CN101614597A - 一种用于矿井巷道高压电缆接头状态的监测装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于矿井巷道高压电缆接头状态的监测装置是温度传感器、湿度传感器、电流互感器通过信号线与数据采集单元相连接，数据采集单元、数据存储单元、键盘、显示单元、时钟单元和声光报警单元通过I/O口与微控制器单元相连接，微控制器单元是通过串口与通讯单元相连接构成。本发明结构简单，成本低廉，安全可靠，实时监测电缆接头的温度、电流以及湿度。适用于矿井巷道高压电缆接线装置以及其它高压电力设备的监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种高压电缆接头状态的监测装置，包括温度传感器、温湿度传感器、电流互感器、微控制器单元、数据采集单元、数据存储单元、键盘与显示单元、声光报警单元和通讯单元的一种用于矿井巷道高压电缆接头状态的监测系统。
技术背景
矿井巷道因开采煤炭而不断延伸，高压电缆随巷道开采煤炭的掘进设备的前移而不断向前延伸，巷道越深井下用于连接高压电缆的接头越多。在电网中，电压在1KV以下的电网为低压电网，在3～330KV为高压电网。一般情况下，在煤矿井下高压电网中每隔300～500米就需要一个高压电缆接头。由于煤矿井下，高压电缆接头产生的火花容易引起瓦斯或煤尘爆炸，因此高压电缆接头的连接须采用符合煤矿安全标准的矿用隔爆接线装置。矿用隔爆接线装置是一种专门用于矿井高压电缆接头连接的器件。该装置是通过高压电缆接头的一端与另一高压电缆的一端连接后，固定在绝缘底座上，采用密封圈和防爆外壳把高压电缆接头与外界环境完全隔离，以满足巷道开采煤炭掘进设备前移安全用电的需求。在矿井巷道采煤掘进设备的高电压、大电流的运行状态下，高压电缆接头的连接直接影响矿井开采供电的连续性、可靠性和安全性。矿井巷道高压电缆接头的可靠性与电缆接头的温升、电流和湿度有关，与矿井巷道电缆接头的压接质量、承受张力和过负荷程度等因素有关，这些因素都可能使电缆接头条件恶化，接触电阻增加，引起接点温度升高，加剧接触表面的氧化，从而导致局部熔焊或接触松动处产生电弧放电，造成电缆接头故障甚至爆炸等重大事故的发生，目前还缺乏针对矿井巷道高压电缆接头的有效监测装置。
现有矿井巷道高压电缆接头状态监测主要是由人工采用温度仪器定期巡检，这样由人工检测经常出现检测不准确、漏检和巡检时间长等问题，且费时、费力，可靠性差，监测数据单一而不能自动存储和分析，也不能够在线监测和自动化管理。
现有与矿井巷道高压电缆接头状态监测装置相关的文献报道的有华北电力大学任燕和梁明博士发表在《电气应用》2005年第12期题为“矿山高压输电电缆接头温度巡检系统”，该系统仅仅能够简单的监测电缆接头的温度，定期通过温度巡检仪收集数据，然后将采集的数据上传给上位机进行处理。这种监测装置不能实时显示和上传数据，在故障突发是不能及时发出报警信号。在中国矿业大学任慧和孙继平博士发表在《煤炭科学技术》2006年第12期题为“矿用电缆温度在线监测方法的研究”一文中，提出了一种采用微处理技术和总线式数字温度传感技术相结合的在线监测方法。这种方法也是仅仅监测高压电缆接头的温度，没有监测电流和湿度，不能实时反映电流与温度的变化趋势，且不能监测矿用隔爆型高压电缆接线装置的湿度，判断接线装置的密封性的好坏，从而不能够全面的掌握故障发生的状态信息。
因此，要想解决矿井巷道开采煤炭的掘进设备长期、稳定、安全的用电问题，迫切需要一种结构简单、可靠性高、布线方便的分布式网络化监测装置，并能够实时在先监测巷道开采煤炭掘进设备用高压电缆的温度、电流和湿度的变化，实时了解高压电缆接头的输电状态，及时发现高压电缆接头的故障，提前预警，防止事故扩大，避免矿难发生。
发明内容
本发明提供一种用于矿井巷道高压电缆接头状态的监测装置，以解决矿井巷道高压电缆接头的温度、电流和湿度的变化状态在线监测问题。
