王黨席，韓曉飛，楊小林

（陜西省地震局，陜西 西安710068）

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們對地震行業(yè)提出更高的要求。為了提高地震監(jiān)測能力，增加地震速報的準確性，為地震科研積累更多的第一手數(shù)據(jù)資料，地震局增加了一大批無人值守的地震臺站。這些地震臺站基本分布在偏僻地區(qū)，當?shù)氐慕涣麟娛褂脴O其不規(guī)范，大功率電器隨意接入電網(wǎng)，很多地方的電力線年久失修，造成電網(wǎng)電壓波動、頻繁跳閘，影響了監(jiān)測質量。為此研發(fā)了一種交流電保護系統(tǒng)，這套系統(tǒng)既有自識別自恢復功能，也有遠程監(jiān)控和操作功能。該系統(tǒng)的投入使用將大幅度提高交流電的穩(wěn)定性，增加交流電的不間斷供給時間。

1 系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)分為上位機監(jiān)控軟件和臺站的交流電保護裝置。遠程監(jiān)控軟件可以對臺站的交流電狀態(tài)進行實時監(jiān)控，包括電流、電壓、裝置內(nèi)部的溫度以及停電時間等信息。當檢測到臺站的電流不穩(wěn)定，波動頻繁、干擾大，就可以遠程切斷交流電，對儀器起到保護作用?，F(xiàn)在的地震臺站都配有UPS，所以短時間的切斷交流電不會造成監(jiān)測數(shù)據(jù)的斷記。臺站的交流電保護裝置既要對電網(wǎng)中的參數(shù)進行采集，又要對電路進行保護；對電網(wǎng)中的電壓和電流進行實時監(jiān)測，并對環(huán)境溫度進行檢測，主控系統(tǒng)帶有鍵盤和液晶顯示，可以查看歷史數(shù)據(jù)。系統(tǒng)定期對線路中的電壓、電流、溫度進行采集，當檢測到電壓、電流值在閥值范圍以外時，將自動切斷交流電，根據(jù)程序預先設定的等待時間恢復交流電，再次重新檢測、判斷。

2 交流電保護裝置的軟硬件設計與實現(xiàn)

2．1 硬件設計

硬件模塊分為主電路和控制電路，如圖1。主電路部分采取三級保護，其主要作用是發(fā)生雷電或者突發(fā)情況能夠迅速切斷電路，保護后續(xù)設備的安全。第一級是防雷模塊保護，第二級是熱敏電阻保護，第三級是零序電流互感器保護?？刂齐妷毫亢碗娏髁客ㄟ^電壓傳感器和電流傳感器進行采集?？刂茊卧糠钟袉纹瑱C的電源模塊單元，模擬量采集輸入的調理電路、放大電路、驅動單元以及進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ拍K單元。

圖1 硬件單元模塊圖

主電路中的第一級模塊是防雷保護模塊。雷擊主要分為直擊雷和感應雷，不管是哪種雷電都會產(chǎn)生浪涌電流，對后續(xù)設備造成危害。目前我國的配電系統(tǒng)采用TN－C系統(tǒng)，所以在地震臺站一定要有良好的PE接地網(wǎng)，這是防雷的首要條件。在防雷保護模塊中采用火線L和接地線PE之間安裝一個壓敏電阻，零線N和PE之間也安裝一個壓敏電阻，平時這個壓敏電阻的阻值很大相當于開路，當火線或者零線中產(chǎn)生高的尖峰電壓或大的浪涌電流，壓敏電阻導通，電流就順著PE地線泄流了，起到了保護后續(xù)電路的功能。

第二級保護是熱敏電阻。它是安裝在火線和零線之間的一個電阻，平時阻值很大，一旦出現(xiàn)大電流，線路溫度升高，這個電阻就導通。當零火線短路就帶動前面的空開跳閘，起到保護線路的目的。

第三級是零序電流互感器。當設備正常運行時，流過火線的全部電流會從零線流回，互感器的進出電流保持平衡，且不變。原邊線圈里面的磁通完全消失所以互感器的副邊不會產(chǎn)生電流，當有故障或者觸電情況發(fā)生時，互感器原邊中的進出電流就會發(fā)生不平衡，那么在副邊就會產(chǎn)生一個相應的電流，對這個電流信號進行整流濾波，然后經(jīng)過運放電路，將其轉化為DC5 V以下的電壓信號，送到單片機的模擬量接口，單片機對其進行判斷可得出線路是否漏電、短路等狀態(tài)，從而及時控制繼電器的開斷。

