隱蔽接地閘刀狀態(tài)確認(rèn)器研發(fā)報(bào)告12.9

基于單片機(jī)的隱蔽接地閘刀狀態(tài)確認(rèn)器研發(fā)報(bào)告海安縣供電公司二○○九年十一月一、工程研制背景接地閘刀是電力系統(tǒng)中普遍使用的設(shè)備，由于它的操作簡便，合閘后可靠直觀，被廣泛應(yīng)用在10kV及以上的設(shè)備上，目前公司10kV環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)廣泛采用ABB、SafeRing、意大利VEI和施耐德SM6等型號(hào)的SF6負(fù)荷開關(guān)，由于柜體緊湊，設(shè)備配備的接地閘刀是隱蔽在SF6開關(guān)本體內(nèi)，從柜體外部是看不到接地閘刀的，接地閘刀的分合，只有通過柜面的接地指示，和聯(lián)動(dòng)閉鎖的柜門來判斷(我們將隱蔽的、聯(lián)動(dòng)的接地閘刀取名“隱蔽接地閘刀〞)。當(dāng)SF6負(fù)荷開關(guān)線路側(cè)需要安裝、檢修電纜，在停電做平安措施時(shí)，由于開關(guān)的樁頭無就地掛設(shè)工作接地線的位置，只有合上設(shè)備的隱蔽接地閘刀，在無法確認(rèn)隱蔽接地閘刀是否在合閘位置以及隱蔽接地閘刀合閘狀態(tài)是否良好的情況下，不能保證施工人員的人身平安。在施工中，為了施工人員的人身平安，只有將環(huán)網(wǎng)柜的所有間隔的進(jìn)出線電纜全部停電，在進(jìn)出線電纜樁頭掛設(shè)工作接地線，這會(huì)導(dǎo)致環(huán)網(wǎng)柜的單一出線搭接施工變成整臺(tái)環(huán)網(wǎng)柜的停電施工，擴(kuò)大了停電范圍，增加了施工時(shí)的平安措施的工作量。針對(duì)這一現(xiàn)狀，我們以保證施工作業(yè)人員人身的平安、縮小停電范圍、減少平安措施的工作量為目的，通過對(duì)供電施工現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)研，提出對(duì)隱蔽接地閘刀合閘時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)的創(chuàng)新研究課題，這一課題填補(bǔ)了電力系統(tǒng)關(guān)于隱蔽性接地閘刀合閘時(shí)狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)的科技空白，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。二、工程研制形式和方案該工程實(shí)施采取合作方式，技術(shù)來源及技術(shù)資料由工程負(fù)責(zé)人提供，產(chǎn)品試樣及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)工作由江蘇河馬機(jī)電工程負(fù)責(zé)。工程實(shí)施總周期為2023年3月—2023年12月。具體研制方案如下：2023年3月—5月，完成設(shè)計(jì)圖紙初稿，并進(jìn)行專家可行性技術(shù)論證明確工程實(shí)施目標(biāo)，提出技術(shù)指標(biāo)和平安指標(biāo).初步形成原理設(shè)計(jì)，與協(xié)作單位協(xié)作，作出可行性原理設(shè)計(jì)。2023年6月—8月，出臺(tái)正式設(shè)計(jì)圖紙，購置相關(guān)的研制開發(fā)設(shè)施，進(jìn)行研制工作相關(guān)準(zhǔn)備。2023年9月—11月，按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行程序編程、電路設(shè)計(jì)，元器件裝配及整機(jī)組裝，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行調(diào)試、檢驗(yàn)。2023年11月—12月，對(duì)制作成品進(jìn)行實(shí)際功能測(cè)試，用戶試用，檢測(cè)是否符合原有設(shè)計(jì)理念及具備實(shí)用性。三、產(chǎn)品主要技術(shù)簡介隱蔽接地確認(rèn)器由兩局部組成，一是外部的接觸探頭及接地尾線局部，二是內(nèi)部的分析電路局部，主要由電源，小型邏輯分析電路，三是語音發(fā)生系統(tǒng)，發(fā)光二極管等。對(duì)以上元器件進(jìn)行合理的電氣聯(lián)接組合，使元器件組合后能夠?qū)Ρ粶y(cè)試隱蔽接地閘刀的接地狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)，在一定的接地回路阻值之內(nèi)，確認(rèn)器發(fā)出聲和光的提示。高效準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果，清晰明了的聲光提示，準(zhǔn)確地反響了被測(cè)試的隱蔽接地閘刀合閘后的接地狀態(tài)。