基于紅外感應(yīng)的戶外電容器組地刀輔助節(jié)點(diǎn)裝置設(shè)計

趙曉燕，龍永平，程 旭，沈瓊妹

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司珠海供電局，廣東珠海 519000）

0 引言

目前，約50%的變電站電容器組采用戶外布置，相應(yīng)的電容器組放電接地刀閘也隨之為戶外布置，該放電接地刀閘是作為電容器組現(xiàn)場工作的主要安全措施。電容器組放電接地刀閘分、合閘位置需上傳至后臺監(jiān)控系統(tǒng)，并串接于電容器組斷路器合閘回路。而現(xiàn)有的戶外電容器組接地刀閘主要通過操作手柄——連桿——機(jī)械式輔助開關(guān)來進(jìn)行分、合閘位置狀態(tài)判斷，并將位置上傳至后臺監(jiān)控作為調(diào)度及檢修的前提條件之一。因此對電容器組接地刀閘位置的準(zhǔn)確判斷具有十分重要的意義。

目前常用的室外電容器組接地刀閘輔助開關(guān)采用連桿結(jié)構(gòu)，地刀進(jìn)行分合閘操作時，由連桿帶動機(jī)械式輔助開關(guān)轉(zhuǎn)換位置，輸出2對常開開關(guān)接點(diǎn)及2對常閉開關(guān)接點(diǎn)，常開開關(guān)節(jié)點(diǎn)及常閉開關(guān)節(jié)點(diǎn)通過電信號上傳至站內(nèi)后臺監(jiān)控系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)地刀分合閘位置的實(shí)時監(jiān)測。由于現(xiàn)有連桿、輔助開關(guān)為室外布置，常年日曬雨淋，連桿、輔助開關(guān)容易出現(xiàn)銹蝕、卡澀，導(dǎo)致地刀進(jìn)行分、合閘時操作困難、連桿虛位、輔助開關(guān)接點(diǎn)損壞等缺陷，造成地刀位置判斷不正確，從而影響電容器開關(guān)合閘，甚至影響站內(nèi)AVC 正常工作，給設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行留下巨大隱患[1]，同時也大大增加了電網(wǎng)運(yùn)維檢修工作人員的搶修工作量。因此，設(shè)計一種新型的高可靠性戶外電容器組接地刀閘輔助節(jié)點(diǎn)裝置，對提高檢修人員工作效率具有重要意義。

1 裝置整體設(shè)計

針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本文設(shè)計一種新型具有防潮、防水、防蝕銹、準(zhǔn)確率高、可靠性高的電子式輔助接點(diǎn)裝置。其整體技術(shù)方案為：通過紅外激光漫反射光電開關(guān)直接監(jiān)測電容器組地刀位置及電感式接近開關(guān)間接監(jiān)測地地刀操作手柄位置[2-3]。若兩個監(jiān)測點(diǎn)同時為分位或同時為合位時，經(jīng)過一定延時確認(rèn)后，控制電路輸出對應(yīng)的分或合位置狀態(tài)，如圖1所示。

圖1 基于紅外感應(yīng)的戶外電容器組地刀輔助節(jié)點(diǎn)裝置整體方案

通過激光漫反射光電開關(guān)傳感器直接監(jiān)測刀閘的活動連桿位置，以及通過電感式接近開關(guān)監(jiān)測地刀分合操作手柄位置，單片機(jī)測控系統(tǒng)實(shí)時對兩個監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)兩個監(jiān)測點(diǎn)信號同時滿足判斷條件時，則判定地刀位置狀態(tài)，驅(qū)動繼電器輸出對應(yīng)的開關(guān)接點(diǎn)信號至后臺系統(tǒng)。

2 裝置各模塊設(shè)計

本裝置由激光漫反射光電開關(guān)繼電器、電感式接近開關(guān)、單片機(jī)邏輯分析處理測控系統(tǒng)及開關(guān)信號輸入輸出模塊以及防水外殼等組成。下面詳細(xì)介紹裝置各模塊設(shè)計原理。

2.1 激光漫反射光電開關(guān)傳感器

激光漫反射光電開關(guān)傳感器，是一種基于漫反射原理的光電接近開關(guān)。利用被檢測物體對紅外光束的遮光或反射，由同步回路選通而檢測物體的有無。其被檢物體不僅限于金屬，而是對所有能反射光線的物體均可檢測，是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器[4]。當(dāng)有被檢測物體遮擋時，物體將光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，光電開關(guān)即產(chǎn)生開關(guān)信號。

