入级，8-电压放大级，9-输出级，10-偏置电路。图6中标记说明11_自检，12-预检，13-检测，14-比较，15-声光报警，16-有电， 17-无电，18-循环检测。图1为本实用新型实施例硬件系统方框图，本实用新型提供的IOOOkV特高压交流 非接触式验电器，由信号采集模块1、信号放大模块2、信号处理模块3、模数转换及数据处 理模块4和报警模块5组成。信号采集模块1采集到的特高压的电压信号，经信号放大模 块2放大，再经信号处理模块3滤波、整流等处理后，送至模数转换及数据处理模块4进行 模数转换、变成数字信号并进行数据处理，根据处理后的数据进行判断是否有电，然后联动 报警模块5作出相应声、光报警信号。如图2所示，信号采集模块1是根据电磁感应原理采集电压信号进行设计的；通过 测量电阻R两端的压降即可计算得到验电器所处空间环境的电场强度。如图3所示，信号放大模块2采用了对差分信号进行放大的运算放大电路以抑制 共模干扰信号；图3中输入级一般是由BJT、JFET或MOSFET组成的差分式放大电路，利用 它的对称特性可以提高整个电路的共模抑制比，它的两个输入端构成整个电路的反相输入 端和同相输入端。电压放大级8的主要作用是提高电压增益，它可由一级或多级放大电路 组成。输出级9 一般由电压跟随器或互补电压跟随器所组成，以降低输出电阻，提高带负载 能力。偏置电路10是为各级提供合适的工作电流。此外还有一些辅助环节，如电平移动电 路、过载保护电路以及高频补偿环节等。信号处理模块3是将交流信号转换成直流信号，整个模块由前级二阶滤波器、整 流电路和后级二阶滤波器构成，前级滤波器用于削减高频干扰信号，后级滤波器用于纹波 的过滤；如图4所示，整流电路由两片运算放大器和外围的电阻、二极管组成前一个运算 放大器与相应电阻、二极管构成一个等比例放大电路；第二个运算放大器与前置信号组成 一加法电路，可以通过改变R14的值来改变整流电路的放大倍数。R8、R9、RIO、RlU R12、 R13、R14 的电阻值分别是10K、10K、10K、20K、10K、10K、20K。如图5所示，模数转换及数据处理模块4由单片机构成，作用是将直流模拟信号转换成数字信号，经数字滤波和数据计算智能处理后，根据得到的数据判断是否越限后向报 警模块5发出动作指令；报警模块5包括蜂鸣器发声报警和指示灯报警，根据接收到的指令 进行相关动作。单片机C8051F330主要实现以下功能(a)控制多路模拟开关CD4053 ；(b)完成模数转换；(c)进行数据处理；(d)控制蜂鸣器和报警指示灯；因此，涉及到的C8051F330的外围接口设计如下(a)P0. 0接入信号处理模块3的输出端；(b) P0. 2接报警模块5中的蜂鸣报警器；(c) P0. 3接报警模块5中的报警指示灯；(d)P0. 5、P0. 6和P0. 7用于控制多路模拟开关芯片⑶4053，同时对应控制三个LED 指示灯，用来显示当前验电器的状态；(e) C2D和C2CK均作为在线编程调试(JTAG)的连接口。验电器一旦开机即自动进入自检环节，单片机(即模数转换及数据处理模块4)给 出的控制信号控制模拟开关⑶4053，将自检信号选通输入信号处理通道，经过信号放大模 块2、信号处理模块3后，可在单片机内检测到自检输出信号。对于电源部分功能的自检，则 采用电源指示灯来检测并实现是否工作正常指示。当电源部分无法正常工作，则该指示灯 不亮；如果在电源部分工作正常，则进入自检环节，上述自检过程涉及到整个验电器的各个 功能模块，通过测量自检输出信号的大小即可判断电路是否工作正常。图6为本实用新型实施例软件编程流程图，其特征在于IOOOkV特高压交流非接 触式验电器验电方法分为自检11、预检12、检测13、比较14、声光报警15五个阶段，主要 是对模数转换及数据处理模块4中单片机进行编程，使其具有强大的数据计算智能处理功 能。