智能非接触式高压验电器的开发

蔡欢欢

CAI Huan-huan

（广西工商职业技术学院，南宁 530003）

0 引言

验电器是电力检修工作中一个常用的必不可少的设备。传统接触式验电器在使用过程中需要接触被测线路，操作不方便，存在一定的安全隐患，因此，近年来，非接触式验电器得到了广泛的应用，文献[1～3]就非接触式验电器的开发和改进做了很多工作，并取得了很大的成效，也得到了很大的推广和应用。

但随着时代的发展以及新的客观条件的变化，市场对验电器的功能和使用便利性上提出了新的要求。本将文以市场需求为出发点，开发一套功能强大，使用方便安全，适用于高压和超高压等不同场合的验电器。

1 系统功能及总体结构

1.1 普通非接触式验电器缺陷

文献[1～3]中设计的验电器虽然已经批量生产并投入使用，但在性能和功能上尚存有不足之处。

1）信号受天气变化影响大，雨天信号弱，出现了误报现象，系统没有从根本上解决这个问题。

2）对干扰信号处理能力不强，当有机车通过时，判断有电和无电的指示灯连续跳动的现象仍然存在，需改进设计，提高抗干扰能力。

3）测量量程单一。由于前文中验电器仅针对于铁路线路设计，仅能用于铁路上，然而，电力上对非接触式验电器的需求更广泛。

1.2 智能验电器功能简介

根据原验电器运行过程中出现的问题，对新型智能验电器的性能和功能方面进行改进。

1）引入湿度传感技术，根据天气变化自动处理信号衰减所带来的影响，提高系统可靠性。

2）在软件系统中加入抗干扰算法，彻底解决系统指示灯连续跳变现象。

3）引入多量程测量技术，系统设置了高压测量、标准测量和低压测量，分别适用于测量超高压线路(100KV及以上)、高压线路(10KV-100KV)和低压线路(10KV及以下)。

4）自检。每次开机系统强制自检，确保安全。

1.3 智能验电器总体结构

新型智能验电器系统框架结构如图1所示。系统由CPU、前端信号调理电路、人机接口（键盘、液晶显示、语音提示和指示灯等）、自检电路、湿度传感电路和时钟电路等组成。

本系统以凌阳SPE61A单片机作为控制核心。开机后系统自动进行自检，自检未通过则停止工作，同时显示提示语音和文字。电压传感器监测高压线附近电场，将电场信号转化为电压信号后送往信号处理电路，信号处理电路将该模拟信号转换成直流的有电、无电的状态信号送往单片机。单片机将接收到的信号进行识别，发出有电或无电信号到语音模块、指示模块和信号传送模块。语音模块收到信号后发出有电或无电语音提示；指示模块收到信号后发出有电或无电指示。键盘中设有量程转换键、手动自检键和时间调整键。

图1 智能验电器硬件框架图

图2 信号处理电路

图3 自检电路

2 智能验电器硬件系统

系统中，电压传感、液晶显示、语音模块和指示灯等模块设计参看文献[3]。本文主要从信号处理、自检脉冲、数据采样、温度传感和键盘等模块进行硬件介绍。

2.1 信号处理

信号处理电路结构如图2所示。工频交流信号经跟随电路后进行滤波，然后整流成直流信号，由减法电路减除临线干扰信号，经采样后送入中央处理器。

由于传感器信号负载能力弱，在电路前端设计了跟随电路，提高电路信号读取能力。滤波电路采用一阶巴特沃斯低通滤波器设计，滤除电路中各种高频噪声。

2.2 自检电路

自检电路采用文氏电桥振荡电路设计，如图3所示。电路发生正弦信号，通过MOS管接入信号处理单元，MOS管栅极由CPU控制。自检过程中，CPU发出高电平信号，MOS管导通，交流信号输入信号处理模块，处理后的信号送入CPU，若CPU接收到有电信号，则自检通过，否则发出设备故障信号。

2.3 数据采样

送入A/D转换器(数据采样)中的电压典型值为2V，即在3米的测量距离中，测试30KV线路时，送入A/D转换器中的电压为2V，并且，系统判定被测线路为有电状态。

2.4 湿度传感

湿度传感器用于监测天气情况，将监测结果送入CPU，监测结果分为两类，晴天和雨天，晴天发送高电平信号，雨天发送低电平信号，CPU根据传感器监测结果切换到相应的模式下工作。

2.5 键盘

系统共设置5个键盘，采用共阳极开关键盘设计，分别为设置键、手动自检键、方向键（向上、向下）和确认键。设置键开启系统中断，进入键盘设置，系统按照时间-日期-检测模式的顺序进行设置。每设置完一个模块进入下一个模块，直到按下设置键后中断返回。

