基于单片机控制的变电站继电器维护系统研发
摘 要
本文结合单片机系统开发出一套继电器只能检测系统。
【关键词】单片机 继电器检测
1 引言
随着微机保护配供电系统的大量投入使用运行。供配电系统的可靠性显得尤为重要。
微机综保系统的优点是程序控制，动作敏捷，故障容差可以设置的很低。看起来似乎是没有缺点了，但是经过大量的值班经验来看，微机综保系统最大的缺点是执行继电器和中间继电器的可靠性问题。本文主要针对继电器接触器特点，设计维护实验平台，在设备上机前将可靠性不高的问题继电器筛选出来。单片机工作在小电压环境下，其动作迅速，且可编程。人机接口及数据库接口可以提供一个存储样本继电器的数据空间，配合图表等手段可以帮助工程技术人员分析事件发生的原因和预判故障产生的原因。
2 继电器工作原理
继电器，接触器是电磁类之情器件。当线包得电后，在电磁铁辛中会产生一个磁场，该磁场会吸引动衔铁，衔铁带动动触点与静触点结合。触电种类分动合节点和动断节点，又叫长开节点和长闭节点。继电器接触器线包又分为交流线包和直流线包。交流线包电抗成分大，直流线包电阻成分大。电磁铁心由于要避免电磁感应之涡流存在，往往是很多密集的硅钢片叠加而成。由于交流线圈会有电压过零点的问题，所以其铁心中会有磁场短路环用来避免磁滞场过零点。
综上所述，继电器内部机械结构多，电磁震动等现象明显，杠杆弹簧等易失效器件多。故根据木桶原理，整个系统的可靠性便由此拉低。为了避免上述问题的发生，人们发明了固态继电器，干簧管继电器等等设备。但是就使用环境，应用广度来说还是无法全面的替代传统的电磁继电器。因为固态设备不能工作在大电流高温的环境下。必要时还要强制冷却，这样就不得不得增加一套散热设备。增加了成本不说，还会增加故障点。我们都知道设备的可靠性是各个子系统可靠性的成绩，当环节越多那么整体的性能就越低。
3 设计初衷
首先，继电器接触器是电磁动作的器件。那么想要实验就必须要定期周而复始的让其动作。其次，动作之后要监控其动作结果---节点闭合断开的效果和相应时间。本着实用的原则，实验环境要模拟综保柜内的环境：温度环境，湿度环境，电磁震动环境，强电磁场环境等等。
4 实验设备原理
系统原理如图1所示：
该系统由上位机系统、计数器及系统、环境变量控制子系统、电阻测量子系统构成。上位机系统负责联络数据库，对产品库样本进行数学统计，并为每一个实验对象生成一个身份id。人机接口负责协议的转换等工作。计数器子系统用来产生继电器动作信号及对动作信号的检测相应时间等参变量的收集。环境变量子系统负责模拟控制柜内部的环境，主要是温度变量，湿度变量，加速度变量，电磁场变量等等。电阻测试子系统又分为动合电阻测量和动断电阻测量。其是最关键的系统，对其辅助工作的有大电流子系统（该系统为画出）。
4.1 计数器子系统
如图2所示，计数器子系统接口负责与上位机系统进行数据整理和协议转换。这里着重说明一下外部触发计数器。为什么不用单片机内部的计数器呢？因为单片机内部计数器直接输入单片机，我们知道单片机是弱电控制，直接进入信号会对整个系统产生危害，那又为什么不采用光电隔离呢？这是因为本套设计不仅仅应用在大的接触器继电器上，同时还要应用在微小的继电器上。微小继电器动作时间短，大继电器动作时间相对较长。那么为了合理的控制触发时间我们选用了专业的外部触发电路计数器，其触发方式可编程，触发时间可编程。这就合理的利用的单片机资源，该芯片型号为8253.
4.2 触点电阻检测子系统
如图3所示，触点电阻检测子系统由单片机控制，利用大电流生成器来使触点工作在固定工况下。大电流流过触点后会产生小的压降，这个压降利用H电桥原理会使电桥不平衡，那么单片机发出控制信号是对臂电阻调整到电桥平衡，这样就可以将该电阻值通过ad转换为数字信号送入单片机，在接口电路经过协议转换送入总系统中。
4.3 环境变量控制子系统
如图4所示，该子系统负责模拟继电器使用环境。除了单片机控制器外，每个环境变量都是闭环控制。其中温度加热靠电热丝。湿度控制靠超声波加湿器。震动控制靠大功率陶瓷压电振动仪，电场控制靠高压线圈升压产生高压静电场。温度控制环节采用数字温度传感器对温度采集，编程方式采用温度回差控制，加热方式采用继电器控制电阻丝投入的个数，并且单个电阻丝采用脉冲宽度调制的方式控制温升。湿度控制采用简易湿度传感器，因为在高温环境下，高湿度和高压会产生拉弧放电的问题，故系统还有相应的湖光检测装置，该装置一旦动作则高压系统立刻接地处理，计数器记录一次拉弧放电动作事件给接口电路。如果拉狐现象发生在环境中而非触点之间是，则该事件不做记录。但是保护电路仍然会动作。为的是不损伤实验仪器。值得一提的震动控制环境。其执行机构采用压电陶瓷，该类材料可以产生由小到大不同的震动频率和幅值。而且其状态配合放大电路和控制电路还可以实现可编程的优点。综合保护环节（未画出）。该环节用来保护实验人员的安全，当设备门被打开时，高压加热震动等装置就会强制停止，保护实验人员的安全。
5 总结
综上所述，我们研发的这套系统可以使普通继电器工作在人工模拟的环境下。通过使其工作环境更价恶劣，提前判断出该实验品批次的整体性能，进而根据其表现情况决定其是否应用在更加重要的环节。
有了这套设备，我变电站对所使用的继电器做了全面的实验，实验环境按等级分为四等：
其中A等为及其恶劣环境。B等为相对恶劣环境。C等为常规环境。D等为纯计数环境。
值得说明的是D等级，纯计数环节，在该环境下，继电器动作频率是最大的。就我变电站采用的正太20A接触器来说可以达到2HZ的动态频率。就是说利用频繁的动作来表征出继电器可靠性的高低。
成功的应用这套设备，可以提高变电站维护水平。
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作者单位
国家新闻出版广电总局523台
