SF₆密度繼電器綜合參數測試儀的制作方法

專利名稱：SF₆密度繼電器綜合參數測試儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種采用六氟化硫即SF6作為絕緣介質的斷 路器綜合測試設備，可以完成SF6斷路器中密度繼電器表的校驗以及SF6氣體微 水含量的檢測，具體涉及到高精度數據采集及自動化檢測控制單元的設計，屬于 故障診斷與檢測裝置。
技術背景現今，采用SF6作為絕緣介質的電氣設備主要有斷路器、變壓 器、電纜、GIS站等。220V電壓等級的設備約有一半以上采用SF6氣體絕緣； 330V電壓等級的設備將近100%采用SF6氣體絕緣;550V電壓等級的設備及GIS 全部采用SF6氣體絕緣；在110KV及以上新建輸變電設備與城網改造中，SF6 設備成為首選。
密度繼電器是SF6設備的重要組成部件，SF6密度繼電器是近幾年來在SF6 電氣設備中廣泛應用的一種新型安全保護自動裝置，是一種帶溫度補償的壓力 控制器，目前主要以機械式密度繼電器為主。它的主要作用是檢測電氣設備本 體中SF6氣體密度的變化。如果SF6氣體發生泄漏或液化,密度繼電器會通過保 護回路發出報警信號。如果密度進一步下降，閉鎖開關將發生動作，以保護設備、 防止事故的發生。密度繼電器表以壓力來表示設備中氣體的密度。為了排除溫 度變化對壓力造成的影響，密度繼電器具有溫度補償裝置抵消溫度變化帶來的 影響。因此，密度繼電器實際上是一塊具有溫度補償功能的壓力儀表。綜上， 密度繼電器的準確性和可靠性是關系到電氣設備及電網安全的重要保障，檢驗其 工作的可靠性和準確性都是十分必要的。
SF6氣體中的水分含量也是SF6電氣設備的一個重要指標，水分高影響其 絕緣性能。SF6氣體經電弧分解后會產生粉末狀的沉淀物，這些沉淀的固體受潮 后呈半導體的特性，使絕緣性能大幅下降。在實際運行中，水分進入斷路器設 備的途徑很多。例如，新充入的SF6氣體本身含有微量水分；設備部件在工作過 程中吸附的水分等，這些因素都可能導致SF6氣體含水量超標。SF6設備中的水 分含量一般是微量的，所以對其含水量的測量稱為微水測量。SF6氣體微水量同 樣是SF6氣體狀態的重要參數。
目前市場上的SF6密度繼電器校驗設備自動化程度很低，儀器使用時需要 外接儲氣瓶并手動調節壓力才能完成測試，而且每次檢測所需的氣體在使用完 成后全部排入空氣中，不僅耗氣量大而且對環境也造成污染。另外，現有設備
3普遍功能單一，如需進行微水檢測，則另需設備，給測試帶來不便。
發明內容本實用新型的目的在于提供一種SF6密度繼電器綜合參數測試 儀，該設備具有SF6密度繼電器校驗以及微水含量測試兩種功能，自動化程度高， 氣體無泄露。
本裝置可實現對SF6密度繼電器的自動化校驗，判斷繼電器表是否工作正
常，繼電器表的報警與閉鎖信號輸出時的氣體壓力是否與額定數值相符； 實現對SF6設備氣體微水含量的測試，判斷氣體微水含量是否符合要求； 儀器可以存儲每次測試的結果，可以進行歷史數據查詢，并配有微型打印 機輸出數據。
本實用新型的技術方案如下
本發明的技術方案由整體氣路方案和電路控制裝置構成； 上述的整體氣路由密度繼電器校驗裝置及微水含量測試裝置兩部分組成； 所說的密度繼電器校驗裝置是密度繼電器連面板閥，該閥接被測密度氣路，儲 氣罐經儲氣罐閥接被測密度氣路，驅動機構經氣缸、氣缸閥接被測密度氣路， 壓力傳感器接入上述被測氣路；所述的微水含量測試裝置是出氣口經流量計接 被測氣路，面板閥連接被測氣路，濕度傳感器接入被測氣路；
電路控制裝置由主控器、液晶顯示、鍵盤、電機驅動、微型打印機、數據
存儲、A/D采樣、開關量采集及電源構成；電源、鍵盤接入由ATmegal28單片 機構成的主控器，A/D采樣電路、開關量采集電路分別接上述單片機的輸入端 口，該單片機的輸出端口接液晶顯示裝置、電機驅動電路、微型打印機、數據 存儲電路。
