地电位差

地电位差（精选四篇）

地电位差 篇1

1 机房电位差较大的原因分析

1.1 三相电源配电时负载分配严重不平衡, 造成零线电流过大

按照GB50174—93《电子计算机机房设计规范》, 机房应采用TN-C-S方式配电。进入建筑物以前为T N-C, 进入后采用TN-S制, 如图1所示。若单相负荷严重不平衡, 即相电流幅值不等, 夹角不为120度, 则流入中线中的电流较大, 最大时可接近相电流。而由于中线阻抗的存在, 中线电流在阻抗上就会产生电位差。零线上远离进线端的点, 相对于地电位就可能较高。

1.2 三相不平衡且中性线断线或阻抗较大导致中性点位移

如图2所示, 三相不平衡的TN-S系统中, 中线完好时, N1点为负荷中性点, 因为此时N1至U1、V1、W1电压绝对值相等, 但由于某种原因使中线断线或接地不良, 这时N1点不再为中性点, 这种现象称为中性点位移。这时, 各相负荷承受的电压变大或变小, N1点电位发生变化。

1.3 中线 (零线) 中有较多高次谐波电流流过

供电系统中的谐波电流源通过电网将在阻抗上产生谐波压降, 从而导致谐波电压的产生。由于谐波电流必然在零线上产生压降, 而使零地电位差抬高。

1.4 磁场干扰

当零线与其它线路构成较大回路, 且受磁场干扰, 零线中会产生感应电压。这在设备未开机, 零线线缆较长时表现更为明显。

1.5 接地电阻不符合要求

在共用接地系统中, 零线接地电阻、地线重复接地电阻要求小于4欧姆, 若接地电阻太大或与大地接触不良, 受电流在接地电阻上产生电压降的影响, 零地电位差可能抬高。

1.6 P E线中存在较大的电流

正常工作时, PE线中不应有电流, 但若出现以下情况都可能导致PE线中有电流从而有电压降的存在。这样, 沿PE线, 各点零、地电位差就会出现不一致现象。

1.7 接地时使用了不同材料的接地极

施工时为了降低工作接地的接地电阻, 采用铜作接地极, 而PE线重复接地时, 为降低工程造价, 采用角钢作接地极, 这时不同材料会在土壤中呈现不同电位, 从而造成电位差。如表1, 工作接地用铜, 重复接地用铁, 则两极之间就会产生0.777V的电位差。0.777V的电位差对于某些零地电位差要求较高的设备来说是不可忽视的。

2 降低电位差的方法

针对以上电位差产生的原因, 分别提出以下改进方案。

2.1 三相负荷不平衡造成零线电流较大时

(1) 调整单相负荷的布局, 尽量使单相负荷平衡的分布在三相中, 同时要考虑到用电设备功率因数的不同, 尽量兼顾有功功率和无功功率均能平衡分布。

(2) 对N线在负载部分进行重复接地, 但应该注意不能与PE线的重复接地合用一个接地极, 且N线的重复接地线与PE线的重复接地线绝缘, 不得有电气联结。N线重复接地可以抑制零电位漂移。

(3) 使用可调整不平衡电流功率因数补偿装置。该装置用微机控制, 通过在各相与相之间及各相与零线之间接入不同数量的单相电力电容器的方法来校正三相不平衡电流, 也能补偿功率因数。

(4) 在零、地电位漂移不太大的情况下加粗零线, 从而使导线阻抗下降, 零线电流引起的电压降相应地减小。或者使用无流零线, 不过线路较长时, 费用也相当可观。

2.2仔细检查中线有无接触不良或断线, 并可设置中线断线保护, 一旦发生断线而使中性点电位漂移, 保护装置就会动作跳闸

2.3防止和减少谐波电流的方法有

(1) 防止用作无功补偿的并联电容器组对谐波进行放大。在用户供电系统中, 并联电容器组作为无功功率补偿设备得到广泛应用。然而电容器的谐波阻抗小, 谐波电压会产生较大的谐波电流, 并且电容器对谐波有放大作用。

(2) 增加整流装置的相数。增加整流装置的相数是限制高次谐波的最基本和最常用方法之一。多相整流变压器二次绕组进行不同组合, 可实现6相、12相、24相或48相整流。采用多相整流可显著减小低次谐波含有率, 但高次谐波仍然存在。

