一款防误智能万用表的设计与应用.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：罗健昌（1993），男，汉族，广东江门人，大学本科，研究方向为电力系统继电保护与自动化。-195-一款防误智能万用表的设计与应用 罗健昌 广东电网有限责任公司江门供电局，广东 江门 529000 摘要：摘要：万用表作为变电站内常用的测试仪器，对于运行值班人员、维护检修人员、安装调试人员来说，是非常重要的必备工具，它的准确性和可靠性对于变电站内设备的正常运行和日常维护至关重要。然而，由于操作者的误操作或者设备的故障等原因，很容易引起测量目标短路接地甚至是设备异常跳闸等不良后果，威胁电网的安全运行。本论文将对现有的常用数字式万用表进行改良，设计一款具有防误功能的智能万用表，并探讨防误智能万用表的应用场景，介绍其特点和优势，通过一系列防误功能的实现，有效防止误操作和误测量的发生，提高万用表使用的准确性和可靠性。关键关键词：词：智能万用表；变电站；可靠性；防误功能 中图分类号：中图分类号：TM938 0 引言 变电站是电力系统中重要的组成部分，其安全运行对电力系统的稳定性和可靠性具有重要影响。在变电站内进行运行操作、安装调试及检修维护过程中，万用表是经常使用的仪器之一。万用表又叫多用表、三用表、复用表，是一种多功能、多量程的测量仪表，一般万用表可测量直流电流、直流电压、交流电流、交流电压、电阻和通断情况等，有的还可以测音频电平、电容量、电感量及半导体的一些参数，是我们电工常用的工具。在变电站的操作和维护工作中，以数字式万用表的使用频率最高，最具代表性。数字式万用表可用来测量直流和交流电压、直流和交流电流、电阻、电容、频率、电池、二极管等等。然而，由于变电站内各种设备众多，二次电缆走线复杂，操作人员经验参差不齐，误操作和误测量的事件时有发生，轻则影响测量的准确性，或者引起站内设备出现异常，重则影响到人身安全，甚至是引起运行中的一次设备误跳闸，威胁到电网安全稳定运行。2014 年 8 月，作业人员在某 220kV 变电站 220kV母线主一保护屏进行回路接入工作时，在确认母差保护出口回路过程中，误用万用表电阻档导通 220kV 运行甲线、220kV 运行乙线两条运行线路的开关跳闸出口回路，造成 220kV 运行甲线、220kV 运行乙线开关跳闸。2022 年 10 月，某 220kV 变电站 11 台 110kV 开关相继跳闸，110kV 双母失压。事件造成由该变电站供电的多个 110kV 变电站及 35kV 变电站失压。此次事件主要原因为操作人员使用的万用表存在故障，造成在测量 110kV 母差保护出口压板过程中，压板上端接地，导致开关跳闸。以上事故事件反映出，由于人员使用万用表操作方法失误或者是万用表本身内部故障，均有可能导致开关误跳闸，严重威胁电网安全稳定运行。因此，开发一款具有防误功能的智能万用表对于变电站的运行操作、安装调试及检修维护工作的准确性和可靠性具有重要意义。本次研究立足于现有的常用数字式万用表本身，从仪器仪表上进行改良，提高万用表安全性能，遏制此类事故事件发生。1 防误智能万用表的设计思路 现有的数字式万用表在设计上有以下几个缺点：一是缺少自检功能。按照万用表的管理标准与使用要求，使用人员在使用前一般会对万用表进行检查，检查内容包括检查万用表外观有无损坏、检查是否在试验合格有效期内、检查电池电量及液晶显示是否正常，以及切换至电阻档后红黑表笔短接进行通断测试等。但是当万用表内部出现短路或接地时，万用表自身没有任何表象与提示；而且由于不同档位之间相互独立，常规的检测方法也无法发现万用表某个档位的内部故障，从而导致操作人员使用“带病”的万用表进行测量，容易导致安全事故发生。二是档位切换后没有直观显示是否已切换成功。使用人员只能通过切换旋钮中国科技期刊数据库 工业 A-196-指向的档位符号和液晶面板显示的单位符号，来判断档位切换是否成功，但是万用表长时间使用后，由于磨损、老化等原因，切换旋钮容易打滑、档位符号容易磨损、液晶面板显示容易模糊不清晰，档位不一定能切换成功且正确，很容易导致操作人员使用错误的档位进行测量，特别是误切换至电阻档测量电压的情况，由于电阻档内阻极小，很容易造成回路短路或接地，以及烧毁万用表，后果最为严重。三是万用表在长期开启且闲置不用的状态下缺少自动闭锁功能。当使用人员切换至某个档位进行测量后，未及时切换至OFF 档关闭万用表电源，导致万用表一直处于工作中、待测量状态，特别是当万用表处于电流档位或电阻档位时，红表笔与黑表笔之间内阻极小，相当于导通状态，一旦表笔测试头误触碰到运行回路端子，很容易引起运行回路短路、导通等情况，严重时甚至引起直流接地或设备误跳闸等事故。为解决仪器本身存在的上述缺点，本文探索对现有数字式万用表进行改良，设计一种带有防误功能的智能万用表。此款带有防误功能的智能万用表与普通的数字式万用表相比，具有以下几点功能：一是具有自检提醒功能。通过固化检查项目，并语音播报结果，实现自检。