產(chǎn)品具體情況如下：〔一〕產(chǎn)品構(gòu)造圖片簡介圖1、確認(rèn)器樣機(jī)圖2、確認(rèn)器檢測(cè)狀態(tài)圖3、確認(rèn)器固定夾圖4、確認(rèn)器內(nèi)部布局〔二〕硬件設(shè)計(jì)圖5、電路設(shè)計(jì)圖該儀器的核心局部是能夠?qū)崿F(xiàn)各種功能的電路板，它采用了CYGNAL公司的C8051Fxxx型單片機(jī)C8051F005。該系統(tǒng)主要包括電源電路、信號(hào)采集電路、信號(hào)放大電路、液晶驅(qū)動(dòng)及顯示電路、系統(tǒng)復(fù)位電路和C8051F005單片機(jī)系統(tǒng)電路〔包括模數(shù)轉(zhuǎn)換電路〕等等。系統(tǒng)各局部的詳細(xì)電路如圖5所示。系統(tǒng)工作流程為：信號(hào)采集電路采集被測(cè)電阻兩端的電壓，并經(jīng)過放大電路將電壓放大，輸出與電阻阻值Rx成線性比的電壓值U4到單片機(jī)7腳，單片機(jī)采集到電壓值，送至內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，根據(jù)6腳基準(zhǔn)電壓VREF進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字的電壓值。此時(shí)根據(jù)Rx與U4的線性關(guān)系算出被測(cè)段的電阻，并通過LCD顯示出來。同時(shí)做出判別，如大于閥值〔4Ω或者10Ω，可選擇或設(shè)定〕，那么無任何反響；如小于閥值，那么指示燈亮，同時(shí)啟動(dòng)語音芯片發(fā)出聲響提示平安接地。1.信號(hào)采集放大電路：圖6，信號(hào)采集放大電路由于要實(shí)現(xiàn)對(duì)微小電阻的測(cè)量，所以要求放大器的分辨率高(高達(dá)10μV)，線性度好，輸入阻抗高，并要求漂移低、抑制噪聲和抗干擾能力強(qiáng)，為此我們?cè)O(shè)計(jì)了如圖6中信號(hào)采集放大電路所示的差動(dòng)放大器。此放大器由運(yùn)放A1、A2組成第一級(jí)差分式電路，A3組成第二級(jí)差分式電路，R3、R4、RW組成反響網(wǎng)絡(luò),引入了深度電壓串聯(lián)負(fù)反響，故有較高的輸入阻抗，且A1、A2都選同相端作為輸入端，那么它們的共模輸出電壓和漂移電壓也都相等，再經(jīng)過A3組成的差分式電路，可以互相抵消，故它有很強(qiáng)的共模抑制能力和較小的輸出漂移電壓；A4是電壓反向跟隨器，其作用是使前后級(jí)隔離。分析此電路可得以下方程：U01=U1+(U1+U2)·R3/RWU02=U2+(U1-U2)·R4/RWU3=U1-[U1-R8·U2/(R6+R8)]·(R5+R7)/R5當(dāng)R5=R7、R6=R8時(shí)，上述方程化簡可得：U3=[1+(R3+R4)/RW]·(U2-U1)從圖中可知U1-U2=UX。由此可得：U4=[1+(R3+R4)/RW]·UX=[1+(R3+R4)/RW]·I·RX由此可知輸出電壓U4與被測(cè)電阻RX成正比。放大器的倍數(shù)由R3、R4、RW而定，由于A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓為0～3V，本儀器設(shè)置放大器的放大倍數(shù)由RW調(diào)節(jié)控制，在U4端得到0～3V的直流電壓。為了保證放大器的分辨率和穩(wěn)定性，除上述電路本身優(yōu)點(diǎn)外，集成運(yùn)放A1、A2、A3選用了高精度、低噪聲、低漂移的max495，反響支路的電阻均選用高精度、低溫度系數(shù)的精密電阻，此外還采取了一些屏蔽措施有效地抑制了噪聲和干擾。測(cè)試時(shí)被測(cè)電阻與測(cè)試儀器間采用四端接線法，恒流源電流經(jīng)IN1輸入從IN2輸出，測(cè)量時(shí)用四根專用導(dǎo)線與被測(cè)電阻Rx連接，當(dāng)被測(cè)電阻較小時(shí)，為了防止導(dǎo)線電阻和接觸電阻的影響，四根連接導(dǎo)線要做到特性一致、阻抗相同，這樣就可以消除導(dǎo)線電阻和接觸電阻的影響。2.單片機(jī)系統(tǒng)電路本系統(tǒng)使用的是C8051F005，它具有如下特點(diǎn)：片內(nèi)有多達(dá)60KB的FlashROM和2KBRAM，無需再外擴(kuò)存儲(chǔ)器；一個(gè)12位的A/D轉(zhuǎn)換器ADC12，自帶采樣保持功能；兩通道串行通訊接口，可用于異步或同步模式；一個(gè)模擬比擬器，可實(shí)現(xiàn)電壓比擬或基準(zhǔn)電壓的輸出。ADC12是12位精度的A/D轉(zhuǎn)換模塊，帶有采樣保持功能，具有高速、通用的特點(diǎn)。它有8個(gè)外部信號(hào)采樣通道和4個(gè)內(nèi)部通道。由差動(dòng)放大器輸出的信號(hào)由通道0輸入單片機(jī)，A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘、轉(zhuǎn)換模式和參考電壓源都可以由軟件設(shè)置。