六氟化硫密度继电器校验系统的制作方法

专利名称：六氟化硫密度继电器校验系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种继电器校验系统，尤其涉及一种六氟化硫密度继电器校验 系统。该系统能够对SF6密度继电器进行现场校验，并能对SF6密度继电器性能进行综 合评估，实现设备的检验，从而提高电力系统自动化水平及可靠性，有效预防电力系统 由于SF6密度继电器故障所引起的灾害。本实用新型属于信号处理与监测类技术领域。
背景技术：
随着科技及经济的发展，以SF6气体为灭弧介质的SF6开关及全密封组合电器 (GIS)已在电力系统中广泛使用，正在逐步取代以前的多油式、少油式、真空式断路器。 它具有体积小、重量轻、容量大、成套组装、维修量小等优点，这些都是传统断路器无 法比拟的。然而，SF6气体的泄漏及SF6气体在寒冷状态下的液化会导致设备绝缘能力的 下降，甚至造成严重事故等。因此，SF6电气设备的整体密封性能便成为SF6电气设备 的一个重要指标。这一指标通常以密度继电器或称密度控制器、密度监视器来反映。一 台密封性能良好的SF6电气设备内部产生的有毒物质含量较少、湿度较小、密度值稳定不 变。SF6密度继电器是近几年来在SF6电气设备中广泛应用的一种新型安全保护自动 装置，是一种带温度补偿的压力控制器，目前主要以机械式密度继电器为主。它的主要 作用是检测电气设备本体中SF6气体密度的变化。如果SF6气体发生泄漏或液化，密度 继电器会通过保护回路发出报警信号。如果密度进一步下降，闭锁开关将发生动作，以 保护设备、防止事故的发生。因此密度继电器的准确性和可靠性是关系到电气设备及电 网安全的重要保障，检验其工作的可靠性和准确性都是十分必要的。因为SF6密度继电 器失灵或失准造成的事故或事故隐患广泛的存在。1997年1月开始实施的电力行业标准
《电力设备预防性试验规程》也已明确要求"SF6气体密度监视器(包括整定值)、压力 表检验”在大修后、必要时或1-3年内必须进行检验。正因如此，研制高精度、使用方 便的SF6密度继电器校验仪势在必行。SF6气体中的水分含量也是SF6气体的一个重要指标。SF6气体经电弧分解后会 产生粉末状的沉淀物。这些沉淀的固体受潮后呈半导体的特性，使绝缘性能大幅下降。 曾有三台220kV的SF6断路器因SF6含水较多而导致40kA开断失败，断口间因绝缘能力 不足在恢复电压峰值附近击穿。同是这三台设备，未更新任何部件，紧紧换了干燥的气 体之后，就顺利地通过了 40kA开断实验。这说明了 SF6气体的水分含量同样严重影响 着电气设备的性能。在实际运行中，水分进入断路器设备的途径很多。例如，新充入的 SF6气体本身含有微量水分，设备部件在工作过程中吸附的水分，设备安装时从大气带入 的水分以及设备密封圈中渗入的水分等等。这些因素都可能导致SF6气体含水量超标。 运行过程中SF6断路器(GCB)在额定气压为0.3 0.5MPa时的水分体积分数允许值为 600X ΙΟ"60由此可见，SF6设备中的水分含量一般是很少的(微量的)，所以对其含水量 的测量称为微水测量。SF6气体微水量同样是SF6气体状态的重要参数。
实用新型内容本实用新型针对上述现有技术中存在的问题，经过大量的探索研究和试验总 结，提供了一种六氟化硫密度继电器校验系统，采用8位高档微处理器，对SF6密度继电 器进行现场校验，准确获得其运行参数，经过对运行参数进行相关计算及推理，判断出 SF6密度继电器是否正常工作；采用精确的传感器对相关测量值进行采集，利用的先进信 号处理技术及算法提取特征量，并结合系统信息实现智能推理及故障诊断功能；解决了 现有技术中无法对六氟化硫密度继电器进行校验的问题。本实用新型的技术方案如下由基于AVR单片机智能控制及处理单元、数据采集单元、数据存储单元、智能 控制输出单元组成；所述AVR单片机智能控制及处理单元选择了 ATMEL公司的ATmegal28单片机
