空气开关的自动监测

1、.成果上报申请书成果名称空气开关的自动监测成果申报单位中国移动通信集团上海有限公司成果承担部门/分公司项目负责人姓名项目负责人联系电话和Email成果专业类别*无线网成果研究类别*现有业务优化省内评审结果*通过关键词索引（35个）空气开关、电源、自动监测应用投资 万元（指别的省引入应用大致需要的投资金额）产品版权归属单位 上海公司 对企业现有标准规范的符合度：（按填写说明4）符合成果简介：简要描述成果目的和意义，解决的问题，取得的社会和经济效益。在众多的基站故障中，停电故障占据了很大比例。而每年夏季，由于强雷电造成的基站空气开关跳闸，引起的基站停电更是屡见不鲜。强雷电天气往往会使一大批基站的空

2、气开关同时跳闸而退服，维护人员抢修应接不暇，造成十分严重的话务量损失。目前的环监系统无法分辨基站停电的原因是因为空气开关跳闸引起，还是因为市电停而引起。维护人员开着油机车前往基站发电时，经常发现停电只是因为空气开关跳闸，只要合上开关就能使基站恢复正常，而耽误了真正需要油机车发电的故障抢修时间。课题研究基站电源空气开关的监测电路，对空气开关的状态进行监测和发送。省内试运行效果：描述成果引入后在本省试运行方案、取得的效果、推广价值和建议等。利用L4960电源芯片、74LS138译码芯片等器件设计电路，监测空气开关输入和输出电压，捕捉空气开关的通断状态。译码芯片产生中断信号触发短信发送模块，将报警信

3、息发送到维护人员的手机上，实现对基站空气开关的状态监测。经过反复测试，监测模块运行稳定。监测系统与基站供电系统相连，无需外接电源，功耗小。该课题的研究成果将极大提高基站维护效率，该项成果可在集团甚至在其它行业（如电力行业）进行推广。推广过程中，建议将空气开关的检测装置与现网的环监系统相融合，使空气开关的报警信息可直接发送至监控平台。文章主体（3000字以上，可附在表格后）：根据成果研究类别，主体内容的要求有差异，具体要求见表格后的“填写说明”。系统设计1.1系统结构分功能模块：电源部分，空气开关部分，通信部分等。1.2电源模块模块电源设计时，不仅要选择正确的输入、合理的输出、适当的负载电流，而

4、且要考虑如何避免系统产生振荡、出现各种干扰使电源的调整性能变差、噪声增大，以及发生接地回路故障、散热能力不够等问题。下面介绍针对这些问题的一些处理措施。1.2.1 改善负载效应负载效应表征了负载变化对电源输出电压的影响程度。电源与负载之间的导线电阻和接点上的接触电阻越小，对负载效应的影响越小。当负载电流较大时，很小的导线电阻和接触电阻也会对负载效应有明显的影响，因而很多大电流电源在内部调整电路的采样网络上设置一对引出端称之为遥测端。利用遥测端可直接检测负载两端的电压，减小导线电阻对负载效应的影响。(1)尽量减少导线电阻及接触电阻电源最简单的应用如图9一19所示。图中电源输出电压为5V，负载电流

5、为4A。使用这种电源时，除了要选择所需要输出的电流及所需要的负载效应值外，应尽量减少电源与负载之间的导线电阻。例如，图919中使用50cm长的18号铜线，两根导线共有21m电阻，因此，导线上就有84mV电压降，占输出电压的168。如果电源本身负载效应值为01，则在此电路中实际负载效应值为178，达不到指标要求值。解决这种问题的方法是尽可能缩短导线长度或选择较粗的导线。影响负载效应的另一个重要因素是电源端与负载连接处的接触电阻，特别在大电流时更要注意。与上述负载导线过长一样，这些连接可存在几毫欧的接触电阻和几个百分点的负载效应值的变化。应记住一些重要参考数值：一个5V输出，从空载到满载有5mV变

