多功能自识别电控锁具的研制

许加凯，王思城，卢晓惠，张美玲（国网山东省电力公司潍坊供电公司，山东　潍坊　261000）

多功能自识别电控锁具的研制

许加凯，王思城，卢晓惠，张美玲
（国网山东省电力公司潍坊供电公司，山东潍坊261000）

为降低电容器、接地变网门联锁故障率，调查分析网门联锁现状，研制出一套多功能自识别电控锁具，具备位置自识别、自动上锁、上锁保护、可靠解锁等功能。该锁具以单片机为控制系统核心，采用霍尔元件作为输入采集模块，步进电机为输出执行模块。在实际应用中取得了良好的效果。

网门；防误闭锁；位置自识别；电控锁具

0　引言

变电站内的电容器、接地变压器等设备通常会安装于网门内，网门上装有由电磁锁和行程开关组成的电气防误闭锁装置或微机五防锁闭锁装置，通过二次电缆将其接入外部联锁回路中，以防止工作人员误入运行设备区域。

变电站检修维护工作中涉及网门防误闭锁装置［1-2］的工作比较多。如果联锁回路发生故障，将导致电容器或接地变等设备无法操作。国家电网公司《防止电气误操作安全管理规定》和《十八项电网重大反事故措施》均要求加强防误闭锁装置的运行和维护管理，确保防误闭锁装置正常运行。

1　现状调查分析

1.1接地变压器、电容器二次故障类型

对2014年继电保护记录、基建、改造以及验收过程中接地变压器、电容器二次相关故障次数进行调查统计，如图1所示。

结果显示，联锁回路类故障占接地变压器、电容器二次相关故障的76.79%，是主要的故障类型。

图1　接地变压器、电容器二次故障类型

1.2联锁回路故障分布

对发生次数最多的“联锁回路”类故障进行细化统计，对联锁回路中的断路器、隔离开关、接地开关、网门联锁等回路构成部分的故障次数进行调查统计，如图2所示。

结果显示，网门联锁在联锁回路中出现故障次数最多，是威胁接地变压器、电容器正常操作及运行的主要安全隐患。

1.3网门联锁故障率

对9座应用电磁锁和行程开关的变电站网门进行了100次联锁试验，并进行了统计分析，如图3所示，其网门防误闭锁装置平均故障率为18.2%。

图2　联锁回路故障类型排列

图3　电磁锁和行程开关闭锁平均故障率

对9座应用微机五防锁闭锁的变电站网门进行了100次联锁试验，并进行了统计分析，如图4所示，其网门防误闭锁装置平均故障率为4.8%。

图4　网门微机五防锁闭锁平均故障率

2　多功能自识别电控锁具设计

2.1设计目标

研制一种多功能自识别电控锁具，具备位置自识别、自动上锁、上锁保护、可靠解锁、免维护等特性。

针对电容器、接地变网门闭锁装置目前存在的问题，开展新型网门闭锁装置的研究，对于降低防误闭锁装置的故障率具有重要意义。

位置自识别，指能准确通过传感器感应锁舌位置，完成锁具状态的识别。自动上锁，即当门关到位时，控制系统能精确驱动执行机构带动锁舌完成自动上锁。上锁保护，当因异物或锁孔位置未完全对准，造成上锁不到位时，能有效保护装置。可靠解锁，指正常解锁时有解锁指示，保留强制解锁功能。检修维护，防水防潮，便于安装调试、故障查找、维护检修。结构组成方面，结构紧凑，元器件分布排列合理，空间利用率高，散热性能良好。经济性上，前期研发费用较低，后续显性和隐性经济效益明显。

多功能自识别电控锁具使得网门联锁故障率ζ小于目前所有网门联锁方案［A1，A2，…，An］的最小值，即

由图3知，采用电磁锁和行程开关的电气防误闭锁装置故障率为18.2%，即ζ（A1）=18.1%。

由图4知，采用微机五防锁闭锁的闭锁装置故障率为4.8%，即ζ（A2）=4.8%。

根据国际电工委员会IEC 61709—2011《电子元件可靠性、故障率的参考条件以及转换应力模型》［3］的要求，市场上电子技术与自动控制技术的产品已经相当成熟，研制可能用到的位置传感器、控制芯片、指示告警灯等均能保证很高的精度，且元件故障率均小于5%。

因此，目标值应满足以下条件：

考虑到电子元件精度和故障率，以及测试的偶然性误差和极端恶劣天气下的外力破坏等因素，留有一定目标裕度，将网门防误闭锁装置故障率最大值ζ0设为5.0%，即有ζ＜5.0%。

2.2结构组成

按照功能组成，多功能自识别电控锁具可分解为自动控制系统和外围保障系统。自动控制系统由输入采集模块、输出执行模块、逻辑判断模块和电源模块构成。外围保障系统由锁壳和锁罩两部分构成。

