一种新型数字式低压电缆故障模拟仪的研制

摘  要：低压电缆是低压配电系统中非常常见的设备，低压电缆故障现象也经常发生。由于缺少相关的低压电缆故障模拟设备，基层员工进行低压电缆故障查找技能培训较为困难。鉴于此，研制了一种数字式低压电缆故障模擬仪，通过数字信号控制继电器组可以有效模拟出低压电缆大部分的故障现象，适合基层供电所班组在进行低压电缆技能培训时推广使用，且该系统与计算机、智能手机结合起来，界面友好，操作简单。

关键词：低压电缆;故障模拟;数字式;继电器

0    引言

数字式低压电缆故障模拟仪主要是以单片机为控制中心，通过数字信号控制双联继电器组来模拟出低压电缆短路、断路和接地等三大类型的故障。数字式低压电缆故障模拟仪提供了三种控制方式：仪体开关简易控制、手机App控制、计算机软件控制。仪体开关简易控制主要是通过仪体外部开关实现简易故障类型的设置，主要适用于简易培训场所和模拟仪电源故障时及方便不会使用计算机和智能手机的员工使用。手机App控制主要是通过开发的手机App进行低压电缆故障设置，模拟的故障类型多，控制方便，适用于班组集中培训和练习。计算机软件控制主要通过开发的控制软件设置故障类型、考核信息记录，适合技能竞赛考试场合使用。数字式低压电缆故障模拟仪的电路主要由三部分组成：锂电池管理电路、通信电路、继电器控制电路。锂电池管理电路主要是由市电充电电路、太阳能自动充电电路、锂电池充放电管理电路组成，用于实现对锂电池的综合管理，保证低压电缆故障模拟仪正常供电。通信电路主要是由蓝牙通信电路和RS232通信电路组成，用于保证低压电缆故障模拟仪与计算机控制软件和手机App的正常通信。继电器控制电路主要是由故障模拟控制电路和测试自动接入电路组成，故障模拟控制电路主要是通过控制双联继电器实现电缆故障的模拟与信号的反馈。本仪器的结构图如图1所示。

1    继电器控制电路

继电器控制电路是数字式低压电缆故障模拟仪最重要的电路，是整个仪器实现故障模拟的关键。继电器控制电路中各继电器为双联继电器，单片机的I/O口分别通过驱动电路连接继电器控制电路中各继电器的受控端，以控制各继电器的开/合闸，继电器控制电路通过各继电器的开/合闸模拟出低压电缆A、B、C、N相的开路、短路或接地故障电路;继电器控制电路的输入端分别模拟低压电缆A、B、C、N相的输入端，继电器控制电路的输出端分别模拟低压电缆A、B、C、N相的输出端（图2）;单片机的信号采集口分别与各继电器的信号反馈端连接，通过低电平信号反馈给单片机。继电器控制电路中的接地故障模拟由RL4、RL5、RL1、RL3继电器组成，开路故障模拟由RL12、RL11、RL13、RL10继电器组成，相间短路故障模拟由RL2、RL14、RL15、RL16、RL22、RL20继电器组成（图2）。

如果要模拟低压电缆A相接地故障，继电器组的工作流程如下：单片机PA4端口发出一个控制信号，继电器RL4线圈通电合闸，低压电缆A相接地，同时继电器RL4反馈一个低电平信号给单片机PC4端口，单片机显示故障模拟成功。如果单片机PC4端口没有收到低电平信号，则单片机就会发出故障模拟失败代码。模拟低压电缆其他故障的过程与此类似。