(3) 使用电力谐波滤波器, 当增加整流装置相数仍不满足要求时, 可考虑采用电力滤波器。有源电力滤波器有良好的作用效果。

2.4 改善电磁场环境条件, 降低电磁场干扰源强度

这就必须做到机房屏蔽 (含建 (构) 筑物的屏蔽) 和设备屏蔽。还有选用各类屏蔽线缆或穿金属管布设。为减少不同类线缆相互间的耦合, 合理布线十分重要。采取多点接地, 缩小可能产生的回路面积, 降低回路感应电压和感应电流。

2.5 降低接地电阻值, 保证工作接地与重复接地接地良好

2.6 对零地电位差要求非常高的机房, 供配电系统中的重复接地宜和中性线接地采用同一接地极, 最好都使用铜材料

3 结语

电位差对于保证专业机房正常工作有着不可忽视的影响, 金融系统的机房供配电系统中电位差应控制在1V以下较为理想, 必须引起高度重视。引起电位差的原因较为复杂, 实际工程中设计中要充分考虑系统对电位差的要求, 根据实际情况, 进行科学、经济、细致的工程设计, 确保系统能够正常运行。

摘要：在电子信息系统机房的接地系统中, 为了保证系统的安全可靠运行, 必须尽量设法降低或消除各种零地电位差。本文分析了信息系统机房防雷、设备接地系统中电位差形成的原因, 并提出了减小或消除电位差的办法。

关键词：接地系统,等电位,谐波电流

参考文献

[1]GB50057-94.建筑物防雷设计规范. (2000年版) .

[2]杨岳.电气安全[M].北京:机械工业出版社, 2003.6.

[3]王兆安, 杨君, 刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社, 1998, 9.

地电位差 篇2

1.国网冀北电力有限公司廊坊供电公司；

2.国网冀北固安县供电有限公司；

3.国网冀北固安县供电有限公司

摘要：当10kV裸导线线路上的鸟窝带电拆除时，鸟窝中金属丝容易成为带电导体。为避免金属丝成为带电体，研制了10kV裸导线直线杆鸟窝清理遮蔽罩，保证了地电位作业人员安全，实现了随时清理10kV裸導线直线杆鸟窝。

关键词：含铁丝鸟窝；中相裸导线遮蔽；边相裸导线遮蔽；支瓶绑线遮蔽

1 背景

含有铁丝的电杆上的鸟窝往往拆除及治理较困难。原因是：有些鸟窝的交通位置不方便，带电作业车可能无法到达。即使能够到达，如果作业车辆占地面积大影响农民利益，不利于鸟窝的拆除。采用地电位作业法拆除裸导线的电杆鸟窝时，作业人员使用绝缘杆操作头的铁钩操作。当线路带电拆除时，鸟窝中金属丝容易成为带电导体，如果金属丝落到导线上，将会造成线路跳闸或接地。为顺利完成拆除鸟窝，保证工作人员安全，可以将拆鸟窝时涉及到的直线杆上裸露导线、边相支瓶绑线有效遮蔽，一旦有铁丝意外落到遮蔽物上，不会造成线路故障。

2 技术难点

（1）中相裸导线有效遮蔽方案的实施与撤除；

（2）将边相裸导线及支瓶绑线有效遮蔽方案；

（3）边相裸导线及支瓶绑线有效遮蔽方案的实施与撤除。

3 实施方案

3.1 中相裸导线遮蔽罩的研制

（1）设计方案的选择，见表1。

表1 中相裸导线遮蔽罩设计方案及分析

序内 容优 点缺 点结 论

1方案1：制作具有一定长度手柄的通过人手握力实现控制绝缘夹子张开闭合的遮蔽罩。夹子两个夹板尺寸大小相同，清理鸟窝工作时将裸导线夹在夹子两片夹板中间。能完成工作。由于中相遮蔽需要手柄较边相长0.7米，不便于普通抢修车运输。费用高。不采纳

