基于紅外感應的戶外電容器組地刀輔助節(jié)點裝置設計

趙曉燕，龍永平，程 旭，沈瓊妹

（廣東電網(wǎng)有限責任公司珠海供電局，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——機械式輔助開關來進行分、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采用連桿結(jié)構(gòu)，地刀進行分合閘操作時，由連桿帶動機械式輔助開關轉(zhuǎn)換位置，輸出2對常開開關接點及2對常閉開關接點，常開開關節(jié)點及常閉開關節(jié)點通過電信號上傳至站內(nèi)后臺監(jiān)控系統(tǒng)，從而實現(xiàn)地刀分合閘位置的實時監(jiān)測。由于現(xiàn)有連桿、輔助開關為室外布置，常年日曬雨淋，連桿、輔助開關容易出現(xiàn)銹蝕、卡澀，導致地刀進行分、合閘時操作困難、連桿虛位、輔助開關接點損壞等缺陷，造成地刀位置判斷不正確，從而影響電容器開關合閘，甚至影響站內(nèi)AVC 正常工作，給設備安全穩(wěn)定運行留下巨大隱患[1]，同時也大大增加了電網(wǎng)運維檢修工作人員的搶修工作量。因此，設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 裝置整體設計

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

圖1 基于紅外感應的戶外電容器組地刀輔助節(jié)點裝置整體方案

通過激光漫反射光電開關傳感器直接監(jiān)測刀閘的活動連桿位置，以及通過電感式接近開關監(jiān)測地刀分合操作手柄位置，單片機測控系統(tǒng)實時對兩個監(jiān)測點進行監(jiān)測，當兩個監(jiān)測點信號同時滿足判斷條件時，則判定地刀位置狀態(tài)，驅(qū)動繼電器輸出對應的開關接點信號至后臺系統(tǒng)。

2 裝置各模塊設計

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

2.1 激光漫反射光電開關傳感器

激光漫反射光電開關傳感器，是一種基于漫反射原理的光電接近開關。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]。當有被檢測物體遮擋時，物體將光電開關發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，光電開關即產(chǎn)生開關信號。

2.2 電感式接近開關傳感器

電感式接近開關由3 大部分組成：振蕩器、開關電路及放大輸出電路。振蕩器產(chǎn)生一個交變磁場，當金屬目標接近這一磁場并達到感應距離時，在金屬目標內(nèi)產(chǎn)生渦流，從而導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)換成開關信號，觸發(fā)驅(qū)動控制器件，從而達到非接觸檢測的目的[5]。

本裝置采用的電感式接近開關傳感器基于GC5355集成電路，內(nèi)部集成振蕩器、開關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。當被檢測的金屬目標接近這一磁場并達到感應距離時，在被檢測的金屬目標內(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)換成開關信號，觸發(fā)驅(qū)動控制器件，從而實現(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，當金屬目標接近這一磁場并達到感應距離時，在金屬目標內(nèi)產(chǎn)生渦流，從而導致振蕩衰減，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)換成開關信號，觸發(fā)驅(qū)動控制器件，從而達到非接觸檢測的目的，兩個電阻RHY1 和RDJ1，分別用于設置感應距離和回差，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)，感應前端為長5 mm的塑料端蓋、尾部為電纜出線口，整機采用環(huán)氧樹脂全灌封，具有IP68的防水等級。

圖2 電感式接近開關傳感器電路原理

2.3 單片機測控系統(tǒng)及開關信號輸入輸出模塊

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

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。透明前蓋設有防水凹槽、殼體設有防水凸沿、底部設有防水航空接頭，與外界進行電氣連接，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 裝置電路設計

如圖3 所示，電感接近開關及激光紅外漫反射光電開關經(jīng)光耦隔離器U4、U5 進行光電隔離后，將開關量輸入至單片機測控系統(tǒng)，單片機測控系統(tǒng)實時讀取開關量狀態(tài)，作一定的延時排除抖動及干擾信號后，經(jīng)邏輯運算確認后，輸出開關量至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二極管。驅(qū)動繼電器陣列動作。其中K1、K2 為常開接點繼電路接點輸出，K3、K4為常閉接點繼電器接點輸出。

圖3 基于紅外感應的戶外電容器組地刀輔助節(jié)點裝置電路

4 裝置結(jié)構(gòu)設計

裝置結(jié)構(gòu)如圖4 所示，激光紅外漫反射光電開關與單片機測控系統(tǒng)及開關信號輸入輸出模塊（測控電路板）安裝在機殼內(nèi)、通過航空插頭與外界進行電氣通訊連接，激光紅外漫反射光電開關正面與透明前蓋平行、光斑射向刀閘活動連桿。當?shù)堕l分位時，光斑被刀閘活動連桿遮擋，產(chǎn)生漫反射，光電開關輸出分位狀態(tài)，當?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，光電開關輸出合位狀態(tài)。

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

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

圖5 電感式接近開關安裝

5 裝置監(jiān)控系統(tǒng)軟件算法設計

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

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