上述電路控制裝置的電源、鍵盤接入該裝置的核心ATmegal28單片機構成的 主控器，A/D采樣電路由集成電路ADS7841及其外圍元件構成，該集成電路的 2、 3腳接傳感器采集的濕度、壓力信號，其12、 13、 14、 15、 116腳分別接上 述單片機的17、 16、 15、 32腳，該電路還有溫度采樣電路，它是一數字溫度芯 片DS1620，它的1、 2、 3腳連單片機的29、 30、 31腳；開關量采集電路采用 光耦TLP521-4來實現，TLP521-4內含四路光電耦合電路，分別采集低壓報警、 高壓報警、閉鎖l、和閉鎖2四組開關量，其光耦引腳l、 2與開關相連，光耦 TLP521-4的16、 14、 12、 IO腳輸出，接入單片機的6、 7、 8、 9腳；單片機的 輸出端接液晶顯示裝置LCD，它是以T6963C控制器為核心的液晶模塊，單片 機的51、 50、 49、 48、 47、 46、 45、 44腳輸出，接入T6963C的10、 11、 12、13、 14、 15、 16、 17腳；采用集成電路24LC512為數據存儲電路，該電路5、 6 腳接入上述單片機的42、 41腳；電機驅動電路是單片機計數器O的PWM引腳 接入驅動器的脈沖輸入端，同時將單片機的37腳與驅動器的方向控制端相連， 單片機連微型打印機。
本裝置通過控制電路驅動步進電機旋轉來帶動活塞氣缸運動，從而實現 密度繼電器自動充氣和放氣，在充放氣的過程中采樣電路采集傳感器信號，經 過處理器處理后得到閉鎖和報警壓力值，將該值與被測密度繼電器的額定值比 較即可判斷密度繼電器是否工作正常，整個測試過程完全在電路控制裝置的控 制下自動進行。同時，該測試儀集成了濕度測試的功能，可以進行氣體濕度的
本實用新型的優點在于1、密度繼電器校驗測試具有自動化測試的能力， 利用電機帶動活塞氣缸完成壓力的調節，無需手動調節。2、氣密性好，儀器內 的氣體在測試完成后始終存儲于儲氣罐內，測試過程不向外界排放氣體，利于 環保。3,設備主要電子模塊單元設計采用較好的抗電磁干擾電路設計，排除電 磁干擾的影響。4，儀器用途多樣，可以進行密度繼電器校驗和微水含量兩種測
試o


圖1是本實用新型密度繼電器校驗氣路示意圖2是本實用新型微水測試氣路示意圖3是本實用新型密度繼電器校驗測試流程圖4是本實用新型微水測試流程圖5是本實用新型電路控制裝置電路框圖6是本實用新型主控器單片機電路原理圖7是本實用新型液晶接口電路原理圖8是本實用新型數據存儲電路原理圖9.是本實用新型A/D采樣電路原理圖io是本實用新型光耦內部結構示意圖
圖11是本實用新型開關量采集電路原理圖； 圖12是本實用新型溫度采集電路原理圖； .圖13是本實用新型串口通訊電路原理圖14是本實用新型驅動器與單片機連接接口電路原理圖。
具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型作進一步說明。
由圖1—2可以看到，本裝置的氣路由密度繼電器校驗裝置及微水含量測試裝 置兩部分組成；所說的密度繼電器校驗裝置是密度繼電器1連面板閥2，該閥接 被測密度氣路，儲氣罐8經儲氣罐閥4接被測密度氣路，驅動機構7經氣缸6、 氣缸閥5接被測密度氣路，壓力傳感器3接入上述氣路；所述的微水含量測試 裝置是出氣口 11經流量計10接被測氣路，面板閥2連接被測氣路，濕度傳感 器9接入被測氣路。
本裝置總體分為兩層，底層為機械機構，包括氣缸、步進電機以及絲杠滑 塊機構，上層則放置氣路回路以及電路部分。兩層之間由支架連接，最上面鋪 有儀器面板。儀器整體置于儀器箱內，箱體設計成拉桿滑輪式，同普通行李箱 一樣可以方便的拉動。儀器使用時外接220V交流電，測試前只需將氣路連接至 測試口 ，并把開關量采集信號弓1入面板的開關量采集插口即可。
圖3、圖4分別是密度繼電器校驗測試流程圖及微水測試流程圖，進行密
度繼電器校驗測試時首先將儀器與被測密度氣路連接，打開面板閥、儲氣罐閥 和氣缸閥。儲氣罐具有較大容積，預先存儲了測試所需的一定壓力的氣體。打 開三個闊門后，被測密度繼電器表、儲氣罐和活塞氣缸形成連通氣路，具有相 同的壓力。然后關閉儲氣罐閥，控制電路驅動步進電機帶動氣缸活塞移動將氣 路內的氣壓調整至密度繼電器的額定壓力，然后電機帶動活塞移動使氣路內氣 壓下降，當氣壓下降至密度繼電器表的報警點和閉鎖點時，密度繼電器輸出開 關量信號，儀器采集該信號并讀取信號發生時的氣路壓力即可得到測量值。將 測量值與密度繼電器的額定值對比即可判斷密度繼電器是否工作正常。測試完 畢后，打開儲氣罐閥，電機帶動活塞將氣體壓回儲氣罐，然后關閉所有閥門完 成測試。濕度測試時首先將被測設備與濕度測試口連接，然后打開閥門使被測 氣體流入氣路，調節流量計使氣體流量達到0.6L/min左右，即可完成測試。
