多功能自識別電控鎖具的研制

許加凱，王思城，盧曉惠，張美玲（國網山東省電力公司濰坊供電公司，山東　濰坊　261000）

多功能自識別電控鎖具的研制

許加凱，王思城，盧曉惠，張美玲
（國網山東省電力公司濰坊供電公司，山東濰坊261000）

為降低電容器、接地變網門聯鎖故障率，調查分析網門聯鎖現狀，研制出一套多功能自識別電控鎖具，具備位置自識別、自動上鎖、上鎖保護、可靠解鎖等功能。該鎖具以單片機為控制系統(tǒng)核心，采用霍爾元件作為輸入采集模塊，步進電機為輸出執(zhí)行模塊。在實際應用中取得了良好的效果。

網門；防誤閉鎖；位置自識別；電控鎖具

0　引言

變電站內的電容器、接地變壓器等設備通常會安裝于網門內，網門上裝有由電磁鎖和行程開關組成的電氣防誤閉鎖裝置或微機五防鎖閉鎖裝置，通過二次電纜將其接入外部聯鎖回路中，以防止工作人員誤入運行設備區(qū)域。

變電站檢修維護工作中涉及網門防誤閉鎖裝置［1-2］的工作比較多。如果聯鎖回路發(fā)生故障，將導致電容器或接地變等設備無法操作。國家電網公司《防止電氣誤操作安全管理規(guī)定》和《十八項電網重大反事故措施》均要求加強防誤閉鎖裝置的運行和維護管理，確保防誤閉鎖裝置正常運行。

1　現狀調查分析

1.1接地變壓器、電容器二次故障類型

對2014年繼電保護記錄、基建、改造以及驗收過程中接地變壓器、電容器二次相關故障次數進行調查統(tǒng)計，如圖1所示。

結果顯示，聯鎖回路類故障占接地變壓器、電容器二次相關故障的76.79%，是主要的故障類型。

圖1　接地變壓器、電容器二次故障類型

1.2聯鎖回路故障分布

對發(fā)生次數最多的“聯鎖回路”類故障進行細化統(tǒng)計，對聯鎖回路中的斷路器、隔離開關、接地開關、網門聯鎖等回路構成部分的故障次數進行調查統(tǒng)計，如圖2所示。

結果顯示，網門聯鎖在聯鎖回路中出現故障次數最多，是威脅接地變壓器、電容器正常操作及運行的主要安全隱患。

1.3網門聯鎖故障率

對9座應用電磁鎖和行程開關的變電站網門進行了100次聯鎖試驗，并進行了統(tǒng)計分析，如圖3所示，其網門防誤閉鎖裝置平均故障率為18.2%。

圖2　聯鎖回路故障類型排列

圖3　電磁鎖和行程開關閉鎖平均故障率

對9座應用微機五防鎖閉鎖的變電站網門進行了100次聯鎖試驗，并進行了統(tǒng)計分析，如圖4所示，其網門防誤閉鎖裝置平均故障率為4.8%。

圖4　網門微機五防鎖閉鎖平均故障率

2　多功能自識別電控鎖具設計

2.1設計目標

研制一種多功能自識別電控鎖具，具備位置自識別、自動上鎖、上鎖保護、可靠解鎖、免維護等特性。

針對電容器、接地變網門閉鎖裝置目前存在的問題，開展新型網門閉鎖裝置的研究，對于降低防誤閉鎖裝置的故障率具有重要意義。

位置自識別，指能準確通過傳感器感應鎖舌位置，完成鎖具狀態(tài)的識別。自動上鎖，即當門關到位時，控制系統(tǒng)能精確驅動執(zhí)行機構帶動鎖舌完成自動上鎖。上鎖保護，當因異物或鎖孔位置未完全對準，造成上鎖不到位時，能有效保護裝置?？煽拷怄i，指正常解鎖時有解鎖指示，保留強制解鎖功能。檢修維護，防水防潮，便于安裝調試、故障查找、維護檢修。結構組成方面，結構緊湊，元器件分布排列合理，空間利用率高，散熱性能良好。經濟性上，前期研發(fā)費用較低，后續(xù)顯性和隱性經濟效益明顯。