模擬量采集部分對供電線路的電壓、電流進行實時采集，對環(huán)境溫度進行監(jiān)控。首先將三路物理信號轉換為電信號，然后再將這三路電信號通過信號調理電路轉換成單片機可以識別的電信號，接入單片機的模數(shù)轉換電路。采集到的數(shù)據(jù)在單片機內(nèi)部進行相應的存儲和顯示。采用美國模擬器件公司生產(chǎn)的AD590作為溫度傳感器，流過傳感器的電流反映器件所處環(huán)境的熱力學溫度，對其進行線路設計，采取電壓輸出，然后對輸出的電壓進行信號放大，直接輸入到單片機的模擬量接口上。電壓轉換電路采取霍爾電壓傳感器CHV－50P對電壓進行采樣，此款電壓傳感器輸出端與原邊電路是電隔離的，可測量直流、交流和脈動電壓或小電流。其磁補償式測量過載能力強，性能穩(wěn)定可靠，易于安裝。經(jīng)過霍爾傳感器采樣得出的信號為交流信號0～±5 V，而系統(tǒng)單片機的A／D輸入電平要求為0～5 V，所以需要信號調理電路將其轉變?yōu)閱纹瑱C能夠識別的電壓信號。電流采樣和電壓類似。單片機對溫度、電壓、電流等采集量進行分析，與閥值進行比較，超出閥值范圍及時關閉供電線路。

由于控制系統(tǒng)不能直接驅動被控元件，這需要由功率電路來擴展輸出電流以滿足被控元件的電流、電壓要求。ULN2003高壓大電流達林頓晶體管陣列產(chǎn)品就屬于這類可控大功率器件。本系統(tǒng)的驅動單元采用ULN2003，它也是一個7路反向器電路，即當輸入端為高電平時ULN2003輸出端為低電平，當輸入端為低電平時ULN2003輸出端為高電平，繼電器得電吸合。

本系統(tǒng)選取的單片機是Microchip公司生產(chǎn)的PIC系列40引腳的16F877，此款單片機有高效能的RISC CPU，工作電壓范圍2．0～5．5 V，帶有預分頻器的8位和16位定時器／計數(shù)器，兩個捕捉器，比較器，PWM模塊，10位多通道模數(shù)轉換器，帶有SPI和I2C模式的SSP，帶有9位地址探測的通用同步異步接收、發(fā)送器。為了保證單片機的安全可靠運行，由UPS給單片機供電，單片機對采集到的數(shù)據(jù)進行分析，如果發(fā)現(xiàn)電壓或者電流超出設定值的范圍，將立即關閉繼電器，切斷后續(xù)電路，保證后續(xù)設備的安全。可以根據(jù)需要設定自動恢復時間，在設定的時間到后，恢復繼電器的工作狀態(tài)，再進行線路檢測、判定和對繼電器進行相應的操作。

單片機使用的直流電源，由于某種原因凈化不佳，就會對系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，所以本系統(tǒng)供電模塊采用降壓型DC－DC轉換技術設計，先將交流電用變壓器降壓，通過整流電路，濾波電路，取得12 V的直流電，然后將12 V的直流電用降壓型電源管理單片集成電路進行處理，得到5 V的直流電。這種供電方法可以提高電路的供電效率，較好地隔離交流電網(wǎng)上的尖峰干擾，降低直流供電產(chǎn)生的紋波電壓干擾。

為了遠程監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)，及時了解系統(tǒng)的運行狀況，此系統(tǒng)必須具有遠程通信功能。通過遠程監(jiān)控可以對數(shù)據(jù)采集器死機的故障在線處理。目前的無人值守地震臺站絕大多數(shù)的通訊方式都采取有線或無線介質，并且已經(jīng)很成熟，利用路由接入可方便地將數(shù)據(jù)傳回省局臺網(wǎng)。

2．2 軟件部分的設計

本系統(tǒng)能夠完成電壓、電流、溫度的檢測，對漏電流、短路電流進行檢測判斷，能夠在過壓、過流、欠壓、漏電、短路狀態(tài)及時關閉供電線路，保證后續(xù)用電器的安全。根據(jù)設定時間，在定時器時間到后恢復供電線路，繼續(xù)對上述量進行檢測分析，有異常又馬上關閉供電線路。繼續(xù)等待設定時間到，再進行下一輪的工作。每次設定時間根據(jù)需要設置，恢復次數(shù)也是根據(jù)需要進行設定。

本系統(tǒng)的單片機程序設計采用結構化思路，將復雜的問題分階段進行處理。采用自頂向下的方法進行結構化設計，使得程序結構清晰，層次分明，容易修改。自頂向下的設計方法是根據(jù)程序所要完成的功能將程序劃分成幾個功能模塊，再將各個功能模塊細分下去，一直到不能再分為止。盡量降低各模塊之間的耦合性，這樣才能保證一個模塊修改時，其它模塊不受影響，如圖2、圖3。

3 結 論

圖2 主程序流程圖

降低地震臺站的交流電故障是本系統(tǒng)設計的主要目的，首先增加防雷模塊，構造多級防雷保護，減輕雷電對地震臺站的影響。其次通過對電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)的采集、分析做到漏電保護、低壓保護、過電流保護、過電壓保護和短路保護。最后通過對線路的故障檢測和判斷完成自動合閘。此系統(tǒng)的運行可以有效地降低臺站維修的費用，降低臺站交流電故障率，提高臺站的數(shù)據(jù)運行效率。

圖3 操作程序流程圖

［1］ 李長安，曾銳利．基于PIC16C73單片機的電源切換系統(tǒng)的研制［J］．國內(nèi)外機電一體化技術，2003，（4）：42－44．

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［4］ 任工昌，王黨席．基于GPRS遠程抄表系統(tǒng)集中器的設計與研究［J］．機械設計與制造，2009，（11）：23－26．

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