張國軍，任 榮

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，遼寧葫蘆島 125105)

0 引言

對于煤礦，電力電纜大量的使用在照明和生產(chǎn)機(jī)械電器設(shè)備所使用的輸電線路上，一旦電力電纜發(fā)生接地、短路故障后，如果不及時排除，會引起爆炸，給礦井的生產(chǎn)造成極大的問題，因此，快速、有效地檢測電纜故障并進(jìn)行故障定位顯得尤為重要。目前國外，已有一些電纜定位的產(chǎn)品，但這些產(chǎn)品價(jià)格昂貴，給企業(yè)帶來很大的成本壓力[1]。而國內(nèi)市場上現(xiàn)有的電纜故障定位儀品種較多，但均顯笨、大、繁，操作不方便[2]。因此，文中研制了一種攜帶方便、智能化程度高及檢測準(zhǔn)確的電纜故障定位儀。采用新型的阻抗定位法，該方法消除了故障電阻對測量精度的影響和故障電纜的長度的限制，A/D轉(zhuǎn)換芯片采用24位的LTC2411-1MS，而且該定位儀適用于各種采煤方式的煤礦，包括露天與井下煤礦，裝置電流小，安全、穩(wěn)定、可靠，相比于當(dāng)前類似產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了更精確的故障定位，而且不會在高瓦斯環(huán)境下造成安全隱患。

1 工作原理

礦用電纜精確定位儀有自動定位的功能，將健全相始端和故障相始端、健全相末端和接地線末端以及故障相末端和接地線末端分別短接，然后分別與儀器檢測觸點(diǎn)相連接，用戶將電纜長度L、橫截面積S、電纜材料等各項(xiàng)數(shù)據(jù)通過鍵盤輸入到儀器中，按下確定鍵，儀器便開始自動定位，定位結(jié)束后，將其測量值在顯示器上顯示，即可知道故障點(diǎn)位置。由于需要對外輸出直流電流信號，而且要求高精度的信號輸出，故以AVR Atmega16單片機(jī)作為定位儀的核心，考慮到保證系統(tǒng)的精度要求，采用24位的LTC2411采樣芯片為系統(tǒng)的A/D組成部件，顯示采用串行輸入控制的LCD5110，鍵盤由6功能鍵構(gòu)成。

(1)

根據(jù)式(1)，便可確定故障點(diǎn)位置。

2 定位儀硬件電路設(shè)計(jì)

礦井電纜精確定位儀的硬件基本框圖如圖1所示，主要包括電源模塊、電流檢測模塊，A/D轉(zhuǎn)換電路，LCD顯示電路，按鍵選擇電路等功能模塊?，F(xiàn)場被測電流信號首先經(jīng)過采樣和處理，然后該信號經(jīng)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換和單片機(jī)的處理得到與之對應(yīng)的電壓數(shù)據(jù)，最后該數(shù)據(jù)通過單片機(jī)分析計(jì)算，通過液晶顯示。

圖1 定位儀硬件結(jié)構(gòu)框圖

2．1電源模塊

在電源模塊的設(shè)計(jì)中，充分考慮了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性問題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多個獨(dú)立電源，分別為單片機(jī)系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)等供電。將數(shù)字地與模擬地分開設(shè)計(jì)，并通過0 Ω電阻單點(diǎn)連接。圖2為基準(zhǔn)穩(wěn)壓電源，給AD芯片提供穩(wěn)定的參考電壓，該參考電壓的精確度對系統(tǒng)的精度有很大的影響。

圖2 基準(zhǔn)穩(wěn)壓電源

2．2電流檢測模塊

電流檢測模塊包括參考電壓選取電路，電壓跟隨電路，低通濾波電路，AD轉(zhuǎn)換電路。根據(jù)負(fù)載的大小的變化，改變AD參考電壓選取范圍，可有效提高轉(zhuǎn)換精度。

參考電壓選取電路核心器件是TS3A5017雙通道4路模擬選擇開關(guān)，數(shù)字輸入端IN1和IN2決定通道的選取，EN1和EN2為各通道的使能引腳。2通道的公共端連接電壓基準(zhǔn)2.500 V，另外4個引腳分別連接4個不同阻值電阻200 Ω，2 kΩ，20 kΩ和200 kΩ，電阻末端連接一起作為AD轉(zhuǎn)換電路參考電壓負(fù)極。1通道的4路引腳和2通道4路引腳對應(yīng)相連，公共端輸入?yún)⒖茧妷旱恼龢O。該電路與后級電路共同決定參考電壓值，選取不同通道，參考電壓不同，如圖3所示。