作为主控制器；所述数据采集单元负责采集模拟量输出或数字量输出的传感器信号，由A/ D采样、数字I/O接口、开关量采集、模拟信号调理电路及数字信号调理电路组成； ADS7841芯片和数字I/O接口则分别采集调理后的模拟信号和数字信号；开关量采集模 块采集密度继电器的报警和闭锁信号；模拟信号调理电路对模拟量传感器输出的信号进 行调理和滤波；数字信号调理电路对数字量传感器输出的数字信号进行调理；所述数据存储单元由EEPROM存储器构成；所述智能控制输出单元包括液晶显示模块、键盘、微型打印机、驱动电路单元 和日历时钟芯片。本实用新型的工作原理如下本实用新型是在明确SF6密度继电器工作原理的基础上进行的。目前，密度继 电器主要有数字式和机械式两种，但目前，数字式密度继电器应用很少，主要以机械式 密度继电器为主。典型的机械式密度继电器如图1所示。机械式密度继电器的工作原理 为预充气室内充有额定压力的SF6气体，忽略其微量的泄漏，将该预充气室作为标准 气室。该气室通过波纹管与被检测的气室相连。如果被检测的气室发生泄漏，波纹管将 在压力差的作用下发生压缩，并通过双金属片带动微动开关给出报警或闭锁信号。控制 电路的一个重要功能就是采集闭锁或报警开关闭合时刻的管路气体压力值，因此需要解 决开关量的采集问题。根据现场校验的特点，结合微处理器技术，经过反复讨论设计出了一种新的气 路方案，该SF6气路工作原理如图2所示。校验仪采用了高精度温度、压力和湿度传感 器，由微处理器控制驱动机构实现气缸活塞的伸缩动作，从而改变密度继电器中的气体 压力。密度测试过程如下①通过SF6电气设备的充气接口连接测试仪(密度继电器与 SF6设备主气室在校验前处于断开状态)，形成连通气路；②开启气缸阀门，此时由于密 度继电器中的压力值大于连通气路中的压力值，密度继电器中的SF6气体向气缸缓慢流 动；③根据微处理器中设定的额定压力值，控制活塞运动，以达到给定压力，完成密度 继电器额定压力的设置过程；④等待一段时间后，控制活塞拉伸，使管道中的气体压力 逐渐减小，当气体压力衰减到一定程度时，校验仪的密度继电器产生报警(或闭锁)动作，在SF6气体密度继电器报警(或闭锁)动作的同时，采集相应时刻的气路压力值，将 该值进行温度转换，换算为20°C时的标准值，把该值与密度继电器报警(或闭锁)的额 定值比较即可判断继电器工作是否正常。进行湿度测试时的管路连接方法与密度测试相 同。此时，气缸阀门关闭，首先打开本体阀门和湿度管路的电磁阀，利用压力差让本体 中的气体把湿度管路中的残余气体排出，保证测量的是本体气体的湿度。然后关闭电磁 阀进行本体气体湿度的测试，即可获得湿度值。控制电路主要由液晶显示、键盘、驱动 电路、微型打印机、EEPROM数据存储、A/D采样、日历时钟、开关量采集以及电源等 模块组成，如图3所示。本实用新型的优点和有益效果如下(1)采用高性能的单片机进行检测与控制，机电一体化设计，具有结构合理、运 行稳定的气动平台，气动元件采用高性能的元件，性能稳定可靠。(2)校验过程中无需恒温室，可以在任意有效温度范围内对SF6气体密度继电
器进行校验，自动完成压力测量和20°C值转换，从而完成了压力、温度间的动态自动补 m