多功能自識別電控鎖具使得網門聯鎖故障率ζ小于目前所有網門聯鎖方案［A1，A2，…，An］的最小值，即

由圖3知，采用電磁鎖和行程開關的電氣防誤閉鎖裝置故障率為18.2%，即ζ（A1）=18.1%。

由圖4知，采用微機五防鎖閉鎖的閉鎖裝置故障率為4.8%，即ζ（A2）=4.8%。

根據國際電工委員會IEC 61709—2011《電子元件可靠性、故障率的參考條件以及轉換應力模型》［3］的要求，市場上電子技術與自動控制技術的產品已經相當成熟，研制可能用到的位置傳感器、控制芯片、指示告警燈等均能保證很高的精度，且元件故障率均小于5%。

因此，目標值應滿足以下條件：

考慮到電子元件精度和故障率，以及測試的偶然性誤差和極端惡劣天氣下的外力破壞等因素，留有一定目標裕度，將網門防誤閉鎖裝置故障率最大值ζ0設為5.0%，即有ζ＜5.0%。

2.2結構組成

按照功能組成，多功能自識別電控鎖具可分解為自動控制系統(tǒng)和外圍保障系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)由輸入采集模塊、輸出執(zhí)行模塊、邏輯判斷模塊和電源模塊構成。外圍保障系統(tǒng)由鎖殼和鎖罩兩部分構成。

1）輸入采集模塊選用霍爾傳感器。利用正交試驗設計法［4］對霍爾傳感器進行選型，選用正交表L4（23），選擇工作點最小的霍爾傳感器。

霍爾傳感器的磁電轉換特性和參數位級表，如圖5和表1所示，霍爾元件工作點主要取決于最高工作溫度（℃）、最高工作電壓（V）和輸出電流（mA）。

圖5　磁電轉換特性

表1　霍爾元件參數位極表

由表2試驗結果看，第1號試驗最好，其組合為A1B1C1。比較極差R，確定因素有主到次的排序為：C、A、B。比較位級Ⅰ、Ⅱ，由于要求指標愈小愈好，取最小值所對應的那個位級，確定因素的位級，為A1B2C1。

再次試驗對比A1B1C1和A1B2C1方案，如表3所示。當在A1B2C1條件下，工作點磁通密度為10mT。因此選用最高工作溫度為85°C，最高工作電壓30V，工作電流為25mA的OH137型號霍爾傳感器。

表2　霍爾元件參數L4（23）正交試驗表

表3　組合方案對比表

2）輸出執(zhí)行及邏輯判斷模塊。綜合考量低速性能、有無超調、設計難度等因素，輸出執(zhí)行模塊采用步進電機作為驅動和閉鎖元件。步進電機驅動閉鎖如圖6所示?？紤]到指示效果、指示準確率因素選用LED作為報警指示元件。

圖6　步進電機驅動閉鎖示意

邏輯判斷模塊是鎖具的核心部分，是控制鎖具各功能實現的關鍵部件。根據設計，邏輯判斷模塊接收傳感器輸入信號，將信號與設定閾值進行比較，根據比較結果輸出不同控制信號。選用具有寬電壓、溫度范圍，片內存儲容量大，高速低功耗，尺寸小、性價比高STC15F2K60S2型單片機。

3）電源模塊。利用電平轉換芯片設計了12 V 轉5V DC/DC電源模塊，其輸出電壓精度控制在5（1±2%）V。對電源模塊進行100次測試，輸出電壓如圖7所示。

圖7　輸出電壓直方圖

過程能力指數計算公式為

式中：σ為標準方差；TU為誤差上限；TL為誤差下限。

根據輸出電壓測試結果和式（3），其過程能力指數CP=1.14，根據過程能力等級評審表［5］，屬于2級，過程能力尚可，CP＞1達到目標要求。

4）外圍保障系統(tǒng)。調研鑄鐵、不銹鋼、鋁合金3種材料，將6個比較維度的數據標幺值處理后，繪制了雷達圖進行比較，如圖8所示。最終選擇了不銹鋼作為鎖殼材料。

