謝 亮
(南京供電公司,江蘇南京210013)
戶外端子箱在變電站起著動(dòng)力、控制、測(cè)量和保護(hù)作用。戶外端子箱對(duì)于提高二次回路的絕緣和電氣性能,防止因二次回路絕緣和老化問題引發(fā)的各種缺陷與異常,確保主設(shè)備及其系統(tǒng)安全運(yùn)行具有重要意義。
在晝夜溫差大且空氣潮濕的地方,空氣中的水分遇冷,通常就會(huì)凝結(jié)成小水珠。戶外端子箱經(jīng)過白晝太陽(yáng)的暴曬以及內(nèi)部電器的發(fā)熱,深夜時(shí)柜體箱壁溫度下降,柜體內(nèi)潮濕的熱空氣碰到冰冷的箱壁形成了凝露。水珠可能凝結(jié)在戶外端子箱柜體內(nèi)的頂部和內(nèi)壁,凝結(jié)的水珠在重力的作用下,就會(huì)滴落至正在運(yùn)行的端子排上。戶外端子箱一旦受潮嚴(yán)重,將導(dǎo)致端子箱內(nèi)的運(yùn)行環(huán)境變差,進(jìn)而使得交直流回路對(duì)地絕緣電阻降低,造成二次回路接地或短路,這將造成保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)等,甚至造成斷路器的誤動(dòng),危害極大。另外,當(dāng)發(fā)現(xiàn)戶外端子箱受潮嚴(yán)重后,還需要冒著極大的安全風(fēng)險(xiǎn)更換端子排或端子箱,甚至將所涉設(shè)備和回路停電,同樣存在著嚴(yán)重的事故隱患。因此,加強(qiáng)對(duì)戶外端子箱的日常除濕、防潮處理就顯得尤為重要。
目前常見的戶外端子箱除濕、防潮處理方法有2種。(1)在戶外端子箱內(nèi)加裝電爐絲,通過人工手動(dòng)開啟。(2)安裝自動(dòng)檢測(cè)溫濕度的裝置進(jìn)行除濕。普遍使用的是方法(1),運(yùn)行人員在日常巡視中根據(jù)天氣情況或查看端子箱內(nèi)部凝露情況進(jìn)行人工手動(dòng)開啟或關(guān)閉端子箱加熱器。但是該方法無(wú)法在溫度和濕度變化后立即啟動(dòng)和停止,因其為人工操作,存在容易遺忘的問題,且沒有完善的監(jiān)視回路,無(wú)法監(jiān)測(cè)加熱器可能出現(xiàn)斷線的情況。管理稍不到位就容易出現(xiàn)端子排受潮造成諸如誤跳斷路器等之類的事故。
少數(shù)變電站的戶外端子箱安裝了自動(dòng)檢測(cè)溫濕度和自動(dòng)除濕裝置,運(yùn)行效果良好。但是如果過于依賴自動(dòng)除濕裝置,一旦自動(dòng)除濕裝置發(fā)生故障,由于沒有故障報(bào)警功能,運(yùn)行人員疏于檢查時(shí),同樣也會(huì)帶來(lái)很大的安全隱患。
與目前使用的自動(dòng)加熱器不同,戶外端子箱智能加熱器不僅能夠自動(dòng)檢測(cè)端子箱內(nèi)部的溫度、濕度,根據(jù)設(shè)定的定值自動(dòng)啟動(dòng)和關(guān)閉加熱器,還具有完善的自我監(jiān)測(cè)報(bào)警功能[1],一旦發(fā)生加熱回路斷線、過度潮濕或長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法改善端子箱內(nèi)部溫濕度,戶外端子箱智能加熱器通過RS-485總線上傳數(shù)據(jù)到監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)進(jìn)行報(bào)警[2],告知運(yùn)行人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查和修理。與現(xiàn)有端子箱相比,戶外端子箱智能加熱器只增加了箱璧測(cè)溫、系統(tǒng)自檢、數(shù)據(jù)通信和報(bào)警功能有關(guān)的少量軟硬件,既控制了成本,又增強(qiáng)了設(shè)備的功能,提高了安全運(yùn)行可靠性。
智能加熱器包括電源模塊、地址編碼器、MCU模塊、看門狗模塊、光電隔離模塊、A/D轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動(dòng)接口、狀態(tài)反饋電路、顯示接口模塊、RS-485數(shù)據(jù)接口模塊、箱內(nèi)溫濕度傳感器、箱內(nèi)璧溫度傳感器和電加熱器組件。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 智能加熱器系統(tǒng)框圖