2方案2：制作内含弹簧机构的悬挂式遮蔽罩，手柄设计长度600mm，末端有公扣，清理鸟窝工作时与导线保持相对静止。能完成工作。便于普通车辆运输。无。采纳

（2）设计并制作中相裸导线遮蔽罩，如图1所示。

图1 中相裸导线遮蔽罩

图2 边相支瓶绑线遮蔽罩

图3 边相裸导线遮蔽罩

实验证明，中相裸导线遮蔽罩的夹子产生的正压力具有防止导线弧垂引起的下滑移动的能力。

3.2 边相支瓶绑线遮蔽罩的研制

（1）设计方案的选择，见表2。

表2 边相支瓶绑线遮蔽罩设计方案及分析

序内 容优 点缺 点结 论

1方案1：在边相支瓶绑线遮蔽罩两边缘处设计垂直于地面的凸体，在边相裸导线遮蔽罩两侧设计覆盖“凸体”的几何体，完成边相裸导线与支瓶绑线遮蔽罩的临时搭接。能完成工作。用料多，质量大，费用高。不采纳

2方案2：在边相支瓶绑线遮蔽罩两边缘处设计平行于地面的“凸体”，工作前将边相裸导线遮蔽罩覆盖在“凸体”上。鸟窝清理后，先移开两侧边相裸导线遮蔽罩，再拆除边相支瓶绑线遮蔽罩。手柄长度1700mm。能完成工作。用料少，质量轻，费用低。手柄长不便运输及存放。不采纳

3方案3：在边相支瓶绑线遮蔽罩两边缘处设计平行于地面的“凸体”，工作前将边相裸导线遮蔽罩覆盖在“凸体”上。鸟窝清理后，先移开两侧边相裸导线遮蔽罩，再拆除边相支瓶绑线遮蔽罩。手柄长度600mm，末端有公扣。能完成工作。用料少，质量轻。便于运输存放。无采纳

（2）设计并制作边相支瓶绑线遮蔽罩，如图2所示。

用法：取带有母扣的绝缘杆1节，与边相支瓶绑线遮蔽罩手柄处公扣旋转拧紧连接好。作业人员手举绝缘杆及边相支瓶绑线遮蔽罩，沿着线路方向扣放在支瓶上方，将遮蔽罩的支持脚平稳放在铁担上。

3.3 中相裸导线有效遮蔽方案的实施与拆除

实施：先在中相支瓶两边导线上放好中相裸线护罩，要求裸线护罩边缘能接触支瓶即可。

拆除：鸟窝拆除工作完成后，取下中相裸线护罩。

3.4 边相裸导线及支瓶绑线有效遮蔽方案的实施与拆除

实施：先在支瓶上放好支瓶护罩，再放两边裸线护罩，要求裸线护罩边缘压接支瓶护罩的矩形环氧玻璃钢上。

拆除：鸟窝清理工作完成后，先取下裸线护罩，再取下支瓶护罩。

4 结论

（1）边相支瓶绑线遮蔽罩工作时不会因偏心翻转。

（2）中相裸导线遮蔽罩及边相裸导线遮蔽罩工作时不会因导线弧垂下滑。

（3）10kV裸导线直线杆鸟窝清理遮蔽罩满足了现场使用需要，避免了拆除鸟窝引起的停电。

参考文献：

变电所地电位干扰防护措施研究 篇3

1 地电位干扰对二次线的感应电势的影响

为了准确地分析变电所或输电线路遭受雷击, 雷电流经避雷器、避雷针及避雷线的接地引下线引入地网对二次造成的暂态干扰, 必须对雷电流在接地网上的分布进行研究。采用对单元接地体以集中参数取代分布参数的方法, 有效地对雷电流在接地网上的分布进行数值计算, 并由此定量地计算和分析对二次回路的干扰影响。

在雷电流作用下, 单元接地体可用L、G、C组成的π型等值电路来表示, 同时考虑平行接地体间互感M。当电缆线与接地线在同一条电缆沟内布置时, 地线遭受雷击后会在周围产生强烈的电磁场使电缆产生感应过电压。

假设遭受闪击电流峰值取10 kA, 雷电流陡度取2.5μs, 因变电所的地网水平接地极所用的扁钢间距约为13×13 m, 埋深为0.8 m。土壤电阻率为36Ω·m。按照参考文献[2]计算得出, 单根接地体的电阻为0.0052Ω, 电感为71.4 H, 对地电导为46Ω, 对地电容为7.8 F。在距雷击点100 m产生的感应电压高达1 271 V。可见从理论上算得的雷电流对二次的感应是非常大的。