1）输入采集模块选用霍尔传感器。利用正交试验设计法［4］对霍尔传感器进行选型，选用正交表L4（23），选择工作点最小的霍尔传感器。

霍尔传感器的磁电转换特性和参数位级表，如图5和表1所示，霍尔元件工作点主要取决于最高工作温度（℃）、最高工作电压（V）和输出电流（mA）。

图5　磁电转换特性

表1　霍尔元件参数位极表

由表2试验结果看，第1号试验最好，其组合为A1B1C1。比较极差R，确定因素有主到次的排序为：C、A、B。比较位级Ⅰ、Ⅱ，由于要求指标愈小愈好，取最小值所对应的那个位级，确定因素的位级，为A1B2C1。

再次试验对比A1B1C1和A1B2C1方案，如表3所示。当在A1B2C1条件下，工作点磁通密度为10mT。因此选用最高工作温度为85°C，最高工作电压30V，工作电流为25mA的OH137型号霍尔传感器。

表2　霍尔元件参数L4（23）正交试验表

表3　组合方案对比表

2）输出执行及逻辑判断模块。综合考量低速性能、有无超调、设计难度等因素，输出执行模块采用步进电机作为驱动和闭锁元件。步进电机驱动闭锁如图6所示。考虑到指示效果、指示准确率因素选用LED作为报警指示元件。

图6　步进电机驱动闭锁示意

逻辑判断模块是锁具的核心部分，是控制锁具各功能实现的关键部件。根据设计，逻辑判断模块接收传感器输入信号，将信号与设定阈值进行比较，根据比较结果输出不同控制信号。选用具有宽电压、温度范围，片内存储容量大，高速低功耗，尺寸小、性价比高STC15F2K60S2型单片机。

3）电源模块。利用电平转换芯片设计了12 V 转5V DC/DC电源模块，其输出电压精度控制在5（1±2%）V。对电源模块进行100次测试，输出电压如图7所示。

图7　输出电压直方图

过程能力指数计算公式为

式中：σ为标准方差；TU为误差上限；TL为误差下限。

根据输出电压测试结果和式（3），其过程能力指数CP=1.14，根据过程能力等级评审表［5］，属于2级，过程能力尚可，CP＞1达到目标要求。

4）外围保障系统。调研铸铁、不锈钢、铝合金3种材料，将6个比较维度的数据标幺值处理后，绘制了雷达图进行比较，如图8所示。最终选择了不锈钢作为锁壳材料。

图8　锁壳材料性能对比雷达

锁罩是为了锁具在室外应用时应对雨雪等天气而设计的，起到隔热降温、隔冷保温的作用，同时要方便观看锁具指示状态。选用的有机玻璃锁罩能够达到GB 4208—2008《外壳防护等级（IP代码）》［6］定义的4级防尘 （防止直径不小于1mm固体异物进入）和5级防水（防止喷水造成内部元件损坏）标准。

通过对以上方案的分解验证，绘制出多功能自识别电控锁具的最佳方案树状图如图9所示。

图9　最佳方案树状

3　制作实施及效果验证

3.1硬件架构

根据锁内各个部件的大小和功能，按照最优排列的原则绘制出锁内布置图，并测量各部件及外壳尺寸，如图10和表4所示。锁具俯视面积为240.5 cm2，锁具体积为962 cm3。

图10　电控锁具硬件结构

表4　电控锁具结构尺寸　mm

3.2系统调试

电控锁具程序的流程如图11所示。

根据调试的先后顺序，绘制实施流程图如图12所示，并按照流程图进行了具体实施。

3.3效果验证

借助停电检修或基建验收，到现场将多功能自识别电控锁具安装于电容器或接地变网门上，对网门防误闭锁装置故障率进行统计，结果如图13所示。结果显示，自行研制的多功能自识别电控锁具的网门防误闭锁装置故障率为1.125%，而目标设定值为5.0%，目标实现。

图11　电控锁具软件流程

图12　电控锁具控制系统调试流程

图13　连锁故障率测试

4　结语

多功能自识别电控锁具研制成功后，展现出良好的经济效益和社会效益。该装置可以有效降低网门防误闭锁装置故障率，从而减小作业人员误入运行设备网门的概率，确保了人身、电网和设备的安全。

今后将继续跟踪多功能自识别电控锁具的应用效果，并不断改进完善，将其推广应用到改建、改造接地变和电容器的网门闭锁装置中。

［1］吕志新，白明，徐肖.变电站防误闭锁装置概述［J］.中国新技术新产品，2015（18）：87-88.

［2］章卫光.防误闭锁装置的应用分析探讨［J］.华东电力，2006（6）：78-80.

［3］IEC 61709—2011电子元件可靠性、故障率的参考条件以及转换应力模型［S］.

［4］刘志奇，杨杰.正交试验法在QC小组活动中的应用［J］.华北水利水电学院学报，2009，30（1）：109-111.

［5］汤淑明，王飞跃.过程能力指数综述［J］.应用概率统计，2004，20 （2）：207-216.

［6］GB 4208—2008外壳防护等级（IP代码）［S］.

［7］于英霞，王霞.双代号网络图的绘制方法［J］.山西建筑，2004，30 （17）：85-86.

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

许加凯（1987），男，工程师，从事变电站设备检修工作。