MCU模塊使用C8051F410微控制器,它是完全集成的低功耗混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU,具有高速、流水線結(jié)構(gòu)8051兼容的微控制器核,達(dá)32 kB的片內(nèi)FLASH存儲(chǔ)器,2304 B片內(nèi)RAM,硬件實(shí)現(xiàn)的SMBus并兼容I2C總線、增強(qiáng)型UART串行接口和增強(qiáng)型SPI串行接口,4個(gè)通用的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,多達(dá)24個(gè)端口I/O,真12位每秒采樣200 000次的24通道ADC、帶模擬多路器等。
電源模塊把工頻交流電轉(zhuǎn)換成戶外端子箱內(nèi)各個(gè)模塊的工作電源后,為它們供電。
顯示接口是與MCU模塊相連,將MCU模塊采集處理后的溫濕度送顯示。
RS-485通信模塊,是通過RS-485通信網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控后臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。
箱內(nèi)溫濕度傳感器和箱內(nèi)壁溫度傳感器的輸出接入光電隔離接口,經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路,傳給MCU模塊。
地址編碼器與MCU模塊連接,是為智能加熱器設(shè)定身份標(biāo)識(shí)碼,在通信網(wǎng)絡(luò)中體現(xiàn)了地址的唯一性。通過8位撥碼開關(guān)和74HC165來(lái)實(shí)現(xiàn),74HC165是并入串出8位移位寄存器,8位撥碼開關(guān)與74HC165連接,再由74HC165的“/CE_ADDR”、“CP_ADDR”和“DATA_ADDR”3 個(gè)輸出線與 MCU模塊連接,其電路圖如圖2所示。
圖2 地址編碼器電路
驅(qū)動(dòng)接口,是MCU模塊將控制信號(hào)輸出到驅(qū)動(dòng)接口,驅(qū)動(dòng)接口驅(qū)動(dòng)電加熱器組件工作。其通過MMBT489LT1和G6B-2214來(lái)實(shí)現(xiàn),G6B-2214為常開型繼電器,MCU模塊通過控制 “〈-HeatFan”信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)電加熱器組件,當(dāng)置“〈-HeatFan”信號(hào)為高時(shí),G6B-2214繼電器動(dòng)作,其干觸點(diǎn)閉合,“Heat+”和“Heat-”導(dǎo)通,“Fan+”和“Fan-”導(dǎo)通,即驅(qū)動(dòng)電加熱組件(加熱器和風(fēng)扇)工作。當(dāng)置“〈-HeatFan”信號(hào)為低時(shí),G6B-2214繼電器不工作,其干觸點(diǎn)斷開,“Heat+”和“Heat-”斷開,“Fan+”和“Fan-”斷開,即禁止電加熱組件(加熱器和風(fēng)扇)工作?!癏eat+”連接電加熱器,“Fan+”連接風(fēng)扇。其電路如圖3所示。
圖3 驅(qū)動(dòng)接口電路
狀態(tài)反饋接口,是檢測(cè)加熱器組件的工作狀態(tài),將狀態(tài)反饋給MCU模塊。MCU模塊通過實(shí)時(shí)讀取“HeatFB_IN”和“FanFB_IN”信號(hào)來(lái)偵測(cè)加熱器組件的工作狀態(tài),當(dāng)加熱主件(電加熱器、風(fēng)扇等)發(fā)生異常時(shí)(如短路、斷路),MCU模塊會(huì)給出報(bào)警信號(hào),通過485接口上傳給監(jiān)控中心。狀態(tài)反饋接口電路如圖4所示。
圖4 狀態(tài)反饋接口電路
