許加凱，王思城，盧曉惠，張美玲（國網(wǎng)山東省電力公司濰坊供電公司，山東　濰坊　261000）

多功能自識別電控鎖具的研制

許加凱，王思城，盧曉惠，張美玲
（國網(wǎng)山東省電力公司濰坊供電公司，山東濰坊261000）

為降低電容器、接地變網(wǎng)門聯(lián)鎖故障率，調(diào)查分析網(wǎng)門聯(lián)鎖現(xiàn)狀，研制出一套多功能自識別電控鎖具，具備位置自識別、自動(dòng)上鎖、上鎖保護(hù)、可靠解鎖等功能。該鎖具以單片機(jī)為控制系統(tǒng)核心，采用霍爾元件作為輸入采集模塊，步進(jìn)電機(jī)為輸出執(zhí)行模塊。在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。

網(wǎng)門；防誤閉鎖；位置自識別；電控鎖具

0　引言

變電站內(nèi)的電容器、接地變壓器等設(shè)備通常會(huì)安裝于網(wǎng)門內(nèi)，網(wǎng)門上裝有由電磁鎖和行程開關(guān)組成的電氣防誤閉鎖裝置或微機(jī)五防鎖閉鎖裝置，通過二次電纜將其接入外部聯(lián)鎖回路中，以防止工作人員誤入運(yùn)行設(shè)備區(qū)域。

變電站檢修維護(hù)工作中涉及網(wǎng)門防誤閉鎖裝置［1-2］的工作比較多。如果聯(lián)鎖回路發(fā)生故障，將導(dǎo)致電容器或接地變等設(shè)備無法操作。國家電網(wǎng)公司《防止電氣誤操作安全管理規(guī)定》和《十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》均要求加強(qiáng)防誤閉鎖裝置的運(yùn)行和維護(hù)管理，確保防誤閉鎖裝置正常運(yùn)行。

1　現(xiàn)狀調(diào)查分析

1.1接地變壓器、電容器二次故障類型

對2014年繼電保護(hù)記錄、基建、改造以及驗(yàn)收過程中接地變壓器、電容器二次相關(guān)故障次數(shù)進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)，如圖1所示。

結(jié)果顯示，聯(lián)鎖回路類故障占接地變壓器、電容器二次相關(guān)故障的76.79%，是主要的故障類型。

圖1　接地變壓器、電容器二次故障類型

1.2聯(lián)鎖回路故障分布

對發(fā)生次數(shù)最多的“聯(lián)鎖回路”類故障進(jìn)行細(xì)化統(tǒng)計(jì)，對聯(lián)鎖回路中的斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、網(wǎng)門聯(lián)鎖等回路構(gòu)成部分的故障次數(shù)進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)，如圖2所示。

結(jié)果顯示，網(wǎng)門聯(lián)鎖在聯(lián)鎖回路中出現(xiàn)故障次數(shù)最多，是威脅接地變壓器、電容器正常操作及運(yùn)行的主要安全隱患。

1.3網(wǎng)門聯(lián)鎖故障率

對9座應(yīng)用電磁鎖和行程開關(guān)的變電站網(wǎng)門進(jìn)行了100次聯(lián)鎖試驗(yàn)，并進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，如圖3所示，其網(wǎng)門防誤閉鎖裝置平均故障率為18.2%。

圖2　聯(lián)鎖回路故障類型排列

圖3　電磁鎖和行程開關(guān)閉鎖平均故障率

對9座應(yīng)用微機(jī)五防鎖閉鎖的變電站網(wǎng)門進(jìn)行了100次聯(lián)鎖試驗(yàn)，并進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，如圖4所示，其網(wǎng)門防誤閉鎖裝置平均故障率為4.8%。

圖4　網(wǎng)門微機(jī)五防鎖閉鎖平均故障率

2　多功能自識別電控鎖具設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)目標(biāo)

研制一種多功能自識別電控鎖具，具備位置自識別、自動(dòng)上鎖、上鎖保護(hù)、可靠解鎖、免維護(hù)等特性。

針對電容器、接地變網(wǎng)門閉鎖裝置目前存在的問題，開展新型網(wǎng)門閉鎖裝置的研究，對于降低防誤閉鎖裝置的故障率具有重要意義。

位置自識別，指能準(zhǔn)確通過傳感器感應(yīng)鎖舌位置，完成鎖具狀態(tài)的識別。自動(dòng)上鎖，即當(dāng)門關(guān)到位時(shí)，控制系統(tǒng)能精確驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)鎖舌完成自動(dòng)上鎖。上鎖保護(hù)，當(dāng)因異物或鎖孔位置未完全對準(zhǔn)，造成上鎖不到位時(shí)，能有效保護(hù)裝置?？煽拷怄i，指正常解鎖時(shí)有解鎖指示，保留強(qiáng)制解鎖功能。檢修維護(hù)，防水防潮，便于安裝調(diào)試、故障查找、維護(hù)檢修。結(jié)構(gòu)組成方面，結(jié)構(gòu)緊湊，元器件分布排列合理，空間利用率高，散熱性能良好。經(jīng)濟(jì)性上，前期研發(fā)費(fèi)用較低，后續(xù)顯性和隱性經(jīng)濟(jì)效益明顯。