te ο(3)配有多种型号气路接头，方便校验仪气路的连接，校验时无需拆卸密度继电 器，可以对其进行在线校验；采用进口接口装置，保证了气路密闭性，大大提高了测量 精度；具有广泛的适用性，可以根据待校验的密度继电器参数进行设定，适用于不同型 号的密度继电器校验。(4)带有高精度时钟芯片，为测量结果提供准确的时间信息，采用可涓流充电纽 扣电池，设备上电时自动充电，无需更换电池；能同时存储32个设备的测试数据，可以 为每个设备存储35次测试结果，并具有掉电数据保护功能；具备多样化、人性化的数据 查询方式，有利于快速准确地查询所需历史数据；具有方便快捷的打印设备，可以根据 需要任意选择要打印的历史数据，数据以报表式进行打印，清晰明了。(6)系统接线简单，安装方便，占地空间小，具有高可靠、长寿命、强抗电磁干 扰功能。另外，本实用新型通过控制电路驱动步进电机旋转来带动活塞气缸运动，从而 实现密度继电器自动充气和放气，在充放气的过程中采样电路采集传感器信号，经过处 理器处理后得到闭锁和报警压力值，将该值与被测密度继电器的额定值比较即可判断密 度继电器是否工作正常，整个测试过程完全在控制电路的控制下自动进行，同时，本实 用新型集成了湿度测试的功能，可以进行气体湿度的测量；并且，自动化程度高、气密 性好、功能多样，填补了相关领域的空白。

图1为机械式密度继电器结构示意图。图2为本实用新型SF6气体密度继电器校验系统气路原理图。图3为本实用新型控制电路总体方框图。图中，1、连接被测气室管路，2、预充气室，3、金属波纹管，4、双金属片， 5、微动开关，6、密度继电器，7、湿度传感器，8、电磁阀，9、气缸阀门，10、压力传 感器，11、温度传感器，12、气缸，13、驱动机构。
具体实施方式
参照附图，结合具体实施例，对本实用新型的结构具体描述如下。实施例本实用新型为一种SF6密度继电器校验系统，其主要由基于AVR单片机智能控 制及处理单元、数据采集单元、数据存储单元、智能控制输出单元组成。校验方法由密 度测试、湿度测量、系统时间设定和数据查询几个部分组成。所述AVR单片机智能控制及处理单元选择了 ATMEL公司的ATmegal28单片机 作为主控制器，ATmegal28单片机是整个控制电路的核心。ATmegal28单片机是ATMEL 公司的8位高档微处理器，它基于AVR RISC结构和Harward体系，具有高性能、低功耗 的特点。ATmegal28单片机内自带128K bytes的FLASH和4K的eeprom，同时自带SPI、 TWI(I2C)等接口，这些资源为系统硬件带来了很大的方便，减少了外围电路的设计，节 约了硬件成本。利用ATmegal28单片机内的8位或16位定时器，可以很好地完成对步 进电机地控制。所述数据采集单元是由A/D采样、数字I/O接口、开关量采集、模拟信号调理 电路及数字信号调理电路组成，负责采集模拟量输出或数字量输出的传感器信号。模拟 信号调理电路对模拟量传感器输出的信号进行调理和滤波；数字信号调理电路对数字量 传感器输出的数字信号进行调理。ADS7841芯片和数字I/O接口则分别采集调理后的 模拟信号和数字信号。A/D采样电路主要是采集压力和湿度传感器输出的信号。由于 仅需采集两路信号，且单片机剩余引脚有限，因此选用了 4路串行AD芯片ADS7841， ADS7841采用同步串行接口，与单片机仅有5个引脚相连，当200kHz吞吐速率时12位 ADS7841的典型功耗为2mW，转换时间小于1.6ms，ADS7841的通道0和通道1分别 采集湿度和压力传感器的信号，AD S7841参考电压为5V。由于湿度和压力传感器均为 4-20mA电流输出，因此分别连接了 250 Ω的采样电阻进行采样。