徐晶冉，徐　雯，朱振偉，韓　笑，邵美才

（1. 江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇南京，211102；2. 南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院，江蘇南京，211167）

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適應(yīng)復(fù)雜工況的可攀越式繼電保護(hù)測(cè)試平臺(tái)

徐晶冉1，徐雯1，朱振偉1，韓笑2，邵美才2

（1. 江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇南京，211102；2. 南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院，江蘇南京，211167）

摘要：針對(duì)當(dāng)前變電站在檢修過程中由于測(cè)試儀難以搬運(yùn)、取電困難、誤操作等而導(dǎo)致供電可靠性降低的問題，介紹了一種適應(yīng)復(fù)雜工況的可攀越式繼電保護(hù)多功能測(cè)試平臺(tái)。該測(cè)試平臺(tái)由履帶牽引模塊、逆變電路模塊、電壓檢測(cè)模塊、區(qū)域告警隔離模塊等構(gòu)成，具有幫助各電壓等級(jí)變電站中檢測(cè)人員搬運(yùn)測(cè)試儀時(shí)攀越樓梯、跨越障礙，通過平臺(tái)自備電源向測(cè)試儀供電，檢測(cè)時(shí)自定義區(qū)域隔離防誤入等功能。經(jīng)南京某220 kV變電站現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，該平臺(tái)的使用增強(qiáng)了變電站檢修的安全性，增加了變電站運(yùn)行維護(hù)的效率，提高了供電可靠性。

關(guān)鍵詞：變電站；繼電保護(hù)測(cè)試；逆變電路；區(qū)域隔離；爬樓機(jī)器人

變電站繼電保護(hù)設(shè)備測(cè)試是一項(xiàng)重要的檢修工作，而提高測(cè)試的質(zhì)量和效率、縮短停電檢修時(shí)間對(duì)提升供電可靠性和優(yōu)質(zhì)服務(wù)水平，增加社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義［ 1-4 ］。微機(jī)型繼電保護(hù)測(cè)試儀器在變電站得到了極為廣泛的應(yīng)用，但在繼電保護(hù)儀器現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的過程中，因現(xiàn)場(chǎng)缺少供電設(shè)施導(dǎo)致的遠(yuǎn)距離供電問題，延長(zhǎng)了檢修時(shí)間，貴重測(cè)試儀在上下樓人工搬運(yùn)過程中易造成損壞，儀器遠(yuǎn)距離搬動(dòng)時(shí)需多人協(xié)作耗費(fèi)了人力；此外，試驗(yàn)儀器在帶電檢測(cè)時(shí)常發(fā)生誤碰、誤操作等情況，這類問題經(jīng)常造成設(shè)備損壞、人身傷害，降低了工作效率，給現(xiàn)場(chǎng)帶來(lái)了安全隱患，甚至擴(kuò)大事故引起保護(hù)誤動(dòng)，給電網(wǎng)安全造成影響［ 5 ］。因此，有必要設(shè)計(jì)一種功能多樣化，能夠提高變電站測(cè)試工作效率，安全性高，且易于操作的測(cè)試平臺(tái)。文獻(xiàn)［6］提到了一種車載移動(dòng)式的高壓試驗(yàn)平臺(tái)，但是無(wú)法解決變電站內(nèi)樓層之間測(cè)試儀搬運(yùn)、狹小空間測(cè)試作業(yè)等問題。文中提出了一種變電站多功能測(cè)試平臺(tái)，方便檢修人員平穩(wěn)搬運(yùn)試驗(yàn)儀器，為繼電保護(hù)試驗(yàn)儀器穩(wěn)定供電，更能在測(cè)試儀帶電操作時(shí)提供防誤碰防漏電功能，保障了變電站調(diào)試維修工作高效安全進(jìn)行。

1　測(cè)試平臺(tái)簡(jiǎn)介

繼電保護(hù)多功能測(cè)試平臺(tái)是一種變電站進(jìn)行繼電保護(hù)試驗(yàn)時(shí)為測(cè)試儀提供擺放固定、自備電源供電、區(qū)域隔離防誤入、能爬越樓梯的平臺(tái)。整個(gè)平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)，由電氣控制，區(qū)域告警隔離，動(dòng)力控制三部分組成，電氣控制部分安裝在履帶式牽引結(jié)構(gòu)上，方便拆除，不僅能平穩(wěn)安放測(cè)試儀器，還可隨著小車平地移動(dòng)和樓層攀越，既方便了繼電保護(hù)測(cè)試儀搬運(yùn)，又能為測(cè)試作業(yè)提供穩(wěn)定供電，防誤碰防漏電等功能，安裝構(gòu)成如圖1所示。