多功能自識別電控鎖具使得網(wǎng)門聯(lián)鎖故障率ζ小于目前所有網(wǎng)門聯(lián)鎖方案［A1，A2，…，An］的最小值，即

由圖3知，采用電磁鎖和行程開關(guān)的電氣防誤閉鎖裝置故障率為18.2%，即ζ（A1）=18.1%。

由圖4知，采用微機(jī)五防鎖閉鎖的閉鎖裝置故障率為4.8%，即ζ（A2）=4.8%。

根據(jù)國際電工委員會(huì)IEC 61709—2011《電子元件可靠性、故障率的參考條件以及轉(zhuǎn)換應(yīng)力模型》［3］的要求，市場上電子技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)的產(chǎn)品已經(jīng)相當(dāng)成熟，研制可能用到的位置傳感器、控制芯片、指示告警燈等均能保證很高的精度，且元件故障率均小于5%。

因此，目標(biāo)值應(yīng)滿足以下條件：

考慮到電子元件精度和故障率，以及測試的偶然性誤差和極端惡劣天氣下的外力破壞等因素，留有一定目標(biāo)裕度，將網(wǎng)門防誤閉鎖裝置故障率最大值ζ0設(shè)為5.0%，即有ζ＜5.0%。

2.2結(jié)構(gòu)組成

按照功能組成，多功能自識別電控鎖具可分解為自動(dòng)控制系統(tǒng)和外圍保障系統(tǒng)。自動(dòng)控制系統(tǒng)由輸入采集模塊、輸出執(zhí)行模塊、邏輯判斷模塊和電源模塊構(gòu)成。外圍保障系統(tǒng)由鎖殼和鎖罩兩部分構(gòu)成。

1）輸入采集模塊選用霍爾傳感器。利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法［4］對霍爾傳感器進(jìn)行選型，選用正交表L4（23），選擇工作點(diǎn)最小的霍爾傳感器。

霍爾傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性和參數(shù)位級表，如圖5和表1所示，霍爾元件工作點(diǎn)主要取決于最高工作溫度（℃）、最高工作電壓（V）和輸出電流（mA）。

圖5　磁電轉(zhuǎn)換特性

表1　霍爾元件參數(shù)位極表

由表2試驗(yàn)結(jié)果看，第1號試驗(yàn)最好，其組合為A1B1C1。比較極差R，確定因素有主到次的排序?yàn)椋篊、A、B。比較位級Ⅰ、Ⅱ，由于要求指標(biāo)愈小愈好，取最小值所對應(yīng)的那個(gè)位級，確定因素的位級，為A1B2C1。

再次試驗(yàn)對比A1B1C1和A1B2C1方案，如表3所示。當(dāng)在A1B2C1條件下，工作點(diǎn)磁通密度為10mT。因此選用最高工作溫度為85°C，最高工作電壓30V，工作電流為25mA的OH137型號霍爾傳感器。

表2　霍爾元件參數(shù)L4（23）正交試驗(yàn)表

表3　組合方案對比表

2）輸出執(zhí)行及邏輯判斷模塊。綜合考量低速性能、有無超調(diào)、設(shè)計(jì)難度等因素，輸出執(zhí)行模塊采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)和閉鎖元件。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)閉鎖如圖6所示。考慮到指示效果、指示準(zhǔn)確率因素選用LED作為報(bào)警指示元件。

圖6　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)閉鎖示意

邏輯判斷模塊是鎖具的核心部分，是控制鎖具各功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵部件。根據(jù)設(shè)計(jì)，邏輯判斷模塊接收傳感器輸入信號，將信號與設(shè)定閾值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果輸出不同控制信號。選用具有寬電壓、溫度范圍，片內(nèi)存儲(chǔ)容量大，高速低功耗，尺寸小、性價(jià)比高STC15F2K60S2型單片機(jī)。

3）電源模塊。利用電平轉(zhuǎn)換芯片設(shè)計(jì)了12 V 轉(zhuǎn)5V DC/DC電源模塊，其輸出電壓精度控制在5（1±2%）V。對電源模塊進(jìn)行100次測試，輸出電壓如圖7所示。