如果以电缆代替开口金属环, 则会在电缆中感应出共模电压和差模电压, 以共模耦合和差模耦合的方式将干扰电压传至二次设备处, 可能引起设备对地绝缘损坏。

2 屏蔽电缆的接地方式对地电位干扰的影响

变电所内计算机控制系统一般都安装在中心控制室, 而被控制的一次设备往往在高压室或室外设备区, 计算机控制系统与被控制设备的连接, 一般通过屏蔽电缆连接, 屏蔽接地一方面防止外来电磁波的干扰和侵入而造成电子设备的误动作或通信质量的下降, 另一方面防止电子设备产生的高频能向外部泄放。

这里主要讨论屏蔽电缆的接地方式对地电位干扰的影响。电缆屏蔽层的接地有两种接地方式, 即两点接地和一点接地。对于通过电容耦合的电场干扰, 一点接地即可大大降低干扰电压, 发挥屏蔽作用。对于通过感应耦合的磁场干扰, 一点接地不能起到屏蔽作用, 只有两端都接地, 外部干扰电流产生的磁场才能在屏蔽层中感应产生一个与外部干扰电流方向相反的电流, 这个电流起到抵消降低干扰电流的作用, 即屏蔽作用。

但是, 两点接地存在两个问题:其一, 当接地网上出现短路电流或雷击电流时, 由于电缆屏蔽层两点的电位不同, 使屏蔽层内流过电流, 可能烧毁屏蔽层;其二, 当屏蔽层内流过电流时, 对每个芯线将产生干扰信号。

因此在防护由雷电流或短路电流引起的地电位干扰时, 更多的是采取屏蔽电缆一点接地的方式。

3 二次设备接地方式对干扰的影响

对于二次系统的接地, 一是为了避免工作人员因设备绝缘损坏或绝缘降低时, 遭受触电危险和保证设备的安全而做的安全接地;二是为了自动化系统或它的子系统一个电位基准, 保证其可靠运行, 防止地环流引起的干扰应做的工作接地。二次系统的接地方式有三种:悬浮接地, 单点接地和多点接地。

3.1 悬浮接地

悬浮接地系统的有效性取决于悬浮系统与临近导体的隔离程度, 但设备中很难获得真正的隔离, 即使做得到了隔离, 在设备的使用中也很难保持。同时, 被隔离的信号电路中产生的静电没有泻放回路, 从而极易发生电击和火花放电的危险。所以在电力系统和保护和信号系统中一般不采用此接地系统。

3.2 单点接地

在这种系统中电路以一点作参考, 然后把这个单一的点连接到设备的接地系统即主地网中。在理想的单点接地系统中, 各条接地导体从设备的接地系统的同一点出发, 并延伸至整个设备的各种电路的回流通道上。通常这种接地方法需要大量的导线, 不够经济, 所以经常采用近似单点接地系统, 即采用公共母线的单点接地系统。该系统利用多条接地母线从接地系统自保护到各个独立的电子设备上。

3.3 多点接地系统

一般讲, 系统的工作频率在1 MHz以下时, 采用一点接地方式, 当频率高于10 MHz时, 多点接地是唯一实用的方法;工作频率在1～10 MHz之间, 如采用一点接地时其地线长度不得超过信号波长的1/20 (如10 MHz时不超过1.5 m) , 否则应采用多点接地。

实际上, 变电所的二次设备多有专用接地铜排的敷设, 接地铜排并不是仅仅出于高频保护的反措要求, 而是出于均衡地网电位、保证接地点数量的目的、降低地网回路电阻的目的。变电所保护室每一排保护屏下方设专用铜排, 首尾相连, 布成可以覆盖所有与一次设备有电气联系的控制保护柜的铜排环网。保护屏内的小接地排用不小于30 mm2的绝缘导线与铜排连接, 为安全可靠起见, 柜内小接地排也应同时与主地网相连。铜排应用不小于150 mm2的绝缘导线, 在电缆竖井中明显接地点处与主地网一点连接或多点连接, 并定期检测该接地点的接地电阻。