开关量采集模块采集密 度继电器的报警和闭锁信号，开关量的采集采用光耦TLP521-4来实现，TLP521-4内含 四路光电耦合电路，可以通过判断其输出引脚的电平高低采集开关量信息。系统所用传 感器包括CERALINE-S压力变送器、DMT142露点变送器即湿度传感器。温度的采集使 用DS1620芯片，DS1620芯片是美国Dallas公司生产的新型温度敏感器件，它以数字量输 出温度测量值，具有测量范围宽、传输距离远、温度可靠等特点，可以很方便地以串行 方式与PC机或单片机连接，组成智能温度测量仪或智能温度检测系统。DS1620通过高 温系数振荡器控制低温系数振荡器的脉冲个数来实现被测温度的数字量出。首先，温度 寄存器和计数器预置_55°C的基准值，若温度寄存器与计数器在脉冲周期结束之前为0， 则温度寄存器增数，直至温度寄存器中的数值为被测温度值，DS1620芯片与单片机通过 数据、时钟和复位三线完成通讯。所述数据存储单元由EEPROM存储器构成。数据存储功能是将用户的测试数据 进行保存便于用户后续的查询，因此设计中选用了 24LC512作为外部EEPROM芯片，该 芯片容量为512千位，即64K，24LC512为单电源供电，工作电压低至1.8V，采用低功耗 CMOS技术，典型工作电流为1mA，典型待机电流为1 μ A，工业级温度。24LC512具 有写保护功能，读写次数高达1000000次，4LC512采用I2C总线通信，具有单字节写入、整页写入、单字节读取、整页读取等多种读写模式，写操作时间小于5ms，读单字节操 作时间经实际使用测试一般在几十微秒。应用中用单片机的I/O端口模拟I2C总线时序 与24LC512芯片进行通信，完成读写操作。所述智能控制输出单元包括液晶显示、键盘、微型打印机和驱动电路单元。液 晶模块选用点阵为240*128、控制器为T6963C的液晶模块，该液晶模块自带负压生成电 路，因此不用额外设计负压生成电路。T6963C液晶显示器控制器多用于中小规模的液晶 显示器件，常被装配在图形液晶显示模块上，以内藏控制器型图形液晶显示模块的形式 出现。键盘设计采用了 4行4列的矩阵式键盘，键盘8个引脚分别通过限流电阻与单片 机的I/O端口相连。键盘是同仪器面板的面膜一同设计。各个按键的含义如下0 9 位数字键，同时2、8、4、6分别具有上、下、左、右选择菜单的功能；ENT键即Enter 键，表示确认，ESC键表示退出，PRT键表示打印；此外还具有光标左移位和右移位 键，以及关闭蜂鸣器的静音键。为了便于用户将测试记录输出保存，设计了微型打印机 模块。微型打印机选取了沈阳新荣达电子有限公司的RD-E型热敏微型打印机。该微型 打印机专为仪器仪表面板安装打印机而设计，采用独特的面板式嵌入结构，可将整个打 印机固定在仪表面板上。换纸方式为前面板换纸，十分方便。其中，E型为超薄紧凑设 计，面板安装开孔尺寸仅为76mmX 76mm，深度仅45mm，可容纳直径为33mm的打印纸 卷。控制板为防尘设计安装，采用原装进口打印头，有效确保打印效果与打印机的使用 寿命。RD-E微型打印机同时具有并口和串口通讯功能，并行接口与CENTRONICS标准 兼容，接口连接器选用26线双排针插座；串行接口与RS-232C标准兼容或TTL电平， 接口连接器选用DB-9孔座或5线单排针型插座。打印控制命令与IBM和EPSON打印 机兼容。在应用中采用串口 TTL电平通讯方式，即用单片机的串口 1与微型打印机直接 连接，采用TTL电平进行通讯。在使用前，首先利用随机字模生成软件生成所需汉字的 字模，然后通过并口线下在到微型打印机中。