2.2 電感式接近開關(guān)傳感器

電感式接近開關(guān)由3 大部分組成：振蕩器、開關(guān)電路及放大輸出電路。振蕩器產(chǎn)生一個交變磁場，當(dāng)金屬目標(biāo)接近這一磁場并達(dá)到感應(yīng)距離時，在金屬目標(biāo)內(nèi)產(chǎn)生渦流，從而導(dǎo)致振蕩衰減以至停振。振蕩器振蕩及停振的變化被后級放大電路處理并轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號，觸發(fā)驅(qū)動控制器件，從而達(dá)到非接觸檢測的目的[5]。

本裝置采用的電感式接近開關(guān)傳感器基于GC5355集成電路，內(nèi)部集成振蕩器、開關(guān)電路和放大輸出電路。其工作原理是利用外接的電感電容構(gòu)成LC 高頻諧振電路，并在諧振環(huán)路中產(chǎn)生一個交變磁場。當(dāng)被檢測的金屬目標(biāo)接近這一磁場并達(dá)到感應(yīng)距離時，在被檢測的金屬目標(biāo)內(nèi)產(chǎn)生渦流并吸取振蕩器的能量，使得振蕩器振幅衰減或停振。振蕩器振蕩及停振的變化被后級放大電路處理并轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號，觸發(fā)驅(qū)動控制器件，從而實(shí)現(xiàn)了非接觸式檢測的目的[6]。

電路原理圖如圖2 所示，外接L1、C1 組成的振蕩器產(chǎn)生一個交變磁場，當(dāng)金屬目標(biāo)接近這一磁場并達(dá)到感應(yīng)距離時，在金屬目標(biāo)內(nèi)產(chǎn)生渦流，從而導(dǎo)致振蕩衰減，以至停振。振蕩器振蕩及停振的變化被后級放大電路處理并轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號，觸發(fā)驅(qū)動控制器件，從而達(dá)到非接觸檢測的目的，兩個電阻RHY1 和RDJ1，分別用于設(shè)置感應(yīng)距離和回差，檢測距離從1～100 mm 可調(diào)。另外C2 為積分電容，用于內(nèi)部信號采樣。該電路密封在一個具有M20 外螺紋、長度為50 mm 的鋼管內(nèi)，感應(yīng)前端為長5 mm的塑料端蓋、尾部為電纜出線口，整機(jī)采用環(huán)氧樹脂全灌封，具有IP68的防水等級。

圖2 電感式接近開關(guān)傳感器電路原理

2.3 單片機(jī)測控系統(tǒng)及開關(guān)信號輸入輸出模塊

單片機(jī)測控系統(tǒng)及開關(guān)信號輸入輸出模塊由8 位單片機(jī)、復(fù)位電路、晶振時鐘電路，供電模塊等組成的最小單片機(jī)系統(tǒng)以及2路光耦隔離開關(guān)量輸入、4路繼電器輸出驅(qū)動電路和繼電器陣列組成。實(shí)現(xiàn)對輸入開關(guān)量的讀取、邏輯判斷，同時輸出開關(guān)信號驅(qū)動繼電器開合實(shí)現(xiàn)開關(guān)接點(diǎn)信號輸出。

2.4 防水外殼

防水外殼由采用聚碳酸酯材料注塑而成的透明前蓋、以及采用ABS 樹脂注塑而成的殼體和硅膠墊圈組成。透明前蓋設(shè)有防水凹槽、殼體設(shè)有防水凸沿、底部設(shè)有防水航空接頭，與外界進(jìn)行電氣連接，通過硅膠墊密封、透明前蓋與殼體通過4 個塑料螺絲連接固定。整機(jī)為長方體結(jié)構(gòu)，高130 mm，寬80 mm，深60 mm，防水等級為IP67。

3 裝置電路設(shè)計

如圖3 所示，電感接近開關(guān)及激光紅外漫反射光電開關(guān)經(jīng)光耦隔離器U4、U5 進(jìn)行光電隔離后，將開關(guān)量輸入至單片機(jī)測控系統(tǒng)，單片機(jī)測控系統(tǒng)實(shí)時讀取開關(guān)量狀態(tài)，作一定的延時排除抖動及干擾信號后，經(jīng)邏輯運(yùn)算確認(rèn)后，輸出開關(guān)量至U6，U6 為繼電器驅(qū)動電路，內(nèi)部集成了繼電器線圈反向電動勢保護(hù)二極管。驅(qū)動繼電器陣列動作。其中K1、K2 為常開接點(diǎn)繼電路接點(diǎn)輸出，K3、K4為常閉接點(diǎn)繼電器接點(diǎn)輸出。