6、化，则负载效应为01，一个12V输出，从空载到满载有24mV变化，则负载效应为002。显然，大电流接点应适当处理与焊接。铲式接线片、香蕉插头等必须精心进行除锈处理。平面型电路板应为大电流负载提供几个并行接点，并保证干净。(2)正确利用电源的遥测端许多大电流电源都有遥测端(+S、-S)。遥测端可使电源内部调整电路通过检测线与负载相连，从而补偿大电流线路压降对负载效应值的影响。图920示出了电源遥测端与负载的正确连接方法。图中检测线与大电流负载线分离，遥测端直接检测负载两端电压。假如，大电流负载线上有05V压降，通过遥测端，电源内部调整电路将输出电压提高05V补偿线路压降，保证负载电压在额定值上。

7、一般电源可对负载线路压降补偿10V左右。这种方法就是利用提高电源输出端电压来维持负载两端有准确的电压值。遥测端与负载的连接线应屏蔽，以避免电磁干扰影响电源内部的调整电路。在电源内部，遥测端与电源输出端之间通常有一只电阻(见图920)，如遥测端由于粗心而没有连接到负载端上，这只电阻可防止输出端电压上升过高。如果遥测端不用，应该分别与电源正、负端短接，这时电源工作在本地检测方式。1.2.2 电源与各种负载连接方法(1)直接并行接法电源与各种负载的正确连接是电源应用中的一个重要环节。图921是电源与几个负载并行连接的接线方法。图中，每一个负载上的电压与其他负载电压的大小和电源接地点有关。如果负载电流

8、较大，在输电线路上的压降将会增大，使远离电源输出端的负载电压达不到要求，并且负载的变化将使输出电压的稳定性变差。除了负载电流很小，线路压降可以忽略外，这种连接方式不能使用。(2)放射形接法图922给出一种放射形的连接方法，这是一种比较好的接法。用一对粗导线将电源引出，每一个负载分别与它在同一点上相连接，各个负载之间基本上不存在相互影响的问题。(3)混合连接法当然，完全放射式连接是不现实的。但是应该尽量使用这种方式，特别对大电流负载更应如此。图923给出一种放射与并联组合连接方式。图中第一组负载电流较大，采用放射形连接，并且靠近电源输出端，第二组负载电流较小，线路压降可以忽略，采用直接并联方式，

9、也可以离电源输出端远一些。(4)模拟和数字电路图924电路中模拟和数字电路同时存在。为了避免数字电路在电源地线上产生的噪声影响低电平模拟信号，因此，模拟电路和数字电路分别单独供电。两种电源地线和信号地线实现了单点接地互不干扰的格局。实际上，许多三输出端电源都有独立的数字(5V)和模拟输出(±12V或±15V)公共端，正好满足图924的意图。1.2.3 去耦与旁路所有的电源都有一些输出电阻和电感，电源引线也是如此。负载端的高频交流分量将会在电源的输出电阻和电感中产生压降而干扰其他电路，因而高速模拟电路和数字电路需要加上适当的去耦电路。图925所示的负载去耦电路适合于减小线路串

10、联阻抗与杂散电容的谐振效应，同时也减小负载电流迅速变化在串联电抗中产生的尖峰对电子线路的影响。图925中给负载并联01F陶瓷电容和1F电解电容对中频和高频干扰起到旁路作用，它将防止多个负载之间的串音。模拟电路和数字电路应该有各自的旁路电容。电容器不能简单地从每个电源端接到附近地线上。图926中旁路电容直接从电路中电源输入端连接到负载的公共端(或地)。电容器的连接最好用最短的导线。1.2.4提高模块电源可靠性热是电源的第一杀手，要使电源具有高可靠性，其中最重要的一点就是保持元器件的温度低。实质上就是要尽可能地将电源内部的热量散发出来，使电源系统工作在额定温度之下。要提高模块电源的可靠性，可以采用

11、以下几种方法。 (1)提高电源系统的效率对于电源系统而言上述方程给出一个电源的温度限制范围。图928给出了一个典型的电源变换器的外壳温升与效率的关系曲线。图中曲线对应一个输出功率为5w的密封型模块电源，模块的标准尺寸是9cm×38cm×32cm，环境温度为25。从图928中可以看出，当效率从75降到25时，壳温升从7升到55。加上环境温度(25)，外壳实际温度相应地从32上升到80。这说明效率在热设计中起重要作用。(2)降额使用元器件的降额使用是可靠性设计中必须采用的设计技术之一。所谓降额使用，即使元器件应用在低于额定值的应力(如热应力、电应力)状态。之所以必须，是因为电子