测试自动接入电路由RL6至RL9继电器组成（图2），处理器通过PA0、PA1、PA2、PA3端口分别对RL6至RL9继电器进行访问控制，单片机PC0、PC1、PC2、PC3端口为信号采集口，分别负责RL6至RL9继电器的信号反馈。日常工作中低压电缆故障的排查一般都是用500 V摇表，摇表有三个端：线路端L、接地端E、屏蔽端G。测量回路对地电阻时L端与回路的裸露导体连接，E端连接接地线或金属外壳;测量回路的绝缘电阻时，电缆输入端与线路端L连接，电缆输出端与接地端E连接，测量电缆的绝缘电阻时应将电缆的屏蔽层接至屏蔽端G。比如在测量低压电缆A相对地的绝缘电阻时，一般是把摇表的E端直接接地，G端接到电缆屏蔽端，启动摇表，当转速达到120 r/min时，再把摇表的L端接入电缆A端，在L端接入电缆A端过程中，摇表转速要保持不变。测试完成后，保持摇表转速不变，先断开L端，再缓慢降低摇表转速，接着拆除摇表E端和G端接线，然后对电缆进行放电。

测试自动接入电路的工作原理如下：在测试低压电缆过程中摇表L极接在待测电缆某相输入端，待需要接入待测电路时，单片机对应的端口控制对应的继电器合闸，摇表L极接入电路进行测量。测量完毕后，单片机对应的端口控制该继电器分闸，摇表L极自动脱离电缆测试端子。在摇表L极接入或脱离测试端子过程中，单片机PC0、PC1、PC2、PC3端口负责信号的反馈，以实现信号闭环管理。摇表用于检测电缆好坏，实现单人操作，提高测试工作效率，减省人力。

2    锂电池管理电路

本数字式低压电缆故障模拟仪内部安装4节4.2 V串联的锂电池，可以外接220 V进行充电;也可以通过仪盖表面可装卸的弱光型太阳能板进行充电，从而保证低压电缆故障模拟仪供电可靠性。低压电缆故障模拟仪实用性非常强，适用与不同人员和工作场所，应用前景较为广泛。低压电缆故障模拟仪的锂电池充放电管理芯片主要采用CN3704芯片。CN3704是PWM降压模式四节锂电池充电管理集成电路，能独立对四节锂电池充电进行自动管理，具有封装外形小、外围元器件少和使用简单等优点。CN3704具有恒流和恒压充电模式，非常适用于锂电池的充电。在恒压充电模式，CN3704将电池电压调制在16.8 V，精度为±1%;在恒流充电模式，充电电流通过一个外部电阻设置。对于深度放电的锂电池，当电池电压低于11.2 V时，CN3704用所设置的恒流充电电流的15%对电池进行涓流充电。在恒压充电阶段，充电电流逐渐减小，当充电电流降低到外部电阻R79（图3）所设置的值时，充电结束。在充电结束状态，如果电池电压下降到16 V，则自动开始新的充电周期。当输入电源掉电或者输入电压低于电池电压时，CN3704自动进入低功耗的睡眠模式。低压电缆故障模拟仪的CN3704锂电池管理电路图如图3所示。

3    上位机控制软件

手机控制App是自主开发的手机端监控平台，该App主要是通过蓝牙与低压电缆故障模拟仪进行通信，一般是员工在班组培训时使用。仪器的操作人员在手机App上可以随意设置出低压电缆的故障类型并进行练习，同时操作人员也可以通过手机App实时查看仪器的工作状态。计算机控制软件也是自主开发的计算机端控制软件，是对手机控制App的补充，适合在员工进行低压电缆故障查找技能考核时使用。计算机控制软件通过RS232总线与低压电缆故障模拟仪进行通信，在计算机控制软件上可以设置出低压电缆的故障类型，该软件可以自动记录考生的相关信息，比如考生号、考试用时长、考试时的电缆故障类型等，这将有效降低监考人员在考试过程中数据记录的工作量，大幅提高工作效率。

4    结语

数字式低压电缆故障模拟仪的成功研制具有重要的意义。本仪器以单片机为控制中心，巧妙地通过控制外围双联继电器实现低压电缆故障模拟。本仪器具有体积小、操作方便、功能强大、环境适应性强等优点，非常适合班组培训和技能考核时使用，可以有效提高基层班组的培训效率和技能考核时的考试效率。智能化是每一个设备或每一个行业未来发展的方向，是提高生产率最有效的手段。现场越来越多的设备智能化，极大地推动了整个社会的发展进步。

收稿日期：2020-06-11

作者简介：卢志辉（1987—），男，广东湛江人，工程师，研究方向：配电网线路和设备智能化。