圖1　測(cè)試平臺(tái)安裝簡(jiǎn)圖

2　動(dòng)力控制部分

動(dòng)力控制部分包括控制盒、控制手柄、牽引桿、底座、電機(jī)、履帶等，控制盒中安裝有按鈕，與底座中的電機(jī)具有電氣連接，電機(jī)可驅(qū)動(dòng)兩側(cè)履帶轉(zhuǎn)動(dòng)，控制測(cè)試平臺(tái)前后運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)員可通過控制手柄和牽引桿引導(dǎo)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向。電源由小車底座中的2個(gè)12V/20AH蓄電池串聯(lián)組成的24 V電池組供電。

2.1履帶爬樓結(jié)構(gòu)

變電站在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)過程復(fù)雜，設(shè)備繁多，為了讓檢測(cè)人員在移動(dòng)測(cè)試儀時(shí)能夠平地越障和室內(nèi)上下樓間搬動(dòng)時(shí)攀越樓梯，在分析穩(wěn)定性與安全性的基礎(chǔ)上，測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)成履帶底座結(jié)構(gòu)。爬樓過程如圖2所示。

圖2　履帶爬樓示意圖

在圖2（a）中，底座前擺能否搭上第一級(jí)臺(tái)階，利用履帶摩擦力撐起整個(gè)平臺(tái)至關(guān)重要。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，室內(nèi)樓梯的高度一般為13～22 cm，踏步寬大于22 cm，因此設(shè)計(jì)底座前擺高度大于22 cm，使其在任何樓況下都能自動(dòng)攀上臺(tái)階。攀上臺(tái)階后，整個(gè)平臺(tái)與水平線呈一定角度平行于斜面行駛，如圖2（b）。當(dāng)?shù)鬃髷[爬越過中心線后，按壓控制手柄使底座重新平行于水平線至圖2（d）所示，爬樓過程結(jié)束［ 7-9 ］。

2.2電機(jī)功率計(jì)算

平臺(tái)在平地?zé)o障礙時(shí)，輕按控制手柄使后端翹起，可利用平地車輪移動(dòng)整體，達(dá)到無(wú)電驅(qū)動(dòng)的目的。在上下樓和越障過程中，需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶控制平臺(tái)移動(dòng)速度，因此需要計(jì)算驅(qū)動(dòng)功率以選擇合適電機(jī)。

平臺(tái)在爬樓時(shí)克服自身重力和儀器做功，已知其自身質(zhì)量M為50 kg，測(cè)試儀及其他物品質(zhì)量m為30 kg，如需要在20 s內(nèi)爬越3 m高的樓層。根據(jù)公式（1）和（2）獲得電機(jī)選型參考。

式中：h為爬越高度；t為爬越時(shí)間；η為電機(jī)機(jī)械效率，取80%；Ω為轉(zhuǎn)速間接系數(shù)，取1.6 rad/s；T為電機(jī)轉(zhuǎn)矩。計(jì)算得到電機(jī)功率為117.6 W，電機(jī)轉(zhuǎn)矩為58.8 N·m。考慮到一定裕量，采用參數(shù)功率為150 W，轉(zhuǎn)矩為60 的電機(jī)，具有更好的操作性能。

3　電氣控制部分

考慮到變電站的實(shí)際情況和設(shè)計(jì)要求，電氣控制部分設(shè)計(jì)成微機(jī)嵌入式裝置。其硬件電路系統(tǒng)如圖3所示。

圖3　測(cè)試平臺(tái)電路系統(tǒng)

整套系統(tǒng)由主控電路和外圍電路構(gòu)成，其中外圍電路又包括電源變換模塊、電壓檢測(cè)模塊、區(qū)域告警隔離模塊、人機(jī)交互模塊等?？刂齐娐纺軐⒏髂K狀態(tài)參數(shù)顯示在人機(jī)交互模塊中的LED數(shù)碼管上。當(dāng)區(qū)域告警隔離模塊檢測(cè)到人員靠近隔離區(qū)域或電壓檢測(cè)模塊檢測(cè)到蓄電池電壓過低等問題時(shí)，相應(yīng)模塊能發(fā)送信號(hào)至控制電路，控制電路通過邏輯算法后采取相應(yīng)控制策略發(fā)出信號(hào)，可控制人機(jī)交互模塊中的報(bào)警提示電路警示檢測(cè)人員排除故障，嚴(yán)重故障時(shí)能切斷系統(tǒng)電源，保障放置于平臺(tái)上的測(cè)試裝置及檢測(cè)員人身安全。