圖8　鎖殼材料性能對比雷達

鎖罩是為了鎖具在室外應用時應對雨雪等天氣而設計的，起到隔熱降溫、隔冷保溫的作用，同時要方便觀看鎖具指示狀態(tài)。選用的有機玻璃鎖罩能夠達到GB 4208—2008《外殼防護等級（IP代碼）》［6］定義的4級防塵 （防止直徑不小于1mm固體異物進入）和5級防水（防止噴水造成內部元件損壞）標準。

通過對以上方案的分解驗證，繪制出多功能自識別電控鎖具的最佳方案樹狀圖如圖9所示。

圖9　最佳方案樹狀

3　制作實施及效果驗證

3.1硬件架構

根據鎖內各個部件的大小和功能，按照最優(yōu)排列的原則繪制出鎖內布置圖，并測量各部件及外殼尺寸，如圖10和表4所示。鎖具俯視面積為240.5 cm2，鎖具體積為962 cm3。

圖10　電控鎖具硬件結構

表4　電控鎖具結構尺寸　mm

3.2系統(tǒng)調試

電控鎖具程序的流程如圖11所示。

根據調試的先后順序，繪制實施流程圖如圖12所示，并按照流程圖進行了具體實施。

3.3效果驗證

借助停電檢修或基建驗收，到現場將多功能自識別電控鎖具安裝于電容器或接地變網門上，對網門防誤閉鎖裝置故障率進行統(tǒng)計，結果如圖13所示。結果顯示，自行研制的多功能自識別電控鎖具的網門防誤閉鎖裝置故障率為1.125%，而目標設定值為5.0%，目標實現。

圖11　電控鎖具軟件流程

圖12　電控鎖具控制系統(tǒng)調試流程

圖13　連鎖故障率測試

4　結語

多功能自識別電控鎖具研制成功后，展現出良好的經濟效益和社會效益。該裝置可以有效降低網門防誤閉鎖裝置故障率，從而減小作業(yè)人員誤入運行設備網門的概率，確保了人身、電網和設備的安全。

今后將繼續(xù)跟蹤多功能自識別電控鎖具的應用效果，并不斷改進完善，將其推廣應用到改建、改造接地變和電容器的網門閉鎖裝置中。

［1］呂志新，白明，徐肖.變電站防誤閉鎖裝置概述［J］.中國新技術新產品，2015（18）：87-88.

［2］章衛(wèi)光.防誤閉鎖裝置的應用分析探討［J］.華東電力，2006（6）：78-80.

［3］IEC 61709—2011電子元件可靠性、故障率的參考條件以及轉換應力模型［S］.

［4］劉志奇，楊杰.正交試驗法在QC小組活動中的應用［J］.華北水利水電學院學報，2009，30（1）：109-111.

［5］湯淑明，王飛躍.過程能力指數綜述［J］.應用概率統(tǒng)計，2004，20 （2）：207-216.

［6］GB 4208—2008外殼防護等級（IP代碼）［S］.

［7］于英霞，王霞.雙代號網絡圖的繪制方法［J］.山西建筑，2004，30 （17）：85-86.

Development of M ultifunctional Auto-recognition Electric Lock

XU Jiakai，WANG Sicheng，LU Xiaohui，ZHANGMeiling
（State Grid Weifang Power Supply Company，Weifang 261000，China）

In order to decrease the interlocking failure rate of capacitors and grounding transformers，through investigating the present situation of reticular door interlock，a multifunctional auto-recognition electric lock is developed which achieved functionsofposition auto-recognition，auto-locking，locking protection and reliable unlocking.For the lock，themicrocontroller is used as the control core，hall elements are adopted as the input acquisitionmodule，and the step motor is employed as the output executionmodule.Finally the practical application of the lock and its benefits are introduced.

reticular door；misoperation-preventive locking；position auto-recognition；electric lock

TM63

B

1007－9904（2016）04－0061－05

2015-11-06

許加凱（1987），男，工程師，從事變電站設備檢修工作。