隐蔽接地闸刀状态确认器研发报告129.docx

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隐蔽接地闸刀状态确认器研发报告129

基于单片机的

隐蔽接地闸刀状态确认器

研发报告

海安县供电公司

二○○九年十一月

一、项目研制背景

接地闸刀是电力系统中普遍使用的设备，由于它的操作简便，合闸后可靠直观，被广泛应用在10kV及以上的设备上，目前公司10kV环网柜内广泛采用ABB、SafeRing、意大利VEI和施耐德SM6等型号的SF6负荷开关，由于柜体紧凑，设备配备的接地闸刀是隐蔽在SF6开关本体内，从柜体外部是看不到接地闸刀的，接地闸刀的分合，只有通过柜面的接地指示，和联动闭锁的柜门来判断（我们将隐蔽的、联动的接地闸刀取名“隐蔽接地闸刀”）。

当SF6负荷开关线路侧需要安装、检修电缆，在停电做安全措施时，由于开关的桩头无就地挂设工作接地线的位置，只有合上设备的隐蔽接地闸刀，在无法确认隐蔽接地闸刀是否在合闸位置以及隐蔽接地闸刀合闸状态是否良好的情况下，不能保证施工人员的人身安全。

在施工中，为了施工人员的人身安全，只有将环网柜的所有间隔的进出线电缆全部停电，在进出线电缆桩头挂设工作接地线，这会导致环网柜的单一出线搭接施工变成整台环网柜的停电施工，扩大了停电范围，增加了施工时的安全措施的工作量。

针对这一现状，我们以保证施工作业人员人身的安全、缩小停电范围、减少安全措施的工作量为目的，通过对供电施工现场的调研，提出对隐蔽接地闸刀合闸时的状态进行确认的创新研究课题，这一课题填补了电力系统关于隐蔽性接地闸刀合闸时状态进行确认的科技空白，具有较高的经济效益和社会效益。

二、项目研制形式和计划

该项目实施采取合作方式，技术来源及技术资料由项目负责人提供，产品试样及产业化生产工作由江苏河马机电工程有限公司负责。

项目实施总周期为2009年3月—2009年12月。

具体研制计划如下：

1.2008年3月—5月，完成设计图纸初稿，并进行专家可行性技术论证明确项目实施目标，提出技术指标和安全指标.初步形成原理设计，与协作单位协作，作出可行性原理设计。

2.2008年6月—8月，出台正式设计图纸，购置相关的研制开发设施，进行研制工作相关准备。

3.2008年9月—11月，按照设计图纸进行程序编程、电路设计，元器件装配及整机组装，并对样机进行调试、检验。

4.2008年11月—12月，对制作成品进行实际功能测试，用户试用，检测是否符合原有设计理念及具备实用性。

三、产品主要技术简介

隐蔽接地确认器由两部分组成，一是外部的接触探头及接地尾线部分，二是内部的分析电路部分，主要由电源，小型逻辑分析电路，三是语音发生系统，发光二极管等。

对以上元器件进行合理的电气联接组合，使元器件组合后能够对被测试隐蔽接地闸刀的接地状态进行确认，在一定的接地回路阻值之内，确认器发出声和光的提示。

高效准确的测试结果，清晰明了的声光提示，准确地反应了被测试的隐蔽接地闸刀合闸后的接地状态。

产品具体情况如下：

（一）产品构造图片简介

图1、确认器样机图2、确认器检测状态

图3、确认器固定夹图4、确认器内部布局

（二）硬件设计

图5、电路设计图

该仪器的核心部分是能够实现各种功能的电路板，它采用了CYGNAL公司的C8051Fxxx型单片机C8051F005。

该系统主要包括电源电路、信号采集电路、信号放大电路、液晶驱动及显示电路、系统复位电路和C8051F005单片机系统电路（包括模数转换电路）等等。

系统各部分的详细电路如图5所示。

系统工作流程为：

信号采集电路采集被测电阻两端的电压，并经过放大电路将电压放大，输出与电阻阻值Rx成线性比的电压值U4到单片机7脚，单片机采集到电压值，送至内置的模数转换器，根据6脚基准电压VREF进行模数转换，得到数字的电压值。

此时根据Rx与U4的线性关系算出被测段的电阻，并通过LCD显示出来。

同时做出判别，如大于阀值（4Ω或者10Ω，可选择或设定），则无任何反应；如小于阀值，则指示灯亮，同时启动语音芯片发出声响提示安全接地。

1.信号采集放大电路：

图6，信号采集放大电路

由于要实现对微小电阻的测量，所以要求放大器的分辨率高（高达10μV），线性度好，输入阻抗高，并要求漂移低、抑制噪声和抗干扰能力强，为此我们设计了如图6中信号采集放大电路所示的差动放大器。

此放大器由运放A1、A2组成第一级差分式电路，A3组成第二级差分式电路，R3、R4、RW组成反馈网络,引入了深度电压串联负反馈，故有较高的输入阻抗，且A1、A2都选同相端作为输入端，则它们的共模输出电压和漂移电压也都相等，再经过A3组成的差分式电路，可以互相抵消，故它有很强的共模抑制能力和较小的输出漂移电压；A4是电压反向跟随器，其作用是使前后级隔离。