本实用新型实施例验电的基准值是可变的，进入工作位置，按下复位键，自检通过 后，进行预检经延时(3S)，即进行电场测量工作，以一定的频率(IOkHz)进行数据采集，并 记录此工作位置的电场强度，作为验电的基准值。根据电场的变化趋势来判断被测设备是 否带电。本实用新型实施例在IOOOkV特高压交流试验基地进行了多次现场试验，根据电 场的变化趋势，合理选取了验电报警阀值，并在此基础上设置了多个报警值，通过本实用新 型报警的声、光信号频率快慢来反映电场的大小，声、光信号频率快，则表示本实用新型所 在位置比基准位置的电场强，即本实用新型所测的运行设备带电。本实用新型实施例的操作规程(1)在使用IOOOkV特高压交流非接触式验电器之前，必须对验电器进行检查。若 发现验电器存在裂纹、各部件安装不紧固、操作杆与验电器连接不可靠等现象不得使用。(2)只有通过了自检的验电器才能用于验电操作。验电器自检是否通过可根据以 下现象进行判断(a)打开电源开关，电源指示灯(绿灯)亮。若红灯亮，应更换电池。(b)按下复位按钮，蜂鸣器响；手松开，蜂鸣器不响。若红灯长亮，蜂鸣器长响，则验电器自检未通过，应停止使用。(3)对IOOOkV特高压交流输电线路进行验电，应采用非接触式线路型验电器，操 作人员可在档中进行验电也可在杆塔附近进行验电。操作步骤为(a)操作人员位于被测相导线的正下方，打开验电器电源开关。(b)待验电器通过自检和预检阶段进入待检工作状态后，将验电器缓慢举起至距 地面约2. Om 2. 5m高，并保持验电器垂直于地面约3s。(c)根据验电器声光指示判断被测相导线是否带电。(4)对IOOOkV特高压交流变电站或开关站内设备进行验电，应采用非接触式站内 型验电器，操作人员应在被测设备下方进行验电。操作步骤为(a)操作人员位于被测设备下方，打开验电器电源开关。 (b)待验电器通过自检和预检阶段进入待检工作状态后，将验电器缓慢举起至距 地面约6. Om高，并保持验电器垂直于地面约3s。(c)根据验电器声光指示判断被测设备是否带电。(d)若需排除邻近设备对验电结果可能存在的干扰，则应分别在被测设备和干扰 设备下方进行验电操作，根据报警信号的不同来判断设备是否带电。
权利要求1000kV特高压交流非接触式验电器，其特征在于包括信号采集模块、信号放大模块、信号处理模块、报警模块和模数转换及数据处理模块，信号采集模块采集到的特高压的电压信号，经信号放大模块放大，再经信号处理模块处理；模数转换及数据处理模块对信号处理模块传来的信号进行数据处理后，联动报警模块作出相应声、光报警信号；模数转换及数据处理模块由单片机C8051F330构成，涉及到的C8051F330的外围接口设计如下(a)P0.0接入信号处理模块3的输出端；(b)P0.2接报警模块中的蜂鸣报警器；(c)P0.3接报警模块中的报警指示灯；(d)P0.5、P0.6和P0.7用于控制多路模拟开关芯片CD4053，同时对应控制三个用来显示当前验电器状态的LED指示灯；(e)C2D和C2CK均作为在线编程调试JTAG的连接口。
专利摘要本实用新型提供了一种1000kV特高压交流非接触式验电器，其硬件部分由信号采集模块、信号放大模块、信号处理模块、模数转换及数据处理模块和报警模块组成，软件部分分为自检、预检、检测、比较、报警五个阶段；自检通过后，经3秒的延时，以10KHz的频率进行数据采集此工作位置的电场强度得到的值作为验电的基准值，本实用新型的验电基准值是现场工作位置的电场值，有效地提高了验电器的使用范围和准确度；本实用新型根据空间电场的场强曲线和变化趋势来验电，通过报警的声、光信号频率快慢来反映电场的大小，有效地排除了邻近带电设备的干扰，解决了邻近被测设备的带电体对空间场强的干扰导致验电结果重复性不好、准确度不高的难题。
文档编号G01R29/14GK201628742SQ200920083760
公开日2010年11月10日 申请日期2009年2月20日 优先权日2009年2月20日
发明者张丽华, 易辉, 杜建忠, 纪建明, 邵瑰玮 申请人:国网电力科学研究院