由于該單片機(jī)內(nèi)部集成了眾多的外圍模塊，不但使電路的設(shè)計(jì)變得簡單，還可以大大縮小電路板的尺寸。另外，在電路板上預(yù)留一個(gè)JTAG接口，再配以一個(gè)普通的PC機(jī)，就可以很方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件的調(diào)試和升級(jí)。3.語音發(fā)生，二極管提示電路設(shè)計(jì)理念：通過聲光提示，使測(cè)試人員能清晰掌握隱蔽接地閘刀合閘后的狀態(tài)，確保施工人員在可靠接地保護(hù)下施工。4、電源電路本系統(tǒng)采用電池供電，利用電源穩(wěn)壓芯片MAX8882以及三極管提供穩(wěn)壓和穩(wěn)流源。這樣既可以保持系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定可靠又可便于在實(shí)驗(yàn)室以外的環(huán)境下使用。5、LCD驅(qū)動(dòng)及顯示電路LCD顯示選用型號(hào)為SMS0501C段碼顯示驅(qū)動(dòng)器。該液晶顯示器的接口方式為二線式串行接口，顯示方式為反射式正顯示，工作電壓為2.7V~5.5V。6、其他電路除了以上幾個(gè)主要的電路外，系統(tǒng)還有電源欠壓檢測(cè)電路和系統(tǒng)復(fù)位電路等。電源欠壓檢測(cè)電路采用的是C8051F005單片機(jī)內(nèi)部集成的模擬比擬器來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)復(fù)位電路采用按鈕復(fù)位形式，利用電容的充放電對(duì)單片機(jī)進(jìn)行正確復(fù)位。當(dāng)按鈕被按下時(shí)，C8051F005單片機(jī)的RST引腳即為低電平，只要這個(gè)低電平保持2個(gè)機(jī)器周期以上，單片機(jī)即可正確復(fù)位。7、鍵盤電路以及下載電路：為了以后便于硬件以及軟件的升級(jí)，顧此次系統(tǒng)保存JTAG下載電路以及鍵盤電路?！踩耻浖O(shè)計(jì)本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)的方法，整個(gè)程序包括主程序、數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)處理程序、定時(shí)器中斷程序、LCD顯示程序。所有的程序均采用C語言編寫，可以很方便地調(diào)試和下載程序代碼。四、操作及使用說明：將被測(cè)設(shè)備〔環(huán)網(wǎng)柜出線間隔〕停電,合上接地閘刀,翻開環(huán)網(wǎng)柜下門用合格的驗(yàn)電器,對(duì)設(shè)備樁頭進(jìn)行驗(yàn)電，確認(rèn)樁頭無電壓將隱蔽接地閘刀狀態(tài)確認(rèn)器夾在驗(yàn)電器的頂端,確認(rèn)器的接地尾線夾在設(shè)備外殼的可靠接地上對(duì)隱蔽接地閘刀狀態(tài)確認(rèn)器進(jìn)行可靠性檢查，可以按測(cè)試按鈕，或?qū)y(cè)試端與確認(rèn)器的接地尾線接觸，發(fā)出聲光提示,表示隱蔽接地閘刀狀態(tài)確認(rèn)器可靠將隱蔽接地閘刀狀態(tài)確認(rèn)器測(cè)試端對(duì)設(shè)備樁頭進(jìn)行測(cè)試,發(fā)出聲光提示,表示設(shè)備樁頭已可靠接地施工人員可以在此樁頭工作五、應(yīng)用前景及經(jīng)濟(jì)效益由于隱蔽接地閘在電力系統(tǒng)中是普遍應(yīng)用的，確認(rèn)器不僅可以對(duì)10kV環(huán)網(wǎng)柜的隱蔽接地進(jìn)行確認(rèn)，還可以應(yīng)用到GIS全密封組合電器配置的隱蔽接地閘刀接地狀態(tài)確實(shí)認(rèn)，以及變電所、線路檢修施工時(shí)布置的安措接地確實(shí)認(rèn)。也可應(yīng)用到基建、改造施工、檢修調(diào)試等設(shè)備啟動(dòng)投運(yùn)前對(duì)系統(tǒng)是否留有遺留接地的檢查確認(rèn)。目前，在我縣每年都會(huì)有近50個(gè)環(huán)網(wǎng)柜搭接電纜的施工，確認(rèn)器的使用能更好地保護(hù)施工人員的平安，平安效益無可估量。六、工程實(shí)施單位情況：1、技術(shù)研制單位海安縣供電公司技術(shù)研制開發(fā)部，技術(shù)力量雄厚，擁有工程技術(shù)人員6名，其中高工1名，具有中級(jí)職稱以上人員2名，技術(shù)創(chuàng)新能力較強(qiáng)，具有研制該工程的能力。2、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)單位江蘇河馬機(jī)電工程是專業(yè)生產(chǎn)電子產(chǎn)品的廠家，公司生產(chǎn)設(shè)備先進(jìn)、技術(shù)力量雄厚、檢測(cè)手段齊全。