圖3 參考電壓選取電路

為提高電壓采樣輸入阻抗和后級輸出能力，采用通用運(yùn)算放大器LM324構(gòu)成的電壓跟隨電路。

有源低通濾波器采用壓控正反饋型結(jié)構(gòu)，由運(yùn)放LM324和若干電阻電容組成，電阻電容參數(shù)按切比雪夫公式計(jì)算得出。切比雪夫?yàn)V波器具有陡峭衰減特性，能夠有效濾除現(xiàn)場電磁擾動產(chǎn)生的高次諧波，階數(shù)越高截頻特性越好。設(shè)計(jì)中，有效信號為直流信號，可以把截止頻率設(shè)定很低，煤礦井下均是工頻的奇次諧波，故低通截止頻率設(shè)定10 Hz，采用二階切比雪夫?yàn)V波器，如圖4所示。

圖4 切比雪夫低通濾波器

AD轉(zhuǎn)換電路由具有超高精度的LTC2411-1MS構(gòu)成，有效精度達(dá)24位。+5 V供電，參考電壓采用差模輸入，參考電壓正極(REF+)至少大于參考電壓負(fù)極(REF-)0.1 V以上。模擬信號也采用差模輸入，模數(shù)轉(zhuǎn)換范圍在-0.5 Vref和+0.5 Vref之間。內(nèi)置17.5 kHz時鐘，F(xiàn)O引腳接地時，其轉(zhuǎn)換周期是146.71 ms．FO引腳可外接時鐘脈沖，此時轉(zhuǎn)換周期是20510與外接時鐘頻率(按kHz計(jì)算)的比值。LTC2411-1MS數(shù)字輸出端口采用三線串行傳輸，單片機(jī)通過SPI總線讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)2 Mbits/s．高精度A/D轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

圖5 高精度AD轉(zhuǎn)換電路

2．3單片機(jī)系統(tǒng)

Atmega16是一款高性能、低功耗的8位AVR微處理器，使用RISC精簡指令集，單時鐘指令周期，在8 MHz時鐘下可達(dá)8 MIPS，內(nèi)置2個時鐘周期的硬件乘法器，數(shù)據(jù)運(yùn)算能力強(qiáng)。性價(jià)比高，片上外設(shè)豐富，集成中斷控制器，定時器，看門狗，SPI，EEPROM，AD等，簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。正常工作時，需外接復(fù)位電路和8 MHz晶振，并接兩端的22 pF電容可有效幫助啟振，瓷片電容為佳，晶振外殼接地以提高屏蔽性能，穩(wěn)定運(yùn)行[3]。

2．4人機(jī)交互與存儲模塊

顯示模塊采用LCD5110液晶屏，可顯示6×14個字符，藍(lán)色背光燈。+3.3 V或+5 V供電，5引腳(CS、SCK、SDIN、DC和RST)串行輸入控制，TTL電平。為了能在光線昏暗時看清屏幕，設(shè)計(jì)了觸摸延時點(diǎn)亮背光燈電路，按下LIGHT鍵，5110背光燈亮10 s，如圖4所示。上電時，C36沒有存儲電荷，A點(diǎn)電壓為低電平，Q1不導(dǎo)通。按下LIGHT鍵，A點(diǎn)接+5 V快速給C36充電，Q1飽和導(dǎo)通，B點(diǎn)為+5 V大于C點(diǎn)電壓(0.45 V)，比較器輸出高電平，經(jīng)電壓跟隨器后E點(diǎn)為高電平，Q2導(dǎo)通，LCD5110背景燈亮。按鍵抬起時，C36開始放電，Q1保持導(dǎo)通，背光燈保持亮度。隨著C36存儲電荷減少，B點(diǎn)電壓逐漸下降，低于0.45 V時D點(diǎn)輸出低電平，Q2截止，背光燈滅。

圖6 LCD5110背光燈延時點(diǎn)亮電路

以74LS148編碼器為核心構(gòu)成6鍵獨(dú)立輸入模塊，74LS148編碼輸入端連接按鍵，帶外部4.7 kΩ上拉電阻，低電平有效，按鍵按下，編碼輸出端A2，A1和A0輸出按鍵碼值，同時選通端EO輸出高電平表示有鍵按下。