4 变电所地电位干扰的综合防护

4.1 接地

变电所接地是保证人身安全以及电气设备和过电压保护装置正常工作的非常重要的技术措施。除此之外, 接地技术也是抑制噪声的重要手段, 良好的接地可以在很大的程度上抑制装置内部的噪声耦合, 防止外部电磁干扰的侵入, 从而提高系统的抗干扰能力。

在防护地电位干扰时, 接地技术无论在控制干扰源, 使其不产生干扰, 或削弱干扰源的幅值, 将干扰降到一定水平;还是切断干扰途径, 阻止干扰耦合到敏感设备或降低干扰程度;以及提高易受影响设备的抗干扰能力等抑制干扰各个方面都发挥了重要作用。

4.1.1 在干扰源上

变电所接地网的技术参数好坏主要与接地网面积、土壤电阻率、入地短路电流和短路持续时间有关, 而这些都反应在接地网的接地电阻上。一个有效接地和低电阻接地系统中变电所电气装置保护接地的接地电阻宜符合下列要求:

式中, R为考虑到季节变化的最大接地电阻 (Ω) ;I为流经接地装置的入地短路电流 (A) 。

这就要求接地网的地电位升高的最大值不超过2 000 V, 如果地网的接地电阻不能达到式所述要求, 可以采取以下降阻措施降低变电所的接地电阻: (1) 充分利用自然接地体降阻; (2) 采用外引接地装置; (3) 采用深井式接地极; (4) 填充利用电阻率较低的物质或降阻剂。

4.1.2 从干扰途径上

在上文中已经论述了在防护地电位干扰时, 被控的一次设备有接地电流通过接地电阻入地, 由于屏蔽电缆的屏蔽在此点是悬空只要接地电阻上的电压不足以高到向电缆反击, 那么这个升高的电位就不会被引到计算机控制系统内。若屏蔽电缆在被控设备处接地, 当接地电流流入大地时, 这时在电阻上将产生压降, 这个压降同时加在屏蔽电缆的屏蔽层对芯线电容和芯线与计算机各器件对地的杂散电容上, 升高的电位通过电容的耦合, 几乎全部加到计算机的内部器件对地之间, 对计算机控制系统构成了很大的威胁。屏蔽层两端接地时, 若接地网上出现短路电流或雷击电流, 由于电缆屏蔽层两点的电位不同, 使屏蔽层内流过电流, 可能烧毁屏蔽层, 也会对每个芯线产生干扰信号。

因此, 为切断由传输线引入二次设备的干扰, 采用屏蔽电缆的屏蔽层在控制设备处一点接地的效果较屏蔽层两端接地和在被控设备处接地的要好些。

4.1.3 被干扰设备

二次设备的接地包括安全接地和工作接地。对于二次弱电设备的安全接地抑制干扰来说, 应与一次设备的接地共用一个接地网, 接地线也要尽可能短, 而且采用多点接地的干扰影响要远低于一点接地。因此, 建议对于二次系统的接地通常把不应产生有危险的电位差的各类设备金属部分相互连接起来, 成为等电位体并予以接地。

4.2 均压

均压的目的是减小接地网内的接触电势和接地网外的跨步电压。常采用的均压措施是在高压配电装置的地面下, 设置水平敷设的人工接地网, 接地网的外缘闭合, 网内设置均压带;35 k V及以上变电所接地网边缘经常有人出入的走道处, 应铺设砾石、沥青路面或在地下敷设两条与接地网相连的帽檐式均压带。

尽可能地将建筑物的钢筋、埋于地下的金属管道以及其他可以利用的金属结构物等连成通路, 且与接地网可靠连接。是为了造一个均衡电位接地系统, 避免出现危险的电位差对人身安全带来的危害。通常在独立避雷针、避雷器和避雷线附件采用垂直接地体加强集中接地和散泄大电流之用。

在设计接地网时应尽量采用方孔地网以改善地面电位分布, 对方孔地网的网格大小要从地电位分布均匀考虑, 防止局部电位升高。对于方孔地网和矩形地网的均压效果及网格大小的影响已通过实验和仿真分析论证了。除此之外, 特别是在避雷器、构架避雷针和主设备接地部分要增加垂直接地极或放射状接地极以改善冲击电位分布, 防止雷电流入地时造成局部电位升高。在电缆沟内要设置接地带、在电缆沟附近要设置与电缆沟平行的水平均压带以改善电缆沟的电位均匀。防止地电位不均对二次回路的干扰。接地网表面的地电位分布要满足接触电压和跨步电压的要求。

