一種新型數(shù)字式低壓電纜故障模擬儀的研制

摘? 要：低壓電纜是低壓配電系統(tǒng)中非常常見的設(shè)備，低壓電纜故障現(xiàn)象也經(jīng)常發(fā)生。由于缺少相關(guān)的低壓電纜故障模擬設(shè)備，基層員工進(jìn)行低壓電纜故障查找技能培訓(xùn)較為困難。鑒于此，研制了一種數(shù)字式低壓電纜故障模擬儀，通過數(shù)字信號(hào)控制繼電器組可以有效模擬出低壓電纜大部分的故障現(xiàn)象，適合基層供電所班組在進(jìn)行低壓電纜技能培訓(xùn)時(shí)推廣使用，且該系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)結(jié)合起來，界面友好，操作簡(jiǎn)單。

關(guān)鍵詞：低壓電纜;故障模擬;數(shù)字式;繼電器

0? ? 引言

數(shù)字式低壓電纜故障模擬儀主要是以單片機(jī)為控制中心，通過數(shù)字信號(hào)控制雙聯(lián)繼電器組來模擬出低壓電纜短路、斷路和接地等三大類型的故障。數(shù)字式低壓電纜故障模擬儀提供了三種控制方式：儀體開關(guān)簡(jiǎn)易控制、手機(jī)App控制、計(jì)算機(jī)軟件控制。儀體開關(guān)簡(jiǎn)易控制主要是通過儀體外部開關(guān)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易故障類型的設(shè)置，主要適用于簡(jiǎn)易培訓(xùn)場(chǎng)所和模擬儀電源故障時(shí)及方便不會(huì)使用計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)的員工使用。手機(jī)App控制主要是通過開發(fā)的手機(jī)App進(jìn)行低壓電纜故障設(shè)置，模擬的故障類型多，控制方便，適用于班組集中培訓(xùn)和練習(xí)。計(jì)算機(jī)軟件控制主要通過開發(fā)的控制軟件設(shè)置故障類型、考核信息記錄，適合技能競(jìng)賽考試場(chǎng)合使用。數(shù)字式低壓電纜故障模擬儀的電路主要由三部分組成：鋰電池管理電路、通信電路、繼電器控制電路。鋰電池管理電路主要是由市電充電電路、太陽能自動(dòng)充電電路、鋰電池充放電管理電路組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池的綜合管理，保證低壓電纜故障模擬儀正常供電。通信電路主要是由藍(lán)牙通信電路和RS232通信電路組成，用于保證低壓電纜故障模擬儀與計(jì)算機(jī)控制軟件和手機(jī)App的正常通信。繼電器控制電路主要是由故障模擬控制電路和測(cè)試自動(dòng)接入電路組成，故障模擬控制電路主要是通過控制雙聯(lián)繼電器實(shí)現(xiàn)電纜故障的模擬與信號(hào)的反饋。本儀器的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1? ? 繼電器控制電路

繼電器控制電路是數(shù)字式低壓電纜故障模擬儀最重要的電路，是整個(gè)儀器實(shí)現(xiàn)故障模擬的關(guān)鍵。繼電器控制電路中各繼電器為雙聯(lián)繼電器，單片機(jī)的I/O口分別通過驅(qū)動(dòng)電路連接繼電器控制電路中各繼電器的受控端，以控制各繼電器的開/合閘，繼電器控制電路通過各繼電器的開/合閘模擬出低壓電纜A、B、C、N相的開路、短路或接地故障電路;繼電器控制電路的輸入端分別模擬低壓電纜A、B、C、N相的輸入端，繼電器控制電路的輸出端分別模擬低壓電纜A、B、C、N相的輸出端（圖2）;單片機(jī)的信號(hào)采集口分別與各繼電器的信號(hào)反饋端連接，通過低電平信號(hào)反饋給單片機(jī)。繼電器控制電路中的接地故障模擬由RL4、RL5、RL1、RL3繼電器組成，開路故障模擬由RL12、RL11、RL13、RL10繼電器組成，相間短路故障模擬由RL2、RL14、RL15、RL16、RL22、RL20繼電器組成（圖2）。

如果要模擬低壓電纜A相接地故障，繼電器組的工作流程如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)PA4端口發(fā)出一個(gè)控制信號(hào)，繼電器RL4線圈通電合閘，低壓電纜A相接地，同時(shí)繼電器RL4反饋一個(gè)低電平信號(hào)給單片機(jī)PC4端口，單片機(jī)顯示故障模擬成功。如果單片機(jī)PC4端口沒有收到低電平信號(hào)，則單片機(jī)就會(huì)發(fā)出故障模擬失敗代碼。模擬低壓電纜其他故障的過程與此類似。

測(cè)試自動(dòng)接入電路由RL6至RL9繼電器組成（圖2），處理器通過PA0、PA1、PA2、PA3端口分別對(duì)RL6至RL9繼電器進(jìn)行訪問控制，單片機(jī)PC0、PC1、PC2、PC3端口為信號(hào)采集口，分別負(fù)責(zé)RL6至RL9繼電器的信號(hào)反饋。日常工作中低壓電纜故障的排查一般都是用500 V搖表，搖表有三個(gè)端：線路端L、接地端E、屏蔽端G。測(cè)量回路對(duì)地電阻時(shí)L端與回路的裸露導(dǎo)體連接，E端連接接地線或金屬外殼;測(cè)量回路的絕緣電阻時(shí)，電纜輸入端與線路端L連接，電纜輸出端與接地端E連接，測(cè)量電纜的絕緣電阻時(shí)應(yīng)將電纜的屏蔽層接至屏蔽端G。比如在測(cè)量低壓電纜A相對(duì)地的絕緣電阻時(shí)，一般是把搖表的E端直接接地，G端接到電纜屏蔽端，啟動(dòng)搖表，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到120 r/min時(shí)，再把搖表的L端接入電纜A端，在L端接入電纜A端過程中，搖表轉(zhuǎn)速要保持不變。測(cè)試完成后，保持搖表轉(zhuǎn)速不變，先斷開L端，再緩慢降低搖表轉(zhuǎn)速，接著拆除搖表E端和G端接線，然后對(duì)電纜進(jìn)行放電。