12、元器件的可靠性与其承受的应力强度之间有一定的依赖关系。应力越大，可靠性越低。另外，元器件手册中规定的性能特性参数往往是以标准的特定环境应力为基础的标称值，实际使用场合的工作环境条件经常超过上述环境应力条件。因此只有将元器件降额到足以补偿所增加的环境应力时，才能达到可靠性指标的要求。若元器件的工作环境条件与标准的特定应力环境条件相同，考虑到元器件的性能参数都呈现某种非线性分布，也应采用降额设计技术以获得较大的安全余量。我国原电子工业部颁布的电子设备可靠性预测手册中给出了电子元器件降额使用方法。对于不同的元器件，降额的方法是不一样的，电阻的降额方法是降低功率比，电容的降额方法是降低其工作电压，半导

13、体器件的降额方法是将功耗保持在额定功耗之内，数字集成电路通过周围环境温度和电负荷来降额。线性集成电路、大规模集成电路和半导体存储器也是通过降低周围环境温度来实行降额的。综上所述，提高电源效率、降额使用、加装散热器、强迫风冷都是为了提高电源系统的可靠性所常用的一些方法。这些方法对模块电源输出功率额定值的影响如图929所示。如果在正常情况下，降额曲线从5070，那么增加一些其他的措施后将会使降额曲线右移，也就是说，不降额的温度范围会宽一些。1.3空气开关监控模块部分1.3.1 空气开关工作原理自动空气开关也称为低压断路器，可用来接通和分断负载电路，也可用来控制不频繁起动的电动机。它功能相当于闸刀开

14、关、过电流继电器、失压继电器、热继电器及漏电保护器等电器部分或全部的功能总和，是低压配电网中一种重要的保护电器。 自动空气开关具有多种保护功能(过载、短路、欠电压保护等)、动作值可调、分断能力高、操作方便、安全等优点，所以目前被广泛应用。 短路时，静触头周围的芳香族绝缘物气化，起冷却灭弧作用，飞弧距离为零。断路器的灭弧室采用金属栅片结构，触头系统具有斥力限流机构，因此，断路器具有很高的分断能力和限流能力。具有复式脱扣器。反时限动作是双金属片受热弯曲使脱扣器动作，瞬时动作是铁芯街铁机构带动脱扣器动作。脱扣方式有热动、电磁和复式脱扣3种。 当线路发生短路或严重过载电流时，短路电流超过瞬时脱扣整定电

15、流值，电磁脱扣器产生足够大的吸力，将衔铁吸合并撞击杠杆，使搭钩绕转轴座向上转动与锁扣脱开，锁扣在反力弹簧的作用下将三副主触头分断，切断电源。当线路发生一般性过载时，过载电流虽不能使电磁脱扣器动作，但能使热元件产生一定热量，促使双金属片受热向上弯曲，推动杠杆使搭钩与锁扣脱开，将主触头分断，切断电源 主触点通过操作机构(手动或电动)使之闭合的，其触点系统由于装有灭弧装置因而不仅能接通或切断正常的工作电流，还能在发生故障时迅速切断比正常工作电流大好几倍的故障电流，从而能有效地保护电路中的电气设备。开关的脱扣机构是一套连杆装置。当主触点通过操作机构闭合后，就被锁钩锁在合闸的位置。如果电路中发生故障，则

16、有关的脱扣器将产生作用使脱扣机构中的锁钩脱开，于是主触点在释放弹簧的作用下迅速分断。按照保护作用的不同，脱扣器可以分为过电流脱扣器及失压脱扣器等类型。在正常情况下，过电流脱扣器的衔铁是释放着的；一旦发生严重过载或短路故障时，与主电路串联的线圈就将产生较强的电磁吸力把街铁往下吸引而顶开锁钩，使主触点断开。欠压脱扣器的工作恰恰相反，在电压正常时，电磁吸力吸住衔铁，主触点才得以闭合。一旦电压严重下降或断电时，衔铁就被释放而使主触点断开。当电源电压恢复正常时，必须重新合闸后才能工作，实现了失压保护。1.3.2 空气开关监控模块设计原理空气监控模块以74LS138为主，将电源空气开关的进口线和出口线并接