式中, UJ为接触电位差 (V) ;Ug为跨步电位差 (V) ;ρf为地表土壤电阻率 (Ω·m) ;t为接地短路故障电流持续时间 (s) 。

4.3 屏蔽

屏蔽的实质是通过具有良好导电性的金属所构成的全封闭壳体来隔离和衰减电磁干扰, 电子设备常用的屏蔽有设备的金属外壳、屏蔽室的外部金属和电缆的金属护套等, 采用屏蔽措施对于保证电子设备的正常和安全运行是十分重要的。特别是敷设在高压导线附近的二次电缆, 如果不采取屏蔽措施, 一次回路或其他干扰源会通过各种耦合作用在电缆芯线上产生干扰电压。现场的实测表明, 在220 kV高压母线下方平行放置的一根135 m长的无屏蔽的塑料电缆, 当用隔离开关切合空载母线时, 电缆芯线上的感应电压可达到1 500～1 600 V。如果采用金属外皮的屏蔽电缆, 而且对电缆的外皮进行接地处理, 则不论对容性耦合或感性耦合产生的干扰都有明显的抑制作用。特别是接地点选在近端 (控制室端) , 与不接地比, 感应电压可降至1%以下。除此之外, 放置在地面以下电缆沟中的二次电缆要充分利用电缆沟的屏蔽作用, 电缆沟最好能靠近接地网的导体并与之平行, 还可以考虑在电缆沟内沿电缆走向的上方敷设接地导线, 并与接地网相连, 用以增加静电屏蔽作用。

4.4 含压敏电阻的低通滤波器的电源系统保护

二次系统中的稳压电源系统提供必要的电压及能量给电子电路使用, 可划分为两类:一类是输入与输出为隔离的稳压系统, 稳压系统的输出以50 Hz/60 Hz变压器或高频变压器对输入的电力进行隔离。输出端可在机壳上接地或是利用光电耦合装置作为零电位, 浮接输出端, 以切断可能形成的地环路。另一类是输入与输出未隔离的稳压系统, 输入与输出端间不含金属类的隔离层, 此时输出端的零电位总是在机壳上接地。若为第一类电源系统时, 对于高频暂态干扰, 隔离变压器和光电耦合器的作用不是很突出。因此在电源系统的防地电位干扰中, 通常采用电源干扰抑制器。电源干扰抑制器的滤波器具有滤波衰减功能, 再加上压敏电阻的泄流限压功能, 从而使其整体保护功能有明显改善。电源干扰抑制器的输出电压是安全的, 不会出现过电压。再配合隔离变压器和光电耦合器, 形成比较理想的电源系统保护电路。

摘要：探讨了引起地电位干扰的主要原因, 针对存在的问题提出降低接地电阻、改善电位分布、等电位连接、金属屏蔽接地以及含压敏电阻的低通滤波器的电源系统保护等措施有效抑制地电位干扰。

关键词：变电所,地电压,抗干扰,接地

参考文献

[1]李宾皑.电力系统二次设备的接地和接地铜牌的敷设.华北电力, 2005, 33 (9) :60～63

地电位差 篇4

变电站地电位自动监测装置 (以下简称为装置) 应用于变电站地电位的无人值守自动监测与记录, 尤其是当输电系统发生故障、雷击时地电位变化过程的记录, 以便为电力系统运行、故障诊断、变电设施的设计改进等系列工作提供分析依据。根据某电力部门所拟定的设计任务和要求, 本课题所研制的装置主要功能分为两大部分:在线监测站内地电位, 当监测值达到预先设定的阈值时, 自动启动采集记录电路, 并将所记录的数据通过串行总线发送到附近中心控制室的PC上, PC接收数据以文件形式存盘并在屏幕上绘制出由该数据形成的变化过程曲线;通过一个光电式高压隔离电话接口与外界固定电话网络进行信息交流 (包括平常的电话使用和Internet网络应用) , 隔离接口主要为了防止变电站内电位异常升高时会将异常高压引到电信线路上。为求简捷方便且节省投资, 电话通信线路与监检系统本身上、下位机间的数据通信线路共用, 且仅用两线制普通电话线 (采用原来敷设好的电话线, 不再另外增加工程) , 电话的使用与平常使用方法、操作习惯相同, 在启动监测电路时能自动转换为传输监测数据。