分析此电路可得下列方程：

U01=U1+（U1+U2）·R3/RW

U02=U2+（U1-U2）·R4/RW

U3=U1-[U1-R8·U2/（R6+R8）]·（R5+R7）/R5

当R5=R7、R6=R8时，上述方程化简可得：

U3=[1+（R3+R4）/RW]·（U2-U1）

从图中可知U1-U2=UX。

由此可得：

U4=[1+（R3+R4）/RW]·UX=[1+（R3+R4）/RW]·I·RX

由此可知输出电压U4与被测电阻RX成正比。

放大器的倍数由R3、R4、RW而定，由于A/D转换器的输入电压为0～3V，本仪器设置放大器的放大倍数由RW调节控制，在U4端得到0～3V的直流电压。

为了保证放大器的分辨率和稳定性，除上述电路本身优点外，集成运放A1、A2、A3选用了高精度、低噪声、低漂移的max495，反馈支路的电阻均选用高精度、低温度系数的精密电阻，此外还采取了一些屏蔽措施有效地抑制了噪声和干扰。

测试时被测电阻与测试仪器间采用四端接线法，恒流源电流经IN1输入从IN2输出，测量时用四根专用导线与被测电阻Rx连接，当被测电阻较小时，为了避免导线电阻和接触电阻的影响，四根连接导线要做到特性一致、阻抗相同，这样就可以消除导线电阻和接触电阻的影响。

2.单片机系统电路

本系统使用的是C8051F005，它具有如下特点：

●片内有多达60KB的FlashROM和2KBRAM，无需再外扩存储器；

●一个12位的A/D转换器ADC12，自带采样保持功能；

●两通道串行通讯接口，可用于异步或同步模式；

●一个模拟比较器，可实现电压比较或基准电压的输出。

ADC12是12位精度的A/D转换模块，带有采样保持功能，具有高速、通用的特点。

它有8个外部信号采样通道和4个内部通道。

由差动放大器输出的信号由通道0输入单片机，A/D转换的时钟、转换模式和参考电压源都可以由软件设置。

由于该单片机内部集成了众多的外围模块，不但使电路的设计变得简单，还可以大大缩小电路板的尺寸。

另外，在电路板上预留一个JTAG接口，再配以一个普通的PC机，就可以很方便地实现系统软件的调试和升级。

3.语音发生，二极管提示电路

设计理念：

通过声光提示，使测试人员能清晰掌握隐蔽接地闸刀合闸后的状态，确保施工人员在可靠接地保护下施工。

4、电源电路

本系统采用电池供电，利用电源稳压芯片MAX8882以及三极管提供稳压和稳流源。

这样既可以保持系统运行的稳定可靠又可便于在实验室以外的环境下使用。

5、LCD驱动及显示电路

LCD显示选用型号为SMS0501C段码显示驱动器。

该液晶显示器的接口方式为二线式串行接口，显示方式为反射式正显示，工作电压为2.7V~5.5V。

6、其他电路

除了以上几个主要的电路外，系统还有电源欠压检测电路和系统复位电路等。

电源欠压检测电路采用的是C8051F005单片机内部集成的模拟比较器来实现。

系统复位电路采用按钮复位形式，利用电容的充放电对单片机进行正确复位。

当按钮被按下时，C8051F005单片机的RST引脚即为低电平，只要这个低电平保持2个机器周期以上，单片机即可正确复位。

7、键盘电路以及下载电路：

为了以后便于硬件以及软件的升级，顾此次系统保留JTAG下载电路以及键盘电路。

（三）软件设计

本系统的软件设计采用模块化设计的方法，整个程序包括主程序、数据采集程序、数据处理程序、定时器中断程序、LCD显示程序。

所有的程序均采用C语言编写，可以很方便地调试和下载程序代码。

四、操作及使用说明：

1、将被测设备（环网柜出线间隔）停电,合上接地闸刀,打开环网柜下门

2、用合格的验电器,对设备桩头进行验电，确认桩头无电压

3、将隐蔽接地闸刀状态确认器夹在验电器的顶端,确认器的接地尾线夹在设备外壳的可靠接地上

4、对隐蔽接地闸刀状态确认器进行可靠性检查，可以按测试按钮，或将测试端与确认器的接地尾线接触，发出声光提示,表示隐蔽接地闸刀状态确认器可靠

5、将隐蔽接地闸刀状态确认器测试端对设备桩头进行测试,发出声光提示,表示设备桩头已可靠接地

6、施工人员可以在此桩头工作

五、应用前景及经济效益

由于隐蔽接地闸在电力系统中是普遍应用的，确认器不仅可以对10kV环网柜的隐蔽接地进行确认，还可以应用到GIS全密封组合电器配置的隐蔽接地闸刀接地状态的确认，以及变电所、线路检修施工时布置的安措接地的确认。

也可应用到基建、改造施工、检修调试等设备启动投运前对系统是否留有遗留接地的检查确认。

目前，在我县每年都会有近50个环网柜搭接电缆的施工，确认器的使用能更好地保护施工人员的安全，安全效益无可估量。

六、项目实施单位情况：

1、技术研制单位

海安县供电公司技术研制开发部，技术力量雄厚，拥有工程技术人员6名，其中高工1名，具有中级职称以上人员2名，技术创新能力较强，具有研制该项目的能力。

2、产业化生产单位

江苏河马机电工程有限公司是专业生产电子产品的厂家，公司生产设备先进、技术力量雄厚、检测手段齐全。

拥有日本雅马哈全自动贴片机、再流焊机、惠普频谱仪等一批先进的生产和检测设备。

具有生产隐藏性接地闸刀状态确认器的能力。

七、总结：

通过对的研制开发，使我们充分认识到只有依靠技术创新，依靠高新技术，才研制开发出技术含量高，性能优越的产品，我们将以研制该产品为契机，加大技术创新力度，研制出更多，更先进的高科技产品，服务于我们电力系统。

　海安县供电公司

二○○九年十一月