圖3 基于紅外感應(yīng)的戶外電容器組地刀輔助節(jié)點(diǎn)裝置電路

4 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

裝置結(jié)構(gòu)如圖4 所示，激光紅外漫反射光電開關(guān)與單片機(jī)測控系統(tǒng)及開關(guān)信號輸入輸出模塊（測控電路板）安裝在機(jī)殼內(nèi)、通過航空插頭與外界進(jìn)行電氣通訊連接，激光紅外漫反射光電開關(guān)正面與透明前蓋平行、光斑射向刀閘活動連桿。當(dāng)?shù)堕l分位時，光斑被刀閘活動連桿遮擋，產(chǎn)生漫反射，光電開關(guān)輸出分位狀態(tài)，當(dāng)?shù)堕l合位時，刀閘活動連桿向上轉(zhuǎn)動與母線連接，地刀合位，紅外激光不被遮擋，無漫反射，光電開關(guān)輸出合位狀態(tài)。

圖4 基于紅外感應(yīng)的戶外電容器組地刀輔助節(jié)點(diǎn)裝置結(jié)構(gòu)

電感式接近開關(guān)安裝在刀閘分合操作桿正后方，如圖5 所示。當(dāng)?shù)堕l分位時，操作桿位置斜向上方向，操作桿與電感式接近開關(guān)相對位置在10 mm 以內(nèi)，電感式接近開關(guān)探測到金屬操作桿，電感式接近開關(guān)輸出分位開關(guān)信號，而當(dāng)?shù)堕l合位時，操作桿位置斜向下方向，遠(yuǎn)離電感式接近開關(guān)位置，操作桿與電感式接近開關(guān)相對位置遠(yuǎn)大于10 mm，電感式接近開關(guān)無探測到金屬操作桿，輸出合位開關(guān)位號，而電感式接近開關(guān)通過線纜與主機(jī)裝置航空插座連接，將開關(guān)信號輸出給單片機(jī)測控系統(tǒng)采集分析。

圖5 電感式接近開關(guān)安裝

5 裝置監(jiān)控系統(tǒng)軟件算法設(shè)計

基于紅外感應(yīng)的戶外電容器組地刀輔助節(jié)點(diǎn)裝置監(jiān)控系統(tǒng)軟件算法流程如圖6 所示。系統(tǒng)讀取傳感器開關(guān)量，當(dāng)紅外激光漫反射光電開關(guān)和電感接近開關(guān)同時判斷為合位時，系統(tǒng)延時5 s 判斷開關(guān)量都是合位，從而由繼電器輸出地刀合位信號；當(dāng)紅外激光漫反射光電開關(guān)和電感接近開關(guān)同時判斷為分位時，系統(tǒng)延時5 s 判斷開關(guān)量都是分位，從而由繼電器輸出地刀分位信號；當(dāng)紅外激光漫反射光電開關(guān)和電感接近開關(guān)其中有一個判斷為分位，則系統(tǒng)重新讀取傳感器開關(guān)量，直至紅外激光漫反射光電開關(guān)和電感接近開關(guān)同時判斷合位或分位為止，從而保證地刀位置判斷準(zhǔn)確無誤。

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)軟件算法流程

6 結(jié)束語

為解決戶外電容器組因常年日曬雨淋，連桿、輔助開關(guān)銹蝕、損壞而導(dǎo)致的地刀位置判斷不正確、電容器開關(guān)無法正常分合閘以及站內(nèi)AVC 無法正常工作等問題，本文設(shè)計了一種基于紅外感應(yīng)的戶外電容器組地刀輔助節(jié)點(diǎn)裝置，當(dāng)?shù)氐斗治粫r，刀閘活動連桿對激光光斑進(jìn)行了遮擋，而當(dāng)?shù)氐逗衔粫r，激光光斑不被物體遮擋。同理，當(dāng)?shù)氐斗治粫r，電感式接近開關(guān)感應(yīng)到金屬操作桿，而當(dāng)?shù)氐逗衔粫r，電感式接近開關(guān)感應(yīng)不到操作桿，因此激光紅外漫反射開關(guān)傳感器和電感式接近開關(guān)傳感器輸出的分、合位開關(guān)狀態(tài)與地刀的分合狀態(tài)對應(yīng)。通過一個直接監(jiān)測點(diǎn)及一個間接監(jiān)測點(diǎn)同時對地刀的分合位置進(jìn)行了聯(lián)合監(jiān)測。從而避免了因一個監(jiān)測點(diǎn)出現(xiàn)狀態(tài)變化而產(chǎn)生誤報，實(shí)現(xiàn)了對地刀的分合位置的準(zhǔn)確判斷。該設(shè)計大大提高了電網(wǎng)運(yùn)行可靠性，同時也有效減少了電網(wǎng)運(yùn)維檢修人員搶修工作量，提高了工作效率。