1 装置的组成框图及基本工作过程

组成框图如图1所示, 主要由外侧电话接口、内侧电话接口、通信接口、数据采集电路、光纤、传感器、PC等部分组成, 总体工作的基本过程简述如下:

(1) 数据传送状态。设计一个监测电路, 用以监测传感器提供的“当量地电位”, 只有在监测到“当量地电位”达到某一指定的阈值时, 才自动启动A/D采集电路, 这时单片机采集地电位数据并存入数据存储器, 随后将数据包通过数据通信接口和变电站内部的通信线路 (普通电话线) 上传送入PC, PC在接收数据串时在屏幕上画出时域波形, 同时将数据以文件形式存盘以便事后重新观察分析数据和绘制波形曲线。在数据上传的过程中, 由单片机控制自动切断内侧电话接口, 使得站内电话线路与电话外线断开, 以达到传送数据时电话内线与电话外线无任何联系的目的, 即数据通信具有高级别权限。

上位单片机设置了两个按钮, 用于输入两个命令:“上传”和“调试”。“上传”命令能使数据采集系统所采集到的数据重新上传一遍, “调试”命令能使数据采集系统自动产生一组三角波数据并上传, 其目的在于平时可以检验上下位单片机、通信接口、上传线路、接收系统的工作是否正常。

(2) 常态。 通常状态下, 数据采集电路 (下位单片机系统) 没有投入工作, 而上位单片机系统处于工作状态, 它随时监测内部电话机的提机/挂机状态, 一旦检测到有效的提机信号, 即刻向下位单片机发出信息, 这时下位单片机控制接通内侧电话接口, 内侧电话接口开始工作并通过光纤向外侧电话接口送“呼出”信号, 于是外侧电话接口自动实现模拟提机, 这样就接通了外部电话线与内部电话机的音频信号通路, 内部电话机就可以象普通电话一样与外界通信, 包括DTMF拨号和语音通话[1]。

2 装置的组成原理

2.1 光电隔离电话接口

图1中“外侧电话接口”和“内侧电话接口”分别装在同一个圆柱形的陶瓷壳体内的两端, 中间通过两根30 cm光纤进行通信, 实现电气高压隔离[2,3]。内外侧电话接口框图分别如图2和图3所示。

2.2 数据采集与传输

2.2.1 基本工作原理与过程

数据采集、存储、传输及接口由下位单片机系统组成, 如图4所示。

传感器把感应到的高压转换为合适数值的低压, 经传感器插座送入放大器MAX473[4], 放大器输出的电压 (0～5 VP-P) 送入A/D采集转换器MAX191[4], 该A/D转换器的分辨率为12位, 其输出由单片机AT89C51[5]读取并存入RAM (通过CZ3, CZ4, CZ5连接) , 采集容量满时, 把整组数据通过串行数据通信接口经插座CZ2、站内的通信线路 (即原电话线) 上传到PC机。

比较器LM358[6]又称监测器, 当放大器MAX473输出电压幅值达到约0.1 V (该阈值可调节) 时, 比较器输出低电平信号, 即启动单片机数采系统进行数采和数据上传。

2.2.2 上位机构成

图5所示是上位机的组成原理图, 主要由PC、串行通信接口、单片机AT89C2051等组成。下位机上传的数据经电话线路送至插座CZ3的A、B两线, 其中A线为系统公共线, B线经三极管T3、非门U3F、电平变换电路MAX232送入PC机的标准串行口[7], PC机画出即时曲线, 亦可事后重绘曲线。

上位机包含了一个小单片机系统, 它的主要工作任务有:向下位机发送命令 (呼叫上传数据、呼叫调式数据、本机电话提机信号等) ;接收下位机的外线呼入信息, 上传或下传的命令、信息均以串行数据方式传送;当收到呼入信息时, 控制一个振铃音响电路工作 (由音乐IC及喇叭等组成) , 以便发出铃声或其他类型的振铃音响;检测两个用于人工输入命令 (上传呼叫和调试呼叫) 的按钮;检测本机电话的提机/挂机。