系统的驱动电路部分由步进电机驱动电路和电磁阀驱动电路组成。为了使气路 气压在测试过程中缓慢改变，步进电机处在低转速的工作状态。由于步进电机在低速运 行时存在较大振动和噪声，因此必须有专门的细分电路来改善步进电机低频性能。步进 电机的选择与本实用新型机械平台的设计密切相关，本实用新型机械平台采用步进电机 经减速器带动滚珠丝杠，滚珠丝杠驱动滑块运动从而将圆周运动转换为直线运动，由于 滑块与气缸的活塞端连接，滑块的直线运动就转换为气缸活塞的直线运动。本实用新型 所选电机为合利时公司的56BYG25C-SASSBL-0241型号两相混合式步进电机，该型号电 机静态相电流为2.4A，保持转矩1.04N，重量0.6Kg，并选购了与该电机配套的SH-20403 两相混合式步进电机细分驱动器，该驱动器为IOV 40V直流供电，H桥双极恒流驱 动，最大输出电流3A，最大64细分的七种可选细分模式；控制方面，利用单片机的计数 器0产生PWM波，将该信号输入到驱动器的脉冲输入端，同时将单片机的PC2 口与驱动 器的方向控制端相连，当PC2输出高电平时电机正转，当PC2输出低电平时电机反转。 气路电磁阀选用常闭型直流24V两位三通电磁阀。由于单片机I/O端口的电流驱动能力 有限，故需要选择额外的驱动芯片来驱动电磁阀。在设计中选用了 ULN2003作为电磁阀 驱动芯片，ULN2003是ST公司生产的高电压、大电流驱动芯片，内有七个硅NPN达林 顿管组成的高耐压、大电流达林顿阵列，ULN2003的每一对达林顿管都串联一个2.7K的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，每路的电流额定值为 500mA，峰值可达600mA，同时ULN2003内部含有续流二极管，可以直接驱动继电器。日历时钟芯片是电话、便携式仪器以及电池供电的仪器仪表中应用比较广泛的 器件，随着集成技术的发展，各种高精度、低功耗、低成本、可编程的时钟/日历芯片 不断推出，使得各种12C总线通讯更加简洁，可靠性更高。PCF8563与外围电路的连线 简单，包括内部振荡器的输入输出端，一个中断输出端，一个串行数据端(SDA)，一个 串行时钟输人端(SCL)以及输出时钟端(CLKOUT)。片内内部时钟有4种报警功能，内 部含有低压检测并进行可编程时钟输出。PCF8563的主要特性如下四种报警功能和定 时器功能；40KHzI2C总线；内部含有复位电路，振荡器电路和内部低压检测电路；具 有中断输出和可编成时钟输出；超低功耗和宽电压范围，可在1.0V和5.5V电压下工作。电源模块的设计主要考虑供电电压及驱动能力。首先从供电电压方面来看，传 感器、电机驱动器、电磁阀等器件要求24V供电，其它芯片均为5V供电。从驱动能力 上分析，电机驱动和微型打印机所需的驱动电流最大。其中，电机驱动所需相电流为 2.4A，微型打印机的驱动电流一般在1.5A左右，其工作电压为5V。据此选择了 24V和 5V的开关电源模块，其中24V电源的电流可达4A，5V电源的电流可达3A，足以满足需 要。在电源输入端增加了 0.1 μ和47 μ的电容以进行滤波。