本发明所采取的技术方案包括温度传感器、温湿度传感器、电流互感器、微控制器单元、数据采集单元、数据存储单元、键盘与显示单元、时钟单元、声光报警单元和通讯单元。其构成在于：温度传感器、温湿度传感器、电流互感器是通过信号线与数据采集单元相连接，数据采集单元、数据存储单元、键盘、显示单元、时钟单元、和声光报警单元是通过I/O口与微控制器单元相连接，微控制器单元是通过串口与通讯单元相连接用于矿井巷道高压电缆接头状态的监测装置，实时监测电缆接头的温度、电流以及湿度；
所述的微控制器单元是晶振(X1/X2)与微控制器(U0)的晶振引脚I/O接口相连接，复位按钮(S1)和微控制器(U0)的复位引脚I/O相连接，以及调试接口(U1)与微控制器(U0)相应的I/O接口相连接。
所述的数据采集单元分为电流采集单元、温度采集单元和环境湿度采集单元。电流采集单元是由运算放大器(U5/U6/U7/U8/U9/U10)组成的信号调理电路一侧与电流互感器(U2/U3/U4)相连接，另一侧与微控制器的A/D转换I/O相连接。
所述的温度数据采集单元是温度传感器(U11/U12/U13)的数据线与微控制器I/O相连接。
所述的温湿度数据采集单元是温湿度传感器(U14)的时钟线和数据线与微控制器I/O相连接。
所述的数据存储单元是EEPROM(U15)的数据线和时钟线与微控制器I/O相连接。
所述的键盘单元是3×3键盘与微控制器具有中断功能的I/O相连接。
所述的显示单元是显示器(U16)的8位并行数据线以及控制线与微控制器I/O相连接。
所述的声光报警单元是三极管(Q1/Q2)一侧与发光管(LED)、喇叭(LS)相连接。另一侧与微控制器I/O接口相连接。
所述的时钟单元主要包括时钟芯片(U17)的晶振引脚与晶振(X1)相连接，电源线与系统电源VCC和备用电源(B1)相连接，数据线和时钟线与微控制器I/O接口相连接。
所述的通讯单元是光电隔离器件(U19/U20/U21)一侧与RS-485总线驱动器(U22)相连接，另一侧与微控制器MCU的串口进行相连接。光电隔离器件与RS-485总线驱动器电源线与系统隔离电源(U18)相连接。
所述的微控制器固化了温度、电流和湿度监测程序，包括初始化程序、A/D转换子程序、数据处理子程序、时钟子程序、声光报警子程序、键盘与显示子程序和通讯程序。
本发明实施上述一种用于矿井巷道高压电缆接头状态的监测装置所具有的优点与积极效果在于：监测装置采用数字温度传感器、数字温湿度传感器和电流互感器来检测矿井巷道高压电缆接头的状态，解决了矿井高压电缆接头在线监测的问题。采用光电隔离技术，大大的降低了井下高压强磁场对监测装置通讯单元的干扰和影响的问题。采用集成电路芯片，使得监测装置结构简单、成本低廉，安全可靠，而且增加了历史存储、时间记录功能，是一种实时在线监测装置。
与现有的电缆温度监测装置相比，该装置增加了电流采集单元和湿度采集单元，电流监测单元可以实时了解接头温度随电流变化是否超出正常范围；湿度监测单元可以随时了解用于连接高压电缆接头的矿用隔爆高压电缆接线装置内的湿度，保证了矿用隔爆高压电缆接线装置的密封性。该装置通过采用微控制器技术实现了对矿井高压电缆接头温度、电流和环境湿度的连续在线监测，解决了过去长期依靠人工巡检而导致的数据采集不及时、判断标准不准确以及无现场预警提示的问题，避免了的人工巡检，降低了维护人员的工作强度，提高了运行管理的智能化程度，加快了设备运行状态的信息反馈，缩短了故障判断和处理的时间，提高了矿井巷道高压电缆接头至电力系统运行的可靠性，减少了因电缆接头停电以及爆炸造成的经济损失，避免矿难的发生。
该矿井巷道高压电缆接头监测装置不仅硬件结构简单，成本较低，安装方便，抗干扰能力强，而且系统检测准确稳定可靠，适用于矿井巷道开采煤炭掘进设备用高压电缆接头的在线监测以及其它高压电缆接头的在线监测。
附图说明
图1是本发明的系统结构框图；