圖7　輸出電壓直方圖

過程能力指數(shù)計(jì)算公式為

式中：σ為標(biāo)準(zhǔn)方差；TU為誤差上限；TL為誤差下限。

根據(jù)輸出電壓測試結(jié)果和式（3），其過程能力指數(shù)CP=1.14，根據(jù)過程能力等級評審表［5］，屬于2級，過程能力尚可，CP＞1達(dá)到目標(biāo)要求。

4）外圍保障系統(tǒng)。調(diào)研鑄鐵、不銹鋼、鋁合金3種材料，將6個(gè)比較維度的數(shù)據(jù)標(biāo)幺值處理后，繪制了雷達(dá)圖進(jìn)行比較，如圖8所示。最終選擇了不銹鋼作為鎖殼材料。

圖8　鎖殼材料性能對比雷達(dá)

鎖罩是為了鎖具在室外應(yīng)用時(shí)應(yīng)對雨雪等天氣而設(shè)計(jì)的，起到隔熱降溫、隔冷保溫的作用，同時(shí)要方便觀看鎖具指示狀態(tài)。選用的有機(jī)玻璃鎖罩能夠達(dá)到GB 4208—2008《外殼防護(hù)等級（IP代碼）》［6］定義的4級防塵 （防止直徑不小于1mm固體異物進(jìn)入）和5級防水（防止噴水造成內(nèi)部元件損壞）標(biāo)準(zhǔn)。

通過對以上方案的分解驗(yàn)證，繪制出多功能自識別電控鎖具的最佳方案樹狀圖如圖9所示。

圖9　最佳方案樹狀

3　制作實(shí)施及效果驗(yàn)證

3.1硬件架構(gòu)

根據(jù)鎖內(nèi)各個(gè)部件的大小和功能，按照最優(yōu)排列的原則繪制出鎖內(nèi)布置圖，并測量各部件及外殼尺寸，如圖10和表4所示。鎖具俯視面積為240.5 cm2，鎖具體積為962 cm3。

圖10　電控鎖具硬件結(jié)構(gòu)

表4　電控鎖具結(jié)構(gòu)尺寸　mm

3.2系統(tǒng)調(diào)試

電控鎖具程序的流程如圖11所示。

根據(jù)調(diào)試的先后順序，繪制實(shí)施流程圖如圖12所示，并按照流程圖進(jìn)行了具體實(shí)施。

3.3效果驗(yàn)證

借助停電檢修或基建驗(yàn)收，到現(xiàn)場將多功能自識別電控鎖具安裝于電容器或接地變網(wǎng)門上，對網(wǎng)門防誤閉鎖裝置故障率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖13所示。結(jié)果顯示，自行研制的多功能自識別電控鎖具的網(wǎng)門防誤閉鎖裝置故障率為1.125%，而目標(biāo)設(shè)定值為5.0%，目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

圖11　電控鎖具軟件流程

圖12　電控鎖具控制系統(tǒng)調(diào)試流程

圖13　連鎖故障率測試

4　結(jié)語

多功能自識別電控鎖具研制成功后，展現(xiàn)出良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。該裝置可以有效降低網(wǎng)門防誤閉鎖裝置故障率，從而減小作業(yè)人員誤入運(yùn)行設(shè)備網(wǎng)門的概率，確保了人身、電網(wǎng)和設(shè)備的安全。

今后將繼續(xù)跟蹤多功能自識別電控鎖具的應(yīng)用效果，并不斷改進(jìn)完善，將其推廣應(yīng)用到改建、改造接地變和電容器的網(wǎng)門閉鎖裝置中。

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［3］IEC 61709—2011電子元件可靠性、故障率的參考條件以及轉(zhuǎn)換應(yīng)力模型［S］.

［4］劉志奇，楊杰.正交試驗(yàn)法在QC小組活動(dòng)中的應(yīng)用［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，30（1）：109-111.

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［6］GB 4208—2008外殼防護(hù)等級（IP代碼）［S］.

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Development of M ultifunctional Auto-recognition Electric Lock

XU Jiakai，WANG Sicheng，LU Xiaohui，ZHANGMeiling
（State Grid Weifang Power Supply Company，Weifang 261000，China）

In order to decrease the interlocking failure rate of capacitors and grounding transformers，through investigating the present situation of reticular door interlock，a multifunctional auto-recognition electric lock is developed which achieved functionsofposition auto-recognition，auto-locking，locking protection and reliable unlocking.For the lock，themicrocontroller is used as the control core，hall elements are adopted as the input acquisitionmodule，and the step motor is employed as the output executionmodule.Finally the practical application of the lock and its benefits are introduced.

reticular door；misoperation-preventive locking；position auto-recognition；electric lock

TM63

B

1007－9904（2016）04－0061－05

2015-11-06

許加凱（1987），男，工程師，從事變電站設(shè)備檢修工作。