17、出来，通过上述电源模块将两路220V交流电转化为5V的直流电平，74LS138模块对这两路5V电平进行译码，产生两种不同的中断信号，这两种信号作为短信模块的触发信号，对于断电和跳闸两个特殊情况进行报警。74LS138的工作原理如下：74138为 3 线8 线译码器，共有 54/74S138 和 54/74LS138 两种线路结构型式，其主 要电特性的典型值如下： 型号Tpd (ABC->Y)(3 级)PDCT54S138/CT74S1388ns245mWCT54LS138/CT74LS13822ns32mW当一个选通端（G1）为高电平，另两个选通端（/(G2A)和/(G2B)）为 低电平

18、时，可将地址端（A、B、C）的二进制编码在一个对应的输出端以低 电平译出。 利用 G1、/(G2A)和/(G2B)可级联扩展成 24 线译码器；若外接一个反 相器还可级联扩展成 32 线译码器。 若将选通端中的一个作为数据输入端时，138 还可作数据分配器。 1、管脚图：引出端符号： A、B、C 译码地址输入端 G1 选通端 /(G2A)、/(G2B) 选通端（低电平有效） Y0Y7 译码输出端（低电平有效） 2、功能表/G2*=G2AG2B H高电平 L低电平 X任意 3、极限值 电源电压-7V 输入电压 54/74S138-5.5V 54/74LS138-7V 工作环境温度 54×

19、;××- 55125 74×××-070 贮存温度- 65150 推荐工作条件： 4、逻辑图针对74LS138，我们将空气开关的的进口线和出口线并接出来，通过电源模块设计的220V交流转5V直流模块，将进口和出口的电压转为74LS138能够作为输入用的TTL电平，并作为两种状态。根据74LS138的译码原理，我们简单的进行如下设计：空气开关进口为高电平，出口为高电平，则74LS138选通Y3，此为正常供电状态；空气开关进口为高电平，出口为低电平，则74LS138选通Y1，此为正常空气开关跳闸状态；空气开关进口为低电平，出口为低电平，则74LS1

20、38选通Y0，此为正常供电断路状态；空气开关进口为高电平，出口为低电平，则74LS138选通Y3，此状态在实际情况不会出现；综上所述，我们将两种特殊状态的信号接到短信模块的“开关量输入”接口，作为两种特殊情况的报警信号的触发源1.4通信监控模块部分本次科研项目所使用的模块是西安达泰电子有限责任公司的型号为DTP-R05B的GSM模块。它是利用移动遍布全国的GSM网络，通过短信的方式进行数据传输，具有远程遥控，遥测，自动报警，等功能，并可设八个操作员和一个管理员对其进行控制和管理。1.4.1 模块主要功能：· 遥控功能：操作员发一条控制短信，关断或开通所遥控的电器设备，可以同时控制8个

21、开关。· 自动报警功能：管理员设置开关量报警电平，当设备出现故障，模块自动发送短信报警或者自动拨打电话报警。· 就地联动功能：本模块可设置就地联动功能，当设备报警时，往往会出现重大故障，用户希望立刻就地切断电源开关，此时通过短信遥控已经为时太晚，本产品针对此情况设计了输入开关与输出开关的联动功能，这样就可以就地联控。1.4.2 模块硬件原理：DTP-R05B GSM无线通信控制终端的通信接口采用TC35i模块。内嵌16位低功耗MCU能非常方便地通过UART接口与GSM模块连接，由于采用了高性能的TI公司的16位微控制器MSP430，省掉了大量的外围器件，如外扩RAM、ROM

22、存储器等，使硬件结构大大简化，提高了系统的可靠性，可以方便的通过短消息发送指令就可以实现对终端的控制。系统的硬件框图见2.1所示。16位单片机MSP430FGSM通讯模块TC35i8路模拟量输入8路开关量输入8路开关量输出UART 图2.1 DTP-R05B GSM无线通信控制终端框图其实物图2.2，2.3如下：信号接口40 4 239 3 1SIM 卡座 图2.2 DTP-R05B正面图片高频模块图2.3 DTP-R05B反面图片DTP-R05B的信号接口定义说明见图2.4：图2.4 DTP-R05B的信号接口定义模块技术指标：l 通讯接口标准串行通讯接口：可选择RS232 / TTL电平。