图2是本发明的微控制器单元电路原理图；
图3是本发明的数据采集单元电路原理图；
图4是本发明的数据存储单元电路原理图；
图5是本发明的键盘单元电路原理图；
图6是本发明的显示单元电路原理图；
图7是本发明的时钟单元电路原理图；
图8声光报警单元电路原理图；
图9是本发明的通讯单元电路原理图。
具体实施方式
下面通过实施例进一步详细描述本发明提出的一种用于矿井巷道高压电缆接头状态的监测装置，所属专业的普通技术人员在阅读了本实施例后，能够理解和实施本发明，同样，本具体实施例也能够带来如上所述的优点和积极效果，实现本发明所述目的。
具体实施例1
如图1，用于矿井巷道高压电缆接头状态底监测装置是由温度传感器、温湿度传感器、电流互感器、微控制器单元、数据采集单元、数据存储单元、键盘与显示单元、时钟单元、声光报警单元和通讯单元构成。电流互感器测取接线装置内电缆的各相电流信号，温度传感器测取接线装置内电缆连接处的温度信号，温湿度传感器测取接线装置内环境湿度信号，其它各单元电路集于一电路板上完成相应的模块功能，其中温度传感器、温湿度传感器、电流互感器、通过信号传输线与电路板上的数据采集单元相连，数据采集单元、数据存储单元、键盘、显示单元、时钟单元、和声光报警单元是通过I/O口与微控制器单元相连接，微控制器单元是通过串口与通讯单元相连接。微控制器单元是该装置的核心部分，通过信号总线对温度传感器、温湿度传感器、电流互感器进行采样，并对采集的数据分析处理，根据处理的结果进行分析判断，当发现有故障点时，进行声光报警，并进行检查、维修；同时将采集的数据通过通信线传送到上位机，上位机管理系统对数据进行分析、处理、存档。
如图2，所述的微控制器单元：主要将数据采集单元采集的信号进行数据处理，得到其它单元电路所需要的信息。微控制器(U0)采用了TI公司的高性能16位低功耗单片机芯片，采用两种不同的晶振，可在不同的晶振(X1/X2)下工作，采用按键(S1)实现监测系统的复位功能。
如图3，所述的数据采集单元：主要是实现对电流信号、温度信号、和湿度信号的采集。电流信号的采集采用交流采样的方法，对一个周期内的电流信号采集128个点，然后通过微控制器处理，计算得到电流信号的有效值。温度信号的采集采用单总线的数字温度传感器，把温度信号直接转换成串行数字信号供微控制器单元处理。湿度信号的采集采用二线制总线的数字温度传感器，把湿度信号直接转换成数字信号供微控制器单元处理。电流采集单元将电流互感器(U2/U3/U4)采集模拟信号通过由运算放大器(U5/U6/U7/U8/U9/U10)等元器件组成的信号调理电路的处理并转换成微控制器能直接读取的信号。其中A/D转换模块为微控制器自带的12位A/D转换模块，三路调理后模拟信号分别与微控制器P6.0、P6.1、P6.2相连。温度数据采集单元主要是通过数字温度传感器(U11/U12/U13)实现对温度信号的采集，数字温度传感器的时钟线和数据线分别与微控制器的P2.0、P2.1和P2.2相连。湿度数据采集单元主要是通过数字温湿度传感器(U14)实现对环境湿度的采集、数字温湿度传感器的时钟线和数据线分别与微控制器的P2.3、P2.4相连。
如图4，所述的数据存储单元：主要是按时对监测的电流、温度和湿度数据进行存储，便于对历史数据的分析和查阅。数据存储单元扩展了512K容量EEPROM(U15)。EEPROM数据的存储采用I2C总线模式，地址线A0、A1、A2接地，EEPROM时钟线和数据线分别与微控制器P3.6、P3.7相连。
如图5，所述的键盘：主要是通过按键实现预警参数的设置。键盘设计为3×3九个键，键盘与微控制器具有中断功能的I/O相连。三个按键控制三相的温度，两个按键用于控制时钟显示和环境温度显示，两个按键用于左移和右移光标键，两个按键用于确认(保存)和退出键。