3 智能验电器软件系统

系统软件流程图如图4所示。系统启动后首先进行自检，以确保系统的可靠性。自检通过后系统进行初始化，先初始化到有电状态并将该信号端口中的指示模块中显示结果，调用语音子程序输出语音提示信息[3]，自检未通过则系统停止工作。初始化完成后读取传感器信号，并将信号保存。湿度传感器只送两个状态信号：晴天或雨天，系统读取信号后。接下来，系统将读取数据采集模块送来的信号，并将信号保存，通过信号处理模块处理后输出。输出模块同文献[3]。

3.1 信号处理

信号处理结构图如图6所示，系统读取传感器送来的天气信号，对信号进行处理。如果是晴天，信号传送能力较强，系统直接读取端口信号进行处理，即晴天模式；如果是雨天，系统将信号放大3倍后再进行处理，即雨天模式。

3.1.1 测量模式

图4 系统软件流程图

图5 自检原理图

图6 信号处理结构图

测量模式有3种：高压（100KV以上）测量、标准（10-100KV）测量和低压（10KV以下）测量。在电力线路检测过程中，当电压在300KV时，传感器探头在3米距离测量到的电压高达200V左右，因此，需要将信号进行衰减至5%才能测量，而当电压低于3KV时，传感器探头在3米距离测量到的电压为0.3V左右，因此需要将信号进行放大10倍才能测量。而在标准高压时，取50KV，传感器探头在3米距离测量到的电压为5V左右，因此不需做任何处理，直接测量。

图7 中断设置图

3.1.2 抗干扰

文献[1]中验电器存在着抗干扰性差的问题：当电力机车通过测量点时偶尔会出现验电器系统连续跳变现象，即在有电和无电之间不停跳变，影响了验电器的正常使用。本系统将从软件上实现这个问题。

系统读取采样器信号后将信号转换成有电、无电状态信号，但并不直接输出，而是延时0.5秒后再次读取采样器信号，然后再转换成有电、无电状态信号，将两次状态信号进行对比，只有两次状态信号一致时系统才将新的状态与原状态对比，若新状态与原状态相同，保持原状态，系统返回，继续读取采样信号；若新状态与原状态不同，系统输出新的状态。

3.2 自检

自检原理图如图5所示。自检开始后，CPU发出高电平，图3电路通过MOS管导通，接入验电器信号处理端，系统延时3秒，以保证信号能够顺利通过信号处理电路。系统读取输入端口信号，并转换成状态信号，如果是有电状态则自检成功，系统可以进入下一步工作，否则自检失败，系统停止工作。

手动自检与自检不同之处在于，手动自检通过键盘向CPU发送手动自检信号，收到自检信号后系统中断，进行自检。

3.3 键盘设置

键盘的设置采用中断的方式来进行，如图6所示。设置键启动中断，中断响应后先进行时间设置：按时-分-秒的顺序设置；设置完时间后自动进入日期设置：按年-月-日顺序设置，最后进入模式设置：选择高压模式、标准模式或低压模式。所有设置完成后，通过确认键中断返回。

4 结论

本系统较文献[3]中验电器在性能上有了较大突破，具体如下。

1）系统开机强制自检，自检通过后系统才能工作，提高了系统工作的可靠性。

2）抗干扰能力有了较大提高。通过实验验证，当系统输入信号幅值在临界点来回波动时，若频率高于2HZ，即信号在新的状态下不能保持0.5秒以上，系统认将该信号判定为干扰信号，保持原来状态，较好地解决了抗干扰问题。

3）设置了多种模式下的测量功能。本系统设置了高压测量、标准测量和低压测量，能较好地满足超高压电力线路、铁路线路和城市次高压线路的测量需要。

4）引入了晴天和雨天测量模式。由于天气对信号传输的影响较大，本系统引入了湿度参数。根据现场测量数据，分析发现，晴天、多云或阴天，信号传输基本不受影响，但下雨天气对信号影响较大，系统接收到的信号强度大约衰减至晴天时的1/3。

5 结束语

文章根据非接触式验电器在实际应用中存在的问题进行了改进和完善，使其在性能和可靠性上有了较大的提高。本系统通过软件的方法解决了验电器在信号不稳定时存在的跳变问题。

[1]蔡欢欢, 毛明星, 苏波等. 非接触式高压验电器的开发[J].今日电子, 2007. 12.

[2]蔡欢欢, 付光, 林芳. 非接触式高压验电器的改进[J].今日电子, 2008. 6.

[3]侯媛彬, 袁益民, 霍汉平, 等. 凌阳单片机原理及其毕业设计精选[M]. 北京: 科学出版社, 2006.

[4]蔡欢欢. 基于SPE61A单片机的非接触式高压验电器的开发[J]. 今日电子, 2008. 10.

[5]李靖, 王克英. 基于AVR单片机的多功能电能表的设计与实现[J]. 电测与仪表, 2012. 3.

[6]于龙梅, 怀新江, 徐洪久等地面验电器的研制[J]. 东北业林大学学报, 1988. 10.