23、出厂预设为RS232电平接口。数据格式：1位起始位，8位数据位，1位停止位，无校验位。通讯速率：9600bps 功能：设置工作参数、预设报警号码等。l 开关量输入输入通道数：8路。输入电平：TTL电平，内部3.3V高电平上拉，可以直接连接无源触点，可以定制光隔输入。报警设置：每一路都可以发送报警短信，也可以自动拨打报警电话。功能：状态监测，用于火灾、防盗等报警，设备故障上报。l 开关量输出输出通道数：8路。输出电平：TTL电平，高电平为3.3V。功能：用于遥控，控制开关，设备启动停止。l 模拟量输入输入通道：8路单极性电压或电流信号。输入电平：05V电压（或者420mA电流，订货时要申明）。功

24、能：物理量、电量的测量，温度、压力、流量、水位、电压等测量采集。l 电源输入电压：+512V DC。功耗：最大电力消耗5W。待机电力消耗0.5W。 l 外型尺寸无外壳，尺寸：65×50×20mm。l 环境工作温度：-2055 存储温度：-4085 相对湿度：5%95%不结露 环境要求：无腐蚀性气体，无液体喷溅，无金属粉尘，无强烈震动，无强烈电磁干扰。 信号强度：有手机信号（中国移动）系统实现2.1 电源模块的实现本系统电源模块主要采用L4960芯片为主实现。L4960的实现电路如图9-12所示。交流220V电压进过100V·A的工作变压器降压，在经过桥式整流和滤波

25、，得到直流电压Vi，作为L4960de输入电压。当输出电压直接与2脚接通形成闭环时，稳压值Vo=5.1V，可近似视为5V。当输出电压经过电阻分压器接2脚而形成闭环时，Vo值就取决于分压比。分压器有取样反馈电阻R3、R4构成，R3值可取34.7K2.2 空气开关监控模块的实现2.2.1 空气开关的设计长城电器集团公司生产的漏电断路器广泛应用在低压电网上。笔者按照实物画出电路图如图所示，元件编号为笔者所加。图中为电磁铁线圈，漏电时可驱动闸刀开关断开。每个桥臂用两只串联可提高耐压。、阻值很大，所以合上时，流经的电流很小，不足以造成开关断开。、为可控硅、的均压电阻，可以降低对可控硅的耐压要求。为试验按

26、钮，起模拟漏电的作用。按压试验按钮，接通，相当于外线火线对大地有漏电，这样，穿过磁环的三相电源线和零线的电流的矢量和不为零，磁环上的检测线圈的、两端就有感应电压输出，该电压立即触发导通。由于预先充有一定电压，导通后，便经、放电，使上产生电压触发导通。、导通后，流经的电流大增，使电磁铁动作，驱动开关断开，试验按钮的作用是随时可检查本装置功能是否完好。用电设备漏电引起电磁铁动作的原理与此相同。为压敏电阻，起过压保护作用。该断路器原理简单、零件少、维修方便，只是代换零件时一定要注意零件的可靠性和参数应符合要求。2.2.2 空气开关监控模块的设计实现根据上述的设计原理，针对74LS138译码器我们进行

27、如图的电路设计。通过两个电源模块，对空气开关的输入和输出端电压进行监控，从而产生两个TTL的开关量，作为74LS138的地址译码输入信号。根据74LS138的工作原理，对应下表的情况，我们产生两个开关量，驱动短信收发模块发出“空气开关跳闸”、“供电断电”两种不同的警报短信。空气开关出口状态空气开关进口状态74LS138输出有效引脚实际开关状态000供电断电011空气开关跳闸102实际中不可能出现的状态113空气开关处于导通状态2.3 短消息通信模块的实现管理员可以通过电脑串口对模块进行设置或控制。l 打开设置软件：默认管理员名称：admin默认管理员密码：dataiel 点击“打开串口”，进入

28、操作界面：l 设置开关量报警电平，这里设置为低电平（0v）：l 使用开关量1通道作为报警输入通道：l 设置短信接收号码：在电话号码栏内填入短信接收号码，选择通道号，点击“设置”。l 在报警内容编辑框内填写短信内容，选择报警通道号，点击“设置”：l 打开报警总开关：l 设置完毕，这时如果开关量输入通道1通道接入低电平，码将会收到报警短信，“库房火警，速来救援！”模块短信通讯协议： 除了能通过串口设置模块之外，我们也可以通过编辑中文短信对模块进行设置或控制，这样就可以脱离电脑进行随时随地的操作。l 发送短信命令的格式： 命令头+长度+数据+命令尾 这就是短信的内容，短信最