由圖5—14可以看到，電路控制裝置主要由主控器、液晶顯示、鍵盤、電機 驅動、微型打印機、數據存儲、A/D采樣、開關量采集及電源組成。下面對其 主要組成部分加以介紹。
由圖6可以看到本電路控制裝置的主控器，它采用ATmegal28單片機。
由圖7可以看到以T6963C控制器為核心的液晶模塊與單片機的連接關系， 其中，引腳21輸出負壓經滑動變阻器分壓后連接到引腳4。引腳19、 20用來點 亮液晶模塊的背光。弓l腳10-17為8位數據線，引腳5、 6分別為寫、讀控制信號，引腳7為片選端，引腳8為通道選擇端，當單片機輸出1時選擇指令通道， 輸出0時選擇數據通道。
由圖8可以看到24LC512電路，數據存儲功能是將用戶的測試數據進行保存 便于用戶后續的查詢，因此設計中選用了 24LC512作為外部eeprom芯片。該芯 片容量為512千位，即64K。 24LC512具有寫保護功能，讀寫次數高達1000000 次。24LC512采用I2C總線通信，具有單字節寫入、整頁寫入、單字節讀取、 整頁讀取等多種讀寫模式。應用中用單片機的I/O端口模擬I2C總線時序與芯片 進行通信，完成讀寫操作。
由圖9可以看到A/D采樣模塊的電路，A/D采樣電路主要是采集壓力和濕度 傳感器輸出的信號，溫度信號由數字溫度芯片DS1620采集，壓力傳感器采用 CERALINE-S壓力變送器，4-20mA兩線制輸出，測量范圍O-lMPa，精度0.25 級。濕度傳感器采用DMT142露點變送器，4-20mA兩線制輸出，測量露點范 圍-60-6(TC，準確度士3 。C。由于僅需采集兩路信號，且單片機剩余引腳有限， 因此選用了4路串行AD芯片ADS7841。 ADS7841采用同步串行接口 ，與單片 機僅有5個引腳相連。ADS7841的通道0和通道1分別采集濕度和壓力傳感器 的信號。由于濕度和壓力傳感器均為4-20mA電流輸出，因此分別連接了"OQ的 采樣電阻進行采樣。
由圖10、 11可以看到開關量采集電路，開關量采集模塊采集密度繼電器的 報警和閉鎖信號。開關量的采集采用光耦TLP521-4來實現。TLP521-4內含四 路光電耦合電路，其內部結構示意圖如圖IO所示，為簡化重復說明，該圖僅為 一路光藕的結構圖。引腳l、 2與開關相連，引腳4經上拉電阻上拉至5V，引 腳3接地。開關未閉合時，引腳3、 4未接通，4腳輸出高電平，開關閉合時，3、 4導通，弓1腳4輸出低電平。圖ll中有四路光藕，分別采集低壓報警、高壓報 警、閉鎖l、和閉鎖2四組開關量。輸入端腳l、 3、 5、 7接入限流電阻R25-27， 輸出端腳16、 14、 12、 10經電阻R28—3i上拉至VCC (電源電壓)。因此，當開 關沒有閉合時，輸出高電平，當開關閉合時輸出低電平。對于大多數密度繼電 器，只有閉鎖和報警兩組開關量需要采集。也有部分密度繼電器含有高壓報警， 用于提示設備壓力過高，并且含有兩個閉鎖點。因此，為了擴展儀器的使用范 圍，采集了四路開關量。
由圖12、 13可以看到溫度采集及串口通訊電路，溫度采集由DS1620溫度 采集電路實現。數字溫度傳感器DS1620是美國Dallas公司生產的新型溫度敏感器件，它以數字量輸出溫度測量值，具有測量范圍寬、傳輸距離遠、溫度可靠 等特點。可以很方便地以串行方式與PC機或單片機連接，組成智能溫度測量儀
或智能溫度檢測系統。主要技術指標測溫范圍為-55 °C +125°C，分辨率可 達0. 5°C，溫度以9位數字輸出，能在Is內完成被測溫度的數值轉換DS1620通 過高溫系數振蕩器控制低溫系數振蕩器的脈沖個數來實現被測溫度的數字量 出。首先，溫度寄存器和計數器預置-55'C的基準值，若溫度寄存器與計數器在 脈沖周期結束之前為0，則溫度寄存器增數，直至溫度寄存器中的數值為被測溫 度值。該芯片與單片機通過數據、時鐘和復位三線完成通訊。串口通訊電路主 要用于校驗儀與上位機的連接，便于日后擴展。串口通訊功能采用常用的MAX232 電平轉換芯片來完成，其連接如圖13所示，用單片機的串口 0來實現與上位機 的通訊。