測(cè)試自動(dòng)接入電路的工作原理如下：在測(cè)試低壓電纜過程中搖表L極接在待測(cè)電纜某相輸入端，待需要接入待測(cè)電路時(shí)，單片機(jī)對(duì)應(yīng)的端口控制對(duì)應(yīng)的繼電器合閘，搖表L極接入電路進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量完畢后，單片機(jī)對(duì)應(yīng)的端口控制該繼電器分閘，搖表L極自動(dòng)脫離電纜測(cè)試端子。在搖表L極接入或脫離測(cè)試端子過程中，單片機(jī)PC0、PC1、PC2、PC3端口負(fù)責(zé)信號(hào)的反饋，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)閉環(huán)管理。搖表用于檢測(cè)電纜好壞，實(shí)現(xiàn)單人操作，提高測(cè)試工作效率，減省人力。

2? ? 鋰電池管理電路

本數(shù)字式低壓電纜故障模擬儀內(nèi)部安裝4節(jié)4.2 V串聯(lián)的鋰電池，可以外接220 V進(jìn)行充電;也可以通過儀蓋表面可裝卸的弱光型太陽能板進(jìn)行充電，從而保證低壓電纜故障模擬儀供電可靠性。低壓電纜故障模擬儀實(shí)用性非常強(qiáng)，適用與不同人員和工作場(chǎng)所，應(yīng)用前景較為廣泛。低壓電纜故障模擬儀的鋰電池充放電管理芯片主要采用CN3704芯片。CN3704是PWM降壓模式四節(jié)鋰電池充電管理集成電路，能獨(dú)立對(duì)四節(jié)鋰電池充電進(jìn)行自動(dòng)管理，具有封裝外形小、外圍元器件少和使用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。CN3704具有恒流和恒壓充電模式，非常適用于鋰電池的充電。在恒壓充電模式，CN3704將電池電壓調(diào)制在16.8 V，精度為±1%;在恒流充電模式，充電電流通過一個(gè)外部電阻設(shè)置。對(duì)于深度放電的鋰電池，當(dāng)電池電壓低于11.2 V時(shí)，CN3704用所設(shè)置的恒流充電電流的15%對(duì)電池進(jìn)行涓流充電。在恒壓充電階段，充電電流逐漸減小，當(dāng)充電電流降低到外部電阻R79（圖3）所設(shè)置的值時(shí)，充電結(jié)束。在充電結(jié)束狀態(tài)，如果電池電壓下降到16 V，則自動(dòng)開始新的充電周期。當(dāng)輸入電源掉電或者輸入電壓低于電池電壓時(shí)，CN3704自動(dòng)進(jìn)入低功耗的睡眠模式。低壓電纜故障模擬儀的CN3704鋰電池管理電路圖如圖3所示。

3? ? 上位機(jī)控制軟件

手機(jī)控制App是自主開發(fā)的手機(jī)端監(jiān)控平臺(tái)，該App主要是通過藍(lán)牙與低壓電纜故障模擬儀進(jìn)行通信，一般是員工在班組培訓(xùn)時(shí)使用。儀器的操作人員在手機(jī)App上可以隨意設(shè)置出低壓電纜的故障類型并進(jìn)行練習(xí)，同時(shí)操作人員也可以通過手機(jī)App實(shí)時(shí)查看儀器的工作狀態(tài)。計(jì)算機(jī)控制軟件也是自主開發(fā)的計(jì)算機(jī)端控制軟件，是對(duì)手機(jī)控制App的補(bǔ)充，適合在員工進(jìn)行低壓電纜故障查找技能考核時(shí)使用。計(jì)算機(jī)控制軟件通過RS232總線與低壓電纜故障模擬儀進(jìn)行通信，在計(jì)算機(jī)控制軟件上可以設(shè)置出低壓電纜的故障類型，該軟件可以自動(dòng)記錄考生的相關(guān)信息，比如考生號(hào)、考試用時(shí)長、考試時(shí)的電纜故障類型等，這將有效降低監(jiān)考人員在考試過程中數(shù)據(jù)記錄的工作量，大幅提高工作效率。

4? ? 結(jié)語

數(shù)字式低壓電纜故障模擬儀的成功研制具有重要的意義。本儀器以單片機(jī)為控制中心，巧妙地通過控制外圍雙聯(lián)繼電器實(shí)現(xiàn)低壓電纜故障模擬。本儀器具有體積小、操作方便、功能強(qiáng)大、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合班組培訓(xùn)和技能考核時(shí)使用，可以有效提高基層班組的培訓(xùn)效率和技能考核時(shí)的考試效率。智能化是每一個(gè)設(shè)備或每一個(gè)行業(yè)未來發(fā)展的方向，是提高生產(chǎn)率最有效的手段。現(xiàn)場(chǎng)越來越多的設(shè)備智能化，極大地推動(dòng)了整個(gè)社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步。

收稿日期：2020-06-11

作者簡(jiǎn)介：盧志輝（1987—），男，廣東湛江人，工程師，研究方向：配電網(wǎng)線路和設(shè)備智能化。