如图6，所述的显示单元：主要将监测的数据信息进行现场显示。在单元中，数据总线与微控制器P4口相连，控制线与微控制器P3.0、P3.1、P3.2。LCD(U16)液晶显示为四行八列，第一行显示时间，第二行显示环境温度和湿度，第三行轮流显示各相电缆接头温度值，第四行轮流显示各相电流值。
如图7，所述的声光报警单元：主要是当电流信号、温度信号、和湿度信号超过预先设置值时，实现声光报警，提醒工作人员有故障可能发生。微控制器通过P6.7控制三极管(Q1/Q2)，从而对发光管(LED)和喇叭(LS)进行控制，实现报警功能。
如图8，所述的时钟单元：主要获取实测电流、温度和环境温湿度时的准确时间值，为故障状态信息查询提供宝贵信息。时钟单元主要由时钟芯片(U11)、晶振(X1)和备用电源(B1)构成，时钟芯片的数据线、时钟线、复位线与微控制器的P2.5、P2.6和P2.7口相连，并采用双电源供电方式，保证市电突然掉电后系统时钟单元仍能正常工作。
如图9，所述的通讯单元：主要是为了实现与上位机的通讯以及数据的集中显示和处理。监测装置与上位机使用RS-485总线进行数据通讯，每隔一段时间上位机对各个监测装置进行一次巡检，把监测数据上传给上位机。通讯单元由电源(U18)、光电隔离器件(U19/U20/U21)和RS-485总线驱动器(U22)构成。接口工作电源使用系统提供的隔离电源，RS-485总线驱动器通过光电隔离器件与微控制器的串口进行数据通讯。
本发明实施上述的一种用于矿井巷道高压电缆接头状态的监测装置的硬件结构，本专业技术人员可以得到相应的系统应用软件以及软件的结合，并能够实现矿井巷道高压电缆接头状运行管理的自动化作业，提高矿井巷道高压电缆接头运行的可靠性。
Claims (1)
1.一种用于矿井巷道高压电缆接头状态的监测装置，包括温度传感器、温湿度传感器、电流互感器、微控制器单元、数据采集单元、数据存储单元、声光报警单元和通讯单元，其特征在于：
温度传感器、温湿度传感器、电流互感器通过信号线与数据采集单元相连接，数据采集单元、数据存储单元、键盘、显示单元、时钟单元和声光报警单元通过I/O口与微控制器单元相连接，微控制器单元通过串口与通讯单元相连接构成用于矿井巷道高压电缆接头状态的监测装置，实时监测电缆接头的温度、电流以及湿度；
所述的微控制器单元是晶振(X1/X2)与微控制器(U0)的晶振引脚I/O接口相连接，复位按钮(S1)和微控制器(U0)的复位引脚I/O相连，以及调试接口(U1)与微控制器(U0)相应的I/O接口相连接。
所述的数据采集单元分为电流采集单元、温度采集单元和环境湿度采集单元。电流采集单元是由运算放大器(U5/U6/U7/U8/U9/U10)组成的信号调理电路一侧与电流互感器(U2/U3/U4)相连接，另一侧与微控制器的A/D转换I/O相连接。
所述的温度数据采集单元是温度传感器(U11/U12/U13)的数据线与微控制器I/O相连接。
所述湿度数据采集单元是温湿度传感器(U14)的时钟线和数据线与微控制器I/O相连接。
所述的数据存储单元是EEPROM(U15)的数据线和时钟线与微控制器I/O相连接。
所述的键盘单元是3×3键盘与微控制器具有中断功能的I/O相连接。
所述的显示单元是显示器(U16)的8位并行数据线以及控制线与微控制器I/O相连接。
所述的声光报警单元是三极管(Q1/Q2)一侧与发光管(LED)、喇叭(LS)相连。另一侧与微控制器I/O接口相连接。
所述的时钟单元主要包括时钟芯片(U17)的晶振引脚与晶振(X1)相连接，电源线与系统电源VCC和备用电源(B1)相连接，数据线和时钟线与微控制器I/O接口相连接。
所述的通讯单元是光电隔离器(U19/U20/U21)一侧与RS-485总线驱动器(U22)相连接，另一侧与微控制器MCU的串口进行相连接。光电隔离器与RS-485总线驱动器电源线与系统隔离电源(U18)相连接。
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