由圖14可以看到驅動器接口電路，本儀器所選電機為合利時公司的 56BYG25C-SASSBL-0241型號兩相混合式步進電機，選擇與該電機配套的 SH-20403兩相混合式步進電機細分驅動器。最大64細分的七種可選細分模式。 控制方面，利用單片機計數器O的PWM引腳產生PWM波，將該信號輸入到驅 動器的脈沖輸入端，同時將單片機的PC2 口與驅動器的方向控制端相連，當PC2 口的CW引腳輸出高電平時電機正轉，當PC2 口的CW引腳輸出低電平時電機 反轉。
8
權利要求1、SF6密度繼電器綜合參數測試儀，其特征在于它由整體氣路方案和電路控制裝置構成；上述的整體氣路由密度繼電器校驗裝置及微水含量測試裝置兩部分組成；所說的密度繼電器校驗裝置是密度繼電器(1)連面板閥(2)，該閥接被測密度氣路，儲氣罐(8)經儲氣罐閥(4)接被測密度氣路，驅動機構(7)經氣缸(6)、氣缸閥(5)接被測密度氣路，壓力傳感器(3)接入上述被測氣路；所述的微水含量測試裝置是出氣口(11)經流量計(10)接被測氣路，面板閥(2)連接被測氣路，濕度傳感器(9)接入被測氣路；電路控制裝置由主控器、液晶顯示、鍵盤、電機驅動、微型打印機、數據存儲、A/D采樣、開關量采集及電源構成；電源、鍵盤接入由ATmega128單片機構成的主控器，A/D采樣電路、開關量采集電路分別接上述單片機的輸入端口，該單片機的輸出端口接液晶顯示裝置、電機驅動電路、微型打印機、數據存儲電路。
2、 根據權利要求l所述SFe密度繼電器綜合參數測試儀，其特征在于它的 電路控制裝置的電源、鍵盤接入該裝置的核心ATmegal28單片機構成的主控器， A/D采樣電路由集成電路ADS7841及其外圍元件構成，該集成電路的2、 3腳 接傳感器采集的濕度、壓力信號，其12、 13、 14、 15、 16腳分別接上述單片機 的17、 16、 15、 32腳，該電路還有溫度采樣電路，它是一數字溫度芯片DS1620， 它的l、 2、 3腳連單片機的29、 30、 31腳；開關量采集電路采用光耦TLP521-4 來實現，TLP521-4內含四路光電耦合電路，分別采集低壓報警、高壓報警、閉 鎖1、和閉鎖2四組開關量，其光耦引腳1、 2與開關相連，光耦TLP521-4的 16、 14、 12、 IO腳輸出，接入單片機的6、 7、 8、 9腳；單片機的輸出端接液晶 顯示裝置LCD，它是以T6963C控制器為核心的液晶模塊，單片機的51、 50、 49、 48、 47、 46、 45、 44腳輸出,接入T6963C的10、 11、 12、 13、 14、 15、 16、 17腳；采用集成電路24LC512為數據存儲電路，該電路5、 6腳接入上述 單片機的42、 41腳；電機驅動電路是單片機計數器O的PWM引腳接入驅動器 的脈沖輸入端，同時將單片機的37腳與驅動器的方向控制端相連，單片機連微 型打印機。
專利摘要本實用新型公開了SF₆密度繼電器綜合參數測試儀，它由密度繼電器校驗裝置及微水含量測試裝置及其電路控制裝置構成；所說的密度繼電器校驗裝置是密度繼電器連面板閥、儲氣罐經氣罐閥接被測密度氣路，驅動機構經氣缸、氣缸閥接被測密度氣路，壓力傳感器接被測密度氣路；所述的微水含量測試裝置是出氣口經流量計接被測氣路，面板閥、濕度傳感器連接被測氣路；控制電路是鍵盤接入單片機，A/D采樣電路、開關量采集電路分別接上述單片機的輸入端口，該單片機的輸出端口接液晶顯示裝置、電機驅動電路、微型打印機、數據存儲電路。本裝置可自動實時測試，利用電機帶動活塞氣缸完成壓力的調節，提高工作效率。氣密性好，測試過程不向外界排放氣體，利于環保。
文檔編號G01M99/00GK201327463SQ200820219560
公開日2009年10月14日 申請日期2008年11月15日 優先權日2008年11月15日
發明者馮建華, 贏 張, 鑫 耿, 胡曉光, 趙守義, 趙志鵬 申請人:赤峰電業局