智能非接觸式高壓驗電器的開發

蔡歡歡

CAI Huan-huan

（廣西工商職業技術學院，南寧 530003）

0 引言

驗電器是電力檢修工作中一個常用的必不可少的設備。傳統接觸式驗電器在使用過程中需要接觸被測線路，操作不方便，存在一定的安全隱患，因此，近年來，非接觸式驗電器得到了廣泛的應用，文獻[1～3]就非接觸式驗電器的開發和改進做了很多工作，并取得了很大的成效，也得到了很大的推廣和應用。

但隨著時代的發展以及新的客觀條件的變化，市場對驗電器的功能和使用便利性上提出了新的要求。本將文以市場需求為出發點，開發一套功能強大，使用方便安全，適用于高壓和超高壓等不同場合的驗電器。

1 系統功能及總體結構

1.1 普通非接觸式驗電器缺陷

文獻[1～3]中設計的驗電器雖然已經批量生產并投入使用，但在性能和功能上尚存有不足之處。

1）信號受天氣變化影響大，雨天信號弱，出現了誤報現象，系統沒有從根本上解決這個問題。

2）對干擾信號處理能力不強，當有機車通過時，判斷有電和無電的指示燈連續跳動的現象仍然存在，需改進設計，提高抗干擾能力。

3）測量量程單一。由于前文中驗電器僅針對于鐵路線路設計，僅能用于鐵路上，然而，電力上對非接觸式驗電器的需求更廣泛。

1.2 智能驗電器功能簡介

根據原驗電器運行過程中出現的問題，對新型智能驗電器的性能和功能方面進行改進。

1）引入濕度傳感技術，根據天氣變化自動處理信號衰減所帶來的影響，提高系統可靠性。

2）在軟件系統中加入抗干擾算法，徹底解決系統指示燈連續跳變現象。

3）引入多量程測量技術，系統設置了高壓測量、標準測量和低壓測量，分別適用于測量超高壓線路(100KV及以上)、高壓線路(10KV-100KV)和低壓線路(10KV及以下)。

4）自檢。每次開機系統強制自檢，確保安全。

1.3 智能驗電器總體結構

新型智能驗電器系統框架結構如圖1所示。系統由CPU、前端信號調理電路、人機接口（鍵盤、液晶顯示、語音提示和指示燈等）、自檢電路、濕度傳感電路和時鐘電路等組成。

本系統以凌陽SPE61A單片機作為控制核心。開機后系統自動進行自檢，自檢未通過則停止工作，同時顯示提示語音和文字。電壓傳感器監測高壓線附近電場，將電場信號轉化為電壓信號后送往信號處理電路，信號處理電路將該模擬信號轉換成直流的有電、無電的狀態信號送往單片機。單片機將接收到的信號進行識別，發出有電或無電信號到語音模塊、指示模塊和信號傳送模塊。語音模塊收到信號后發出有電或無電語音提示；指示模塊收到信號后發出有電或無電指示。鍵盤中設有量程轉換鍵、手動自檢鍵和時間調整鍵。

圖1 智能驗電器硬件框架圖

圖2 信號處理電路

圖3 自檢電路

2 智能驗電器硬件系統

系統中，電壓傳感、液晶顯示、語音模塊和指示燈等模塊設計參看文獻[3]。本文主要從信號處理、自檢脈沖、數據采樣、溫度傳感和鍵盤等模塊進行硬件介紹。

2.1 信號處理

信號處理電路結構如圖2所示。工頻交流信號經跟隨電路后進行濾波，然后整流成直流信號，由減法電路減除臨線干擾信號，經采樣后送入中央處理器。

由于傳感器信號負載能力弱，在電路前端設計了跟隨電路，提高電路信號讀取能力。濾波電路采用一階巴特沃斯低通濾波器設計，濾除電路中各種高頻噪聲。

2.2 自檢電路

自檢電路采用文氏電橋振蕩電路設計，如圖3所示。電路發生正弦信號，通過MOS管接入信號處理單元，MOS管柵極由CPU控制。自檢過程中，CPU發出高電平信號，MOS管導通，交流信號輸入信號處理模塊，處理后的信號送入CPU，若CPU接收到有電信號，則自檢通過，否則發出設備故障信號。

2.3 數據采樣

送入A/D轉換器(數據采樣)中的電壓典型值為2V，即在3米的測量距離中，測試30KV線路時，送入A/D轉換器中的電壓為2V，并且，系統判定被測線路為有電狀態。

2.4 濕度傳感

濕度傳感器用于監測天氣情況，將監測結果送入CPU，監測結果分為兩類，晴天和雨天，晴天發送高電平信號，雨天發送低電平信號，CPU根據傳感器監測結果切換到相應的模式下工作。

2.5 鍵盤

系統共設置5個鍵盤，采用共陽極開關鍵盤設計，分別為設置鍵、手動自檢鍵、方向鍵（向上、向下）和確認鍵。設置鍵開啟系統中斷，進入鍵盤設置，系統按照時間-日期-檢測模式的順序進行設置。每設置完一個模塊進入下一個模塊，直到按下設置鍵后中斷返回。