2.2.3 串行数据通信接口

串行数据通信接口采用了一种特别构造的斩波式串行数据通信接口, 半双工工作方式, 其数据格式符合RS 232规范[8] (停止、起始位各一位, 有效数据8位, 无奇偶校验) , 但其电平既不符合RS 232电平也不符合TTL电平。该结构的显著特点在于能在传输串行数据的同时又能通过同样的传输线路为下位机的数据采集系统电路提供电源, 同时具有电路简单、抗干扰强, 传输距离远等优点[9]。

图6为斩波式串行数据通信接口的电路原理图。串行数据的传输与下位机的馈电线路同用A、B两根线路。当上位机向下位机输出数据时, TTL电平的串行数据信号经过非门U3E倒相、三极管T1放大, 在其集电极得到如图7所示的波形, 其高电平约为20～24 V, 低电平为9 V, 然后经稳压管送上线路的信号波形如图8所示。当上位机从下位机获取数据时, 线路上的信号 (波形如图8所示) 经过二极管D1加到电解电容E1, 在波形的高电平期间, 对电容E1充电, 在波形的低电平期间电容E1放电, 由于二极管D1的作用, 使充电快而放电慢。

因此电容E1上的电压 (即三极管T2发射极电压) 能维持在约20～24 V, 同时线路上的信号经10 kΩ电阻加到三极管T2的基极, 在信号波形高电平期间三极管截止, 在信号波形的低电平期间三极管T2饱和导通, 于是在三极管T2的集电极输出倒相的波形, 再经过非门U3F的输出端得到了TTL电平的串行数据信号。下位机向上位机输出数据和下位机从上位机获取数据的工作原理同上所述。

2.3 电源

系统电源有+12 V和+48 V两组, 12 V电源是220 V市电经变压器变压、整流滤波、稳压取得, 供上位单片机等电路使用;+48 V电源是+12 V电源经DC-DC变换后得到, 作为电话通信环路 (包括电话机) 所需的电源[10], 同时也作为下位单片机系统以及内侧电话接口的供电电源, 馈电原理见图4、图5和图6。图6中的+12 V电源由电源插座引入, 经三端稳压器7805稳压后供给上位单片机等电路。图5中, +48 V电源由电源插座引入后, 一路经R2, CZ4供给站内电话机使用;另一路经R1, CZ3送入站内的电话线路, 经过站内的电话线路, 又送至图4中下位机的CZ2, 经稳压器U7: 78L05供给单片机AT89C51及数据采集等电路、经三极管Q3供给内侧电话接口。

外侧电话接口的供电由电信局的电话线路提供 (仅在模拟提机时) 。

3 结 语

该装置能有效实时监测、记录高压变电站异常地电位变化情况和变化过程, 为变电站运行故障诊断提供分析依据;光纤耦合高压隔离电话接口能有效防止站内的异常高压被引到电话馈线上;本装置中所设计的斩波式串行数据通信接口简单可靠, 具有特色, 可实现数据传输与远端电子装置的馈电共线, 且抗干扰能力很强。在后继的研究中, 将继续引入无线监测方式把数据传送至更远的控制中心。

参考文献

[1]李令奇.电话机原理与维修[M].北京:人民邮电出版社, 1992.

[2]何书森.实用模拟电路原理和设计速成[M].福州:福建科学技术出版社, 2002.

[3]何书森.实用遥控电路原理和设计速成[M].福州:福建科学技术出版社, 2002.

[4]MAXIM公司.美信产品资料[M].北京:MAXIM公司, 2002.

[5]薛钧义.MCS-51系列单片机微型计算机及其应用[M].西安:西安交通大学出版社, 1997.

[6]佚名.LM358 PDF应用电路资料及引脚图[EB/OL].[2007-09-04].http://www.51hei.com/chip/lm358.html.

[7]佚名.计算机RS 232串行通信接口应用[EB/OL].[2010-08-06].http://www.ourmpu.com/mcujx/rs232tx.htm.

[8]百度百科.RS 232[EB/OL].[2008-04-12].http://baike.baidu.com/view/196461.htm.

[9]何书森.实用电子线路设计速成[M].福州:福建科学技术出版社, 2005.