看門狗模塊與MCU模塊連接,以此檢測(cè)MCU的工作運(yùn)行狀態(tài)。看門狗選用CAT1023,它利用低功耗CMOS技術(shù)將2 kB的串行EEPROM存儲(chǔ)器和用于掉電保護(hù)的系統(tǒng)電源監(jiān)控電路集成在一塊芯片內(nèi)。存儲(chǔ)器采用400 kHz的I2C總線接口。2 kB的串行EEPROM存儲(chǔ)器可存放溫度設(shè)定值、濕度設(shè)定值等參數(shù),MCU模塊通過與“SCL”和“SDA”的連接進(jìn)行I2C通信實(shí)現(xiàn)存取數(shù)據(jù)功能。CAT1023可防止MCU模塊的系統(tǒng)程序進(jìn)入死循環(huán)、或程序跑飛。可監(jiān)控系統(tǒng)電源電路如圖5所示。
圖5 看門狗電路
軟件上,智能加熱器完成溫濕度采集數(shù)據(jù)的處理、邏輯判斷、加熱器的輸入輸出控制、自檢、通信、報(bào)警、自啟動(dòng)等功能。
工作過程:MCU模塊在上電或復(fù)位后,先進(jìn)行初始化,再進(jìn)行自檢,如果有故障則進(jìn)行報(bào)警,如果沒有故障則采集和處理箱外溫濕度傳感器和箱內(nèi)溫濕度傳感器的數(shù)據(jù);然后MCU模塊根據(jù)采集處理過后的數(shù)據(jù)和狀態(tài)反饋電路反饋給MCU的電加熱器組件的狀態(tài)來(lái)進(jìn)行電加熱器組件是否開啟或關(guān)閉的動(dòng)作邏輯判斷、控制;看門狗模塊監(jiān)控MCU模塊無(wú)誤后,最后與監(jiān)控后臺(tái)進(jìn)行通信,把檢測(cè)的溫濕度數(shù)據(jù)和智能加熱器的運(yùn)行狀態(tài)、電加熱器組件的工作狀態(tài)、報(bào)警信息上傳監(jiān)控后臺(tái)。智能加熱器軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示。
圖6 智能加熱器軟件結(jié)構(gòu)
部分程序如下:
智能加熱器內(nèi)部有485接口電路,RS-485總線將變電站中各戶外端子箱智能加熱器與監(jiān)控后臺(tái)聯(lián)系成一體,進(jìn)行分散運(yùn)行、集中監(jiān)控,從而組成了戶外端子箱智能加熱器監(jiān)控系統(tǒng)。
各戶外端子箱智能加熱器將檢測(cè)的溫濕度數(shù)據(jù)和自身運(yùn)行情況或報(bào)警信息上傳給后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)。后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)可以通過下達(dá)命令控制智能加熱器的開啟或關(guān)閉,也可以對(duì)其溫濕度定值進(jìn)行修改,方便運(yùn)行人員的操作和控制。智能戶外端子箱監(jiān)控系統(tǒng)如圖7所示。
圖7 戶外端子箱智能加熱器監(jiān)控系統(tǒng)
現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明,使用智能加熱器的變電站,減少了戶外巡視、人工開啟或關(guān)閉加熱器的操作,從根本上克服了因加熱器異常損壞造成的凝露現(xiàn)象。特別是無(wú)人值守變電站應(yīng)用智能加熱器后,在中心站就可以隨時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)查詢各加熱器的運(yùn)行狀態(tài),節(jié)約了人力,確保加熱器100%處于良好工作狀態(tài)。戶外端子箱智能加熱器的推廣必將帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,對(duì)于即將推廣建設(shè)的數(shù)字化變電站中戶外獨(dú)立智能電網(wǎng)設(shè)備的控制回路的安全、可靠運(yùn)行也會(huì)起到保障作用。
[1]謝 開,劉永奇,朱治中,等.面向未來(lái)的智能電網(wǎng)[J].中國(guó)電力,2008,41(6):19-22.
[2]陳樹勇,宋書芳,李蘭欣,等.智能電網(wǎng)技術(shù)綜述[J].電網(wǎng)技術(shù),2009,33(8):1-8.