存儲單元使用ATmega16片上集成的512字節(jié)EEPROM，掉電后數(shù)據(jù)不丟失，可擦寫100 000次，通過ATmega16內(nèi)部寄存器控制數(shù)據(jù)存取。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方法[4]，主程序流程圖如圖7所示。定位儀軟件包括鍵盤輸入，模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)存儲，液晶顯示和算法處理，為提高程序執(zhí)行效率，鍵盤輸入采用中斷處理方式，電參數(shù)采樣周期采用定時器計(jì)時，避免延時，有效節(jié)省CPU資源，降低功耗。

裝置上電初始化后，首先對自身硬件電路狀態(tài)進(jìn)行檢測，確保不帶故障工作。定位功能開啟后，首先需輸入線路長度L等系統(tǒng)參數(shù)。定位儀人機(jī)交互部分采用自行設(shè)計(jì)的UI菜單系統(tǒng)，6按鍵功能分設(shè)為：“左移”、“右移”、“增加”、“減小”、“確定”和“取消”。顯示屏上光標(biāo)閃爍的位置可輸入0～9的數(shù)值，通過“增加”鍵或“減小”鍵進(jìn)行調(diào)節(jié)，“左移”、“右移”鍵改變光標(biāo)位置，實(shí)現(xiàn)對個、十、百、千位的數(shù)字輸入，按“確定”鍵進(jìn)入下一參數(shù)輸入界面，“取消”返回上級菜單。

3次線路的電參數(shù)采集過程關(guān)鍵在于對LTC2411-1MS轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取。LTC2411-1MS采用串行數(shù)據(jù)接口，一次完整的數(shù)據(jù)輸出包含32位信息。前3位表示AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的狀態(tài)信息，后24位即表示當(dāng)前AD轉(zhuǎn)換結(jié)果，轉(zhuǎn)換結(jié)果采用補(bǔ)碼形式，最后5位是轉(zhuǎn)換結(jié)果的冗余信息。ATmega16通過控制SPI外設(shè)寄存器(SPCR、SPDR)讀取LTC2411-1MS轉(zhuǎn)換結(jié)果，每次讀取1字節(jié)即8位信息，分4次讀完，轉(zhuǎn)換結(jié)果存放在4字節(jié)的long型變量中。為保證每路電參數(shù)的采集更有效準(zhǔn)確，在進(jìn)行故障定位計(jì)算前對每路電參數(shù)采樣10次，經(jīng)中值濾波算法去除誤差較大的轉(zhuǎn)換結(jié)果。根據(jù)式(1)、參數(shù)設(shè)定值和測量參數(shù)計(jì)算出故障位置，實(shí)現(xiàn)定位功能。

圖7 主程序流程圖

測量每路電參數(shù)時，根據(jù)讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，控制TS3A5017的IN1和IN2調(diào)節(jié)LTC2411-1MS的參考電壓，使每次的轉(zhuǎn)換結(jié)果達(dá)到最高精度。每次電參數(shù)的測量結(jié)果和故障位置均在LCD5110上顯示，由用戶選擇決定是否將計(jì)算出的故障位置進(jìn)行EEPROM存儲，方便故障定位分析，提高工作效率。

4 結(jié)束語

礦用電纜精確定位儀應(yīng)用智能化的方法和巧妙的算法，采用高精度的放大器、AD芯片等，提高了測量的靈敏度，減小了測量誤差，提高了測量的精確性，解決了漏電故障中對地阻抗不確定性的問題和測量誤差對定位精度的影響問題，該精確定位儀有如下特點(diǎn)：(1)高測量精度以先進(jìn)的故障定位理論為基礎(chǔ)，并結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)，使得故障定位精度進(jìn)一步提高。(2)通過對電路進(jìn)行創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)，提高了抗干擾性和檢測精度，解決了以往采用阻抗法故障定位無法測量高阻接地的問題。(3)對算法進(jìn)行改進(jìn)，采用多路同時輸入，單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，使電壓的測量精度達(dá)到10-5V．(4)以低電壓、小電流的方式進(jìn)行故障定位測量，具有本質(zhì)安全的特點(diǎn)，適合煤礦井下環(huán)境的要求。(5)產(chǎn)品、，定位誤差小，硬件投資小，容易實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：張國軍(1960—)，教授，主要研究方向?yàn)橹悄軝z測與控制以及煤礦安全供電。E-mail：zhangguojun_305@163．com

任榮(1988—)(通訊作者)，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣?jié)能型電力電子技術(shù)及應(yīng)用。E-mail：rxx881003@163．com