接線檢測自動識別技術在互感器仿真培訓裝置中的應用

鄒 靜，徐耘英，王 濤

（武漢電力職業(yè)技術學院，武漢 洪山 430070）

電力互感器是一個重要的高壓設備，廣泛應用于電力設備的測量、保護和電能計量，直接關系到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定經(jīng)濟運行?；ジ衅鳈z測是電力生產(chǎn)中一項重要工作，是電力行業(yè)電能表修校工、裝表接電工、用電檢查員、計量檢驗檢測工、電測儀表工、電力負荷控制員等工種必須掌握的技能，也是相關工種的職業(yè)技能鑒定項目。

由于現(xiàn)場互感器型式多樣，測試現(xiàn)場環(huán)境復雜，測試內(nèi)容多，需要多種測試設備，接線復雜，且高壓環(huán)境安全風險大，容易造成人員傷害和設備損害，為了提高檢測人員的技能水平，須對專業(yè)人員做嚴格、專業(yè)和大量的培訓。目前互感器檢測培訓中接線檢測主要依靠人工，工作效率低下，容易出現(xiàn)錯誤，理論教學中實用性不強。在真實設備實操訓練中存在安全隱患，測試環(huán)境單一，不能模擬多種工況下的故障方式，且難以開展多人同時訓練，存在完整性、針對性不強，培訓效率低等問題。

本項目致力于解決以上問題，開發(fā)一套帶接線檢測自動識別技術互感器檢測仿真培訓裝置[1]，該裝置依據(jù)國家電網(wǎng)有限公司互感器檢測作業(yè)標準和職業(yè)院校電力系統(tǒng)職業(yè)技能等級標準進行設計研發(fā)，覆蓋互感器檢測全部內(nèi)容，且能靈活設置各種故障工作狀態(tài)，能夠對學員接線情況進行接線檢測自動識別，可以切實提高學生的理論知識水平以及專業(yè)實踐操作水平。本項目的實現(xiàn)可以為互感器檢測技能的學習提供一個安全可靠、功能完備、高效靈活的實操訓練平臺。

1 接線檢測自動識別整體原理介紹

傳統(tǒng)互感器現(xiàn)場檢測實操訓練中，實現(xiàn)接線檢測普遍方式是讓學員先將測試線接好，專業(yè)的操作員再進行現(xiàn)場檢查，這種方法培訓效率低、人工成本高，而且對設備和人身都存在一定的危險性。本項目重點研究一種接線檢測自動識別技術，檢測方法主要通過高低不同的電壓信號來識別判斷接線動作。在此處對電壓的精度要求并不是很高，所以采用簡單經(jīng)濟的齊納二極管來輸出不同的電壓信號。接線檢測實現(xiàn)原理圖如圖1所示。穩(wěn)壓管輸出的電壓信號須要經(jīng)過抖動處理來提高信號檢測的準確性。檢測模塊讀取電壓信號傳入CPU，CPU進行區(qū)域值判斷，處理后傳遞給互感器仿真培訓，互感器仿真培訓軟件根據(jù)不同的電壓信號實時繪制出各個接線端子對應的連接導線。從而實現(xiàn)對學員的接線情況實時分析判斷，該軟件能夠靈活的設置各種故障狀態(tài)，對互感器檢測操作進行實時監(jiān)測。

圖1 接線檢測實現(xiàn)原理圖

2 電路設計

2.1 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓范圍

穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓都是在理想狀態(tài)下的值，但實際真實穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓會在一定范圍波動，本次設計采用的穩(wěn)壓管型號為SMA2Z系列，芯片手冊部分系列型號如圖2所示，選取SMA2Z3.3A、SMA2Z4.3A、SMA2Z5.6A這3個型號的穩(wěn)壓管計算穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓精度，數(shù)據(jù)對比表如表1所示，由表格可以看出，穩(wěn)壓管精度在5%以內(nèi)。根據(jù)穩(wěn)壓管的精度來確定CPU域值判斷的合理區(qū)間，來實現(xiàn)接線檢測的精準識別。

表1 穩(wěn)壓值對比表

圖2 穩(wěn)壓管數(shù)據(jù)手冊

2.2 限流電阻選擇

對于限流電阻的阻值選擇過小會導致穩(wěn)壓管電流過大損壞，過大會導致穩(wěn)壓管位于反向截止區(qū)而不能進入穩(wěn)壓工作狀態(tài)。所以這個限流電阻就會存在一個上限值和一個下限值，導致穩(wěn)壓管分別工作于最小和最大電流2種極限狀態(tài)。在此設計電路中，負載電阻和電源電壓的影響忽略不計。輸入電源電壓24 V ，穩(wěn)壓管型號SMA2Z10A，計算出合理的限流電阻值：

同時為了使穩(wěn)壓效果更穩(wěn)定，應使穩(wěn)壓管工作在中度偏深的擊穿狀態(tài)，選擇輸入電壓值是2～3倍的穩(wěn)定電壓值，即Uin=(2～3)Uz，如果選擇的輸入的電壓偏小，穩(wěn)壓管會處在淺度擊穿狀態(tài)，穩(wěn)壓效果不好。

2.3 多路ADC采集設計

根據(jù)對互感器接線原理圖的分析，電壓互感器或者電流互感器測試要連接多根導線進行試驗（情況最多為13根）。根據(jù)需求要設計多路ADC來采集多種不同的電壓值。我們采用STM32F103RBT6來完成多路電壓信號采集電路的設計[2]，通過數(shù)據(jù)手冊可知該芯片單個ADC測量通道多達16個，此單片機內(nèi)置12位的A/D轉換器，當多路電壓信號由多路轉換器進入單片機后，即可對多路電壓信號進行A/D轉換和數(shù)據(jù)處理[3]，完成數(shù)據(jù)采集，如圖3所示。

圖3 STM32采集電路設計原理圖

為了保護單片機引腳，設計了隔離電路，采用LM324四通道運放來做電壓跟隨器。

3 實際應用

可用于專業(yè)教學：互感器檢測實訓課程已列入相關電力院校“發(fā)電廠及電力系統(tǒng)”專業(yè)人才培養(yǎng)方案中，本項目開發(fā)的帶接線檢測自動識別技術互感器檢測仿真培訓裝置將應用于學生實訓。

可用于學生競賽：全國電力職業(yè)教育教學指導委員會已開展全國職業(yè)教育技能大賽互感器檢測項目，本項目開發(fā)的帶接線檢測自動識別技術互感器檢測仿真培訓裝置將應用于學生技能大賽和師資培訓中。

可用于“1 +X”職業(yè)資格證書取得：帶接線檢測自動識別技術互感器檢測仿真培訓裝置是依據(jù)國家電網(wǎng)有限公司互感器檢測作業(yè)標準和職業(yè)院校電力系統(tǒng)職業(yè)技能等級標準而研發(fā)的實訓裝置，為職業(yè)院校學生的培訓和鑒定提供了有力支撐，可以幫助在校學生取得電力營銷服務、變配電運維檢修等專業(yè)“1 +X”職業(yè)資格證書。

可用于職工培訓、崗位練兵、競賽比武、職業(yè)技能鑒定：可廣泛應用于職工培訓、崗位練兵和競賽比武以及中電聯(lián)電能表修校工、裝表接電工等工種職業(yè)技能鑒定工作。