权利要求1.一种六氟化硫密度继电器校验系统，其特征在于包括下述结构，由基于AVR单片机智能控制及处理单元、数据采集单元、数据存储单元、智能控制 输出单元组成；基于AVR单片机智能控制及处理单元控制数据采集单元采集数据，并将 采集的数据存入数据存储单元，数据存储完毕后，基于AVR单片机智能控制及处理单元 调用数据存储单元的数据进行处理及智能推理，并将智能推理结果输出至智能控制输出 单元；所述AVR单片机智能控制及处理单元选择了 ATMEL公司的ATmegal28单片机作为主控制器；所述数据采集单元负责采集模拟量输出或数字量输出的传感器信号，由数字模拟转 换器、数字输入输出接口、开关量采集、模拟信号调理电路及数字信号调理电路组成； 数字模拟转换器、数字输入输出接口则分别采集调理后的模拟信号和数字信号；开关量 采集模块采集密度继电器的报警和闭锁信号；模拟信号调理电路对模拟量传感器输出的 信号进行调理和滤波；数字信号调理电路对数字量传感器输出的数字信号进行调理；所述数据存储单元由EEPROM存储器构成；所述智能控制输出单元包括液晶显示模块、键盘、微型打印机、驱动电路单元和日 历时钟模块。
2.根据权利要求1所述的六氟化硫密度继电器校验系统，其特征在于所述数据采集单 元中，开关量的采集采用光耦TLP521-4来实现，温度的采集使用DS1620芯片，DS1620 芯片通过高温系数振荡器控制低温系数振荡器的脉冲个数来实现被测温度的数字量出， DS1620芯片与单片机通过数据、时钟和复位三线完成通讯；数字量传感器输出信号经过数字信号调理电路实现电平转换，并将结果输出至数字 输入输出接口；数字模拟转换器为4路12位精度的模数转换芯片，通过输入输出接口与 微控制器相连；模拟量传感器输出信号经过模拟信号调理电路进行信号调理和滤波，并 将结果输出至数字模拟转换器进行电压转换；模拟量采集和数字量采集同时进行，模拟 量数据采集是传感器调理后的模拟信号，数字量数据采集是传感器调理后的数字信号， 上述数字信号调理电路包括光藕、贴片电阻、退耦电容、滤波电容及普通稳压二极管； 上述模拟信号调理电路包括贴片电阻、取样电阻、退耦电容、滤波电容、频率补偿电容 及电压跟随器。
3.根据权利要求1所述的六氟化硫密度继电器校验系统，其特征在于所述智能控制 输出单元中，所述液晶显示模块选用点阵为240*128、控制器为T6963C的液晶模块，液 晶显示模块自带负压生成电路；所述键盘采用4行4列的矩阵式键盘，键盘8个引脚分 别通过限流电阻与ATmegal28单片机的输入输出端口相连；所述微型打印机同时具有并 行接口和串行接口通讯功能，并行接口与CENTRONICS标准兼容，并行接口连接器选用 26线双排针插座；串行接口与RS-232C标准兼容或TTL电平；打印控制命令与IBM和 EPSON打印机兼容；驱动电路单元由步进电机驱动电路和电磁阀驱动电路组成；日历时 钟模块选用PCF8563芯片。
4.根据权利要求3所述的六氟化硫密度继电器校验系统，其特征在于所述的驱动电路 单元中，步进电机经减速器带动滚珠丝杠，滚珠丝杠驱动滑块运动。
5.根据权利要求1所述的六氟化硫密度继电器校验系统，其特征在于设有电源模块，电源模块选择24V和5V的开关电源模块，传感器、电机驱动器、电磁阀器件用24V供 电，其它芯片均为5V供电。
专利摘要本实用新型涉及一种六氟化硫密度继电器校验系统及校验方法，包括基于AVR单片机的智能控制及处理单元、数据采集单元、数据存储单元、智能控制输出单元，以微控制器为核心，具有人机交互、AD采样、数据存储、温度测量、电机驱动等硬件模块。本实用新型具有人性化的人机交互系统，用户使用方便自动化程度高、气密性好、功能多样，填补了相关领域的空白。
文档编号G01N25/66GK201796123SQ20102052283
公开日2011年4月13日 申请日期2010年9月9日 优先权日2010年9月9日
发明者刘国斌, 张传久, 张华 , 李娜, 荆建章, 董军 申请人:辽宁省电力有限公司抚顺供电公司