3.1逆變電路模塊

平臺(tái)將24 V蓄電池直流電壓逆變成穩(wěn)定的220 V交流電壓，為變電站采用的最大輸出功率為500 W的繼電保護(hù)測(cè)試儀提供電源。目前逆變電路的新技術(shù)層出不窮，考慮到效果的優(yōu)良性和實(shí)用性，該設(shè)計(jì)采用二次逆變技術(shù)，即按照低壓直流、高頻交流、高壓直流、高壓交流的順序依次轉(zhuǎn)換，達(dá)到良好的逆變效果。該設(shè)計(jì)先通過開關(guān)管將24 V直流轉(zhuǎn)換為50 kHz高頻交流方波，再通過變壓器將高頻低壓方波轉(zhuǎn)換為320 V的高頻交流，然后通過整流濾波后將320 V高壓交流轉(zhuǎn)化為320 V高壓直流，再將320 V的高壓直流經(jīng)含有驅(qū)動(dòng)芯片的全橋電路轉(zhuǎn)化為220 V的交流，最后通過LC濾波得到標(biāo)準(zhǔn)的220 V/50 Hz交流市電。

首先將蓄電池24 V電壓由TL494推挽電路和變壓器變換成320 V/50 kHz的高頻交流電，原理如圖4所示。

圖4　直流變換電路

圖中Q1、Q2為功率PNP型三極管，Q3、Q4為推挽場(chǎng)效應(yīng)管，其最大耐壓值為200 V，電流32 A，滿足設(shè)計(jì)要求。得到320 V直流后，經(jīng)過全橋橋式電路轉(zhuǎn)換成220 V交流電，如圖5所示。

圖5　交流變換電路

為了避免輸出的正弦波形中的雜波干擾，提高逆變電源效率，由精密振蕩集成電路ICL8038產(chǎn)生50 Hz正弦波輸入集成PWM控制芯片SG3525，2個(gè)高低輸出端產(chǎn)生2路互補(bǔ)的反向方波驅(qū)動(dòng)全橋電路?？紤]到電壓波動(dòng)以及一定的裕量，場(chǎng)效應(yīng)管Q5—Q8的電壓參數(shù)應(yīng)大于400 V，參照?qǐng)鲂?yīng)管的參數(shù)表，故選用型號(hào)為IRF820 A的場(chǎng)效應(yīng)管，其耐壓值為500 V，最大電流為2.5A［ 10，11 ］。

實(shí)際運(yùn)行時(shí)，考慮到負(fù)載的功率大小，功率管需要加適當(dāng)?shù)纳崞?，同時(shí)可增加同型號(hào)的功率管并聯(lián)使用，相應(yīng)地增加變壓器的功率，滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。經(jīng)過測(cè)試，在蓄電池一次充滿電后，可連續(xù)為功率60 W左右的繼電保護(hù)測(cè)試儀供電8 h，當(dāng)繼電保護(hù)測(cè)試儀需要輸出大功率時(shí)，可外接多組蓄電池增加帶電測(cè)試時(shí)間。

3.2電壓檢測(cè)模塊

檢測(cè)蓄電池電壓并顯示，檢測(cè)人員可直觀了解電池電量，達(dá)到及時(shí)充電，避免了測(cè)試過程中由于電量不夠?qū)е聹y(cè)試無(wú)法順利完成的情況。電源電壓檢測(cè)電路模塊使用了Freescale公司K60芯片內(nèi)的ADC模塊，能夠?qū)崟r(shí)并準(zhǔn)確測(cè)量蓄電池電壓，其電路原理如圖6所示。

圖6　電壓檢測(cè)電路原理

考慮到電池電壓最高為24 V，如果直接將電壓與單片機(jī)ADC1_DM1功能引腳連接，會(huì)造成因灌電流過大導(dǎo)致單片機(jī)燒壞，因此利用R1與R2的分壓將電壓限制在0～3 V，單片機(jī)ADC模塊采集到電壓后通過軟件按比例放大相應(yīng)倍數(shù)，達(dá)到檢測(cè)蓄電池電壓的目的。

4　區(qū)域告警隔離模塊

測(cè)試儀在檢測(cè)使用時(shí)一般需長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，容易引起不明情況的人員因誤碰而導(dǎo)致故障，甚至危及人身安全。帶電檢測(cè)隔離能夠在運(yùn)行時(shí)人員靠近進(jìn)行報(bào)警，其電路如圖7所示。

圖7　超聲波檢測(cè)隔離示意圖

檢測(cè)隔離由4個(gè)超聲波模塊S1、S2、S3、S4構(gòu)成，均采用HC-SR04超聲波測(cè)距模塊測(cè)量。相對(duì)其他測(cè)距模塊精度高，能達(dá)到3 mm以內(nèi)，范圍為2～400 cm，滿足一般測(cè)距需求；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器以及控制電路。基本工作原理為首先由Trig口接收開啟測(cè)量的信號(hào)，信號(hào)持續(xù)時(shí)間需大于10 μs；信號(hào)觸發(fā)后，發(fā)射器發(fā)送8個(gè)40 kHz的方波，由接收器檢測(cè)返回信號(hào)；檢測(cè)到返回信號(hào)后，Echo口輸出一個(gè)高點(diǎn)平，可由控制器接受，發(fā)射與返回的時(shí)間差即為超聲波運(yùn)動(dòng)時(shí)間。計(jì)算距離可由式（3）計(jì)算得出：