3 智能驗電器軟件系統

系統軟件流程圖如圖4所示。系統啟動后首先進行自檢，以確保系統的可靠性。自檢通過后系統進行初始化，先初始化到有電狀態并將該信號端口中的指示模塊中顯示結果，調用語音子程序輸出語音提示信息[3]，自檢未通過則系統停止工作。初始化完成后讀取傳感器信號，并將信號保存。濕度傳感器只送兩個狀態信號：晴天或雨天，系統讀取信號后。接下來，系統將讀取數據采集模塊送來的信號，并將信號保存，通過信號處理模塊處理后輸出。輸出模塊同文獻[3]。

3.1 信號處理

信號處理結構圖如圖6所示，系統讀取傳感器送來的天氣信號，對信號進行處理。如果是晴天，信號傳送能力較強，系統直接讀取端口信號進行處理，即晴天模式；如果是雨天，系統將信號放大3倍后再進行處理，即雨天模式。

3.1.1 測量模式

圖4 系統軟件流程圖

圖5 自檢原理圖

圖6 信號處理結構圖

測量模式有3種：高壓（100KV以上）測量、標準（10-100KV）測量和低壓（10KV以下）測量。在電力線路檢測過程中，當電壓在300KV時，傳感器探頭在3米距離測量到的電壓高達200V左右，因此，需要將信號進行衰減至5%才能測量，而當電壓低于3KV時，傳感器探頭在3米距離測量到的電壓為0.3V左右，因此需要將信號進行放大10倍才能測量。而在標準高壓時，取50KV，傳感器探頭在3米距離測量到的電壓為5V左右，因此不需做任何處理，直接測量。

圖7 中斷設置圖

3.1.2 抗干擾

文獻[1]中驗電器存在著抗干擾性差的問題：當電力機車通過測量點時偶爾會出現驗電器系統連續跳變現象，即在有電和無電之間不停跳變，影響了驗電器的正常使用。本系統將從軟件上實現這個問題。

系統讀取采樣器信號后將信號轉換成有電、無電狀態信號，但并不直接輸出，而是延時0.5秒后再次讀取采樣器信號，然后再轉換成有電、無電狀態信號，將兩次狀態信號進行對比，只有兩次狀態信號一致時系統才將新的狀態與原狀態對比，若新狀態與原狀態相同，保持原狀態，系統返回，繼續讀取采樣信號；若新狀態與原狀態不同，系統輸出新的狀態。

3.2 自檢

自檢原理圖如圖5所示。自檢開始后，CPU發出高電平，圖3電路通過MOS管導通，接入驗電器信號處理端，系統延時3秒，以保證信號能夠順利通過信號處理電路。系統讀取輸入端口信號，并轉換成狀態信號，如果是有電狀態則自檢成功，系統可以進入下一步工作，否則自檢失敗，系統停止工作。

手動自檢與自檢不同之處在于，手動自檢通過鍵盤向CPU發送手動自檢信號，收到自檢信號后系統中斷，進行自檢。

3.3 鍵盤設置

鍵盤的設置采用中斷的方式來進行，如圖6所示。設置鍵啟動中斷，中斷響應后先進行時間設置：按時-分-秒的順序設置；設置完時間后自動進入日期設置：按年-月-日順序設置，最后進入模式設置：選擇高壓模式、標準模式或低壓模式。所有設置完成后，通過確認鍵中斷返回。

4 結論

本系統較文獻[3]中驗電器在性能上有了較大突破，具體如下。

1）系統開機強制自檢，自檢通過后系統才能工作，提高了系統工作的可靠性。

2）抗干擾能力有了較大提高。通過實驗驗證，當系統輸入信號幅值在臨界點來回波動時，若頻率高于2HZ，即信號在新的狀態下不能保持0.5秒以上，系統認將該信號判定為干擾信號，保持原來狀態，較好地解決了抗干擾問題。

3）設置了多種模式下的測量功能。本系統設置了高壓測量、標準測量和低壓測量，能較好地滿足超高壓電力線路、鐵路線路和城市次高壓線路的測量需要。

4）引入了晴天和雨天測量模式。由于天氣對信號傳輸的影響較大，本系統引入了濕度參數。根據現場測量數據，分析發現，晴天、多云或陰天，信號傳輸基本不受影響，但下雨天氣對信號影響較大，系統接收到的信號強度大約衰減至晴天時的1/3。

5 結束語

文章根據非接觸式驗電器在實際應用中存在的問題進行了改進和完善，使其在性能和可靠性上有了較大的提高。本系統通過軟件的方法解決了驗電器在信號不穩定時存在的跳變問題。

[1]蔡歡歡, 毛明星, 蘇波等. 非接觸式高壓驗電器的開發[J].今日電子, 2007. 12.

[2]蔡歡歡, 付光, 林芳. 非接觸式高壓驗電器的改進[J].今日電子, 2008. 6.

[3]侯媛彬, 袁益民, 霍漢平, 等. 凌陽單片機原理及其畢業設計精選[M]. 北京: 科學出版社, 2006.

[4]蔡歡歡. 基于SPE61A單片機的非接觸式高壓驗電器的開發[J]. 今日電子, 2008. 10.

[5]李靖, 王克英. 基于AVR單片機的多功能電能表的設計與實現[J]. 電測與儀表, 2012. 3.

[6]于龍梅, 懷新江, 徐洪久等地面驗電器的研制[J]. 東北業林大學學報, 1988. 10.