29、长为70个汉字代表具体的命令，其中： 命令头：是对命令的具体说明，内容取决于具体命令。长度：2个字节，取值为数据段的字数。 数据：字数应与长度相符，否则返回错误。 命令尾：固定字符 *# 。l 发送短信命令的权限 本模块必须设定一个管理员，而且管理员是唯一的，管理员可以行使所有的设置权限；本模块可以允许设置8个短信接收号码，依次对应的是8个操作员，操作员能接收报警短信的权限。管理员也可以是操作员，但必须将其号码设置为接收号码。 l 设置开关量输入报警电平（仅管理员） 功能说明：通过此命令设置模块的开关量输入报警电平。发送短信： 命令头 长度数据 命令尾 设置开关量输入报警电平 08 xxxxx

30、xxx *# 数据：xxxxxxxx 依次为通道1，通道2， 通道8；其中x取值为： 0表示低电平报警，1表示高电平报警, 9表示保持原状态。默认开关量报警电平为低电平。 l 控制开关量输出（仅操作员） 功能说明：通过此命令使模块的开关量输出接口的电平为高或者低，从而实现对外接被控对象的控制，例如设备的启动、停止，开关的吸合等动作。 发送短信： 命令头 长度数据 命令尾 控制开关量输出 08 xxxxxxxx *# 数据：xxxxxxxx 依次为通道1，通道2， 通道8；其中x取值为： 0表示低电平，1表示高电平,2表示输出脉冲，9表示保持原状态。 默认开关量输出为低电平。 l 设置开关量输入

31、与输出关联（仅管理员） 功能说明：通过此命令设置模块的开关量输出与开关量输入对应并关联。例如开关输入通道1与开关输出通道1关联时，当输入通道1报警时，输出通道1将同时有信号输出，具体信号依据上一条命令的设置为准。 发送短信： 命令头 长度数据 命令尾 设置开关量输入输出关联 08 xxxxxxxx *# 数据：xxxxxxxx 依次为通道1，通道2， 通道8；其中x取值为： 0表示不关联，1表示关联, 9表示保持原状态 输入通道1对应输出通道1 输入通道8对应输出通道8 默认开关量输入与输出不关联。 l 设置开关量输出报警信号（仅管理员） 功能说明：通过此命令设置模块在报警时的开关量输出为高电

32、平，低电平或者脉冲信号。注意此命令在开关量输入与输出关联时有效。 发送短信： 命令头 长度 数据 命令尾 设置开关量报警输出格式 08 xxxxxxxx *# 数据：xxxxxxxx 依次为通道1，通道2， 通道8；其中x取值为： 0表示输出低电平，1表示输出高电平, 2表示输出脉冲,9表示保持原状态 默认开关量报警输出信号为高电平。 l 选择开关量报警输入通道（仅管理员） 功能说明：通过此命令设置模块的开关量输入的报警通道。相当于模块的开关输入报警总开关。 发送短信： 命令头 长度数据 命令尾 选择开关量报警输入通道08 xxxxxxxx *# 数据：xxxxxxxx 依次为通道1，通道2，

33、 通道8；其中x取值为： 0表示关闭，1表示开启, 9表示保持原状态 默认开关量输入报警通道全部关闭。 l 设置开关量报警次数（仅管理员） 功能说明：通过此命令设置模块的开关量每次报警的次数。就是每次报警发送几次短信。 发送短信： 命令头 长度数据 命令尾 设置开关量报警次数 01 x *# 数据：x代表次数，其中x取值为：18， 9表示保持原状态 默认开关量报警次数为2次。 l 设置开关量报警时间间隔（仅管理员） 功能说明：通过此命令设置模块的开关量每次报警的间隔时间。就是在每次发送多条报警短信时的时间间隔。 发送短信： 命令头 长度数据 命令尾 设置开关量报警时间间隔 03 xxx *# 数据：xxx取值范围1-255 ， 间隔时间 = xxx*6(秒) ，最短6秒，最长1530秒，大约25分钟 默认开关量报警时间间隔为3分钟，即数据为030。 l 修改管理员（仅管理员） 功能说明：只有管理员可