式中：S為距離；Δt為收發(fā)時(shí)間差；Vs為聲速。單個(gè)超聲波測(cè)距原理流程如圖8所示。

圖8　超聲波測(cè)距流程

每個(gè)超聲波模塊與平臺(tái)水平呈45°斜角安裝，可檢測(cè)由上至下的人員肢體靠近。利用超聲波模塊收發(fā)的時(shí)間差，可測(cè)得物體與平臺(tái)隔離區(qū)域的距離，當(dāng)至少有一個(gè)超聲波模塊檢測(cè)到有物體進(jìn)入到隔離區(qū)域時(shí)，報(bào)警提示模塊發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，提醒檢測(cè)人員排除故障，同時(shí)4個(gè)超聲波模塊間可以進(jìn)行相互配合，能較精確地測(cè)定范圍［ 12 ］。

5　試驗(yàn)案例

2015年9月，該測(cè)試平臺(tái)在南京東善橋變電站進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)運(yùn)用。多功能測(cè)試平臺(tái)載重一套常用繼電保護(hù)測(cè)試裝置，包括測(cè)試儀，電氣連接線及其箱體共約25 kg。一組完整試驗(yàn)項(xiàng)目包括平地推行移動(dòng)20 m所用時(shí)間tp，上樓（垂直高度3 m）所用時(shí)間ts，自備電源供電運(yùn)行30 min后電壓Ub，告警隔離測(cè)試反應(yīng)情況Δ，下樓所用時(shí)間tx等。試驗(yàn)共進(jìn)行3次，分別記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，如表1所示。由表1數(shù)據(jù)可知，該多功能測(cè)試平臺(tái)可縮短測(cè)試儀在平地移動(dòng)，上下樓搬運(yùn)所用時(shí)間，能夠穩(wěn)定提供220 V交流電源，在區(qū)域告警隔離作用方面效果明顯。

表1　測(cè)試結(jié)果

6　結(jié)束語(yǔ)

繼電保護(hù)多功能測(cè)試平臺(tái)能有效適用于變電站復(fù)雜工況的場(chǎng)所，平地越障和攀越樓梯式結(jié)構(gòu)縮短了檢修時(shí)間，同時(shí)區(qū)域告警隔離減少變電站運(yùn)行設(shè)備不必要的損失，從而增加了變電站運(yùn)行維護(hù)的工作效率，提高供電檢修的安全性，有力保障了檢測(cè)人員的人身安全和供電可靠性。為適應(yīng)智能變電站發(fā)展，方便變電站進(jìn)行繼電保護(hù)試驗(yàn)，將會(huì)研究出功能更加完善的測(cè)試平臺(tái)。

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徐晶冉（1978），男，江蘇南京人，高級(jí)技師，從事變電二次檢修工作；

徐雯（1986），女，江蘇南京人，工程師，從事變電二次檢修工作；

朱振偉（1983），男，山東莘縣人，工程師，從事變電二次檢修工作；

韓笑（1969），男，江蘇無(wú)錫人，教授，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)研究工作；

邵美才（1991），男，浙江金華人，碩士，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)研究工作。

Climbing Type Relay Protection Testing Platform for Complex Working Conditions

XU Jingran1， XU Wen1， ZHU Zhenwei1， HAN Xiao2， SHAO Meicai2
（1. Jiangsu Electric Power Company Maintenance Branch ， Nanjing 211102， China；2. School of Electrical Engineering， Nanjing Institute of Technology， Nanjing 211167， China）

Abstract：In the view of current repairing process in transformer substation， this paper introduces a kind of relay protection multifunctional testing platform to solve the problem of supplying reliability decrease， which is caused by the difficulties such as carrying tester， supplying power and wrong operation etc. The testing platform is made up of crawler base module， inverter circuit module， voltage electrical measuring module， regional alarm isolation module etc.， which can help testing personnel to climb stairs and cross obstacle， and supply power to testing equipment from self-contained power source and define insulation zone to avoid accidently coming to the zone etc. The results of the field testing in Nanjing 220 kV substation show the use of this platform could enhance the security of the substation maintenance， increase the efficiency of the substation operation maintenance， and improve power supply reliability.

Key words：substation； relay protection testing； inversion circuit； regional isolation； building climbing robot

中圖分類號(hào)：TM733

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1009-0665（2016）03-0053-04

作者簡(jiǎn)介：

收稿日期：2015 -11-27；修回日期：2016-02-02