在使用万用表前，万用表内部检测程序会固化一系列的检查项目进行自检，该功能通过配合语音播报结果，实时提醒操作人员是否符合使用条件。例如，在使用前需要检查表笔是否完好、内阻是否正常、电池电量是否充足等。如果检查结果不合格，万用表将发出语音提示，并且闭锁测量功能，不允许进行测量操作，以确保测量结果的准确性和安全性。二是具有档位提醒功能。在切换万用表的档位时，很容易出现档位切换不成功或者切换至错误档位导致误测量的情况。为了避免切换不到位或者切换错误导致的误测量，该万用表具有档位提醒功能。当操作人员切换档位后，万用表将通过语音播报功能提醒操作人员当前所处的档位，以确保操作人员能够正确设置到需要的档位；如果切换档位不到位，语音播报功能将播报当前处于空挡位或者没有切换档位成功的语音提醒，避免误测量的发生。三是具有自动闭锁功能，在日常维护和安装调试过程中，存在接通运行设备或运行回路的风险。为了避免误触碰导致的设备跳闸的风险，该万用表具有自动闭锁功能。当操作人员使用电阻档进行测量时，万用表将自动检测是否存在运行设备或运行回路，如果存在，则自动闭锁电阻档测量功能并亮起红灯，避免误测量的发生。另外，当万用表停止使用一段时间后，也会闭锁万用表的测量功能，需要重新切换档位才能重新激活使用，以减少误触碰运行设备或运行回路的风险。四是加装过渡电阻功能。为了避免使用低内阻测量高电压引起表计内部短路烧毁的情况发生，该万用表的表笔线加装了 20K 过渡电阻。这样可以多增加一层保险，有效避免在测量过程中由于错误选择量程档或者因万用表内阻过小引起的引起接地现象，导致误跳运行设备等情况的发生，提高了测量的准确性和安全性。五是电阻档再确认功能。在表笔加装过渡电阻后，无法测量元件电阻或回路通断情况。为了能准确安全测量元件电阻或回路通断情况，该万用表在表笔上加装了一个电阻测量确认按钮。当操作人员需要测量电阻或回路通断情况时，切换至电阻档后，万用表显示屏上确认测量档位并显示该回路上确无电压，操作人员方可长按该按钮，进行电阻测量或回路通断情况测试。当测量的回路中带电或者存在电压时，万用表会亮起红灯，提醒操作人员不可按下电阻测量确认按钮，避免误测量的发生。2 防误智能万用表的应用场景 与传统的万用表相比，具有防误功能的智能万用表增加了以下五大功能：自检提醒功能、档位提醒功能、自动闭锁功能、加装过渡电阻功能和电阻档再确认功能。在五大功能的加持下，具有防误功能的智能万用表拥有以下优势：一是提高测量的准确性和可靠性：自检提醒功能和档位提醒功能能够自动检测和纠正使用人员误操作情形，减少误操作和误测量的情况发生，提高测量的准确性和可靠性。二是节省时间和精力：档位提醒功能和自动闭锁功能能够自动纠正使用人员误操作的行为，减少使用人员的操作和纠正工作，节省时间和精力。三是降低测量风险：加装过渡电阻功能和电阻档再确认功能能够减少误测量的情况发生，降低测量的风险和损失。基于以上功能和优势，具有防误功能的智能万用表在下列场景使用，将降低误操作与误测量带来的风险，取得良好的效果。中国科技期刊数据库 工业 A-197-（1）运行人员投入出口压板前，测量压板两侧的对地电位。在投入出口压板前，必须要确认压板两侧没有异极性电位，确认保护/测控出口未动作，才能投入出口压板。使用常用的万用表测量，由于没有内部自检功能和档位提醒功能，容易造成跳闸出口回路导通，引起设备误跳闸。防误智能万用表的应用，将防止电压档内部短路的情形发生，或者防止人员误用电阻档测量，避免设备内部故障或者人员误操作导致的设备跳闸的情况发生。（2）接线人员对二次电缆线芯进行核对操作。线芯核对测量前，必须测量线芯两端对地无电压，然后通过线芯一端接地、另一端使用万用表电阻档测量对地是否导通的方法进行验证。由于常规万用表没有内部自检功能，无法确认线芯对地确无电压，容易导致运行带电回路接地。使用防误智能万用表进行核线，若线芯为运行中或带电的，使用电阻档测量前，表计的红灯会亮，显示线芯对地带有电压，提醒使用人员禁止把线芯一端接地，防止短路接地的情况发生。（3）调试人员测量二次设备的出口端子节点是否闭合。由于常规万用表没有电阻档再确认功能，当表笔误插入运行回路端子进行测量，将直接导致跳闸出口回路导通，引起设备误跳闸。使用防误智能万用表测量，若所测回路两端之间存在电压差，则万用表认为该回路是已带电的，防误智能万用表红灯亮起，显示回路带有电压，提醒使用人员禁止使用电阻档测量，防止短路的情况发生，避免引起设备误跳闸。（4）运维人员对断路器/刀闸的控制回路的故障点查找与定位。当某回路上出现故障时，万用表可以帮助运维人员快速定位故障点。例如，当某一电路无法正常工作时，运维人员可以使用万用表测量电路各个部分的电阻值，但必须保证回路不带电方可测量。使用防误智能万用表进行测量，可判断所测回路是否带电，若所测回路带电，则亮起红灯提醒测量人员，避免带电测量元件电阻，以及避免测量过程中的误操作导致的正负电源短接引起短路或者带电回路直接接地的情况发生。（5）使用人员进行测量工作后未关闭万用表。在日常操作、检修维护及安装调试过程中，人员使用万用表后，很容易忘记关闭电源和整理测量表笔，不但导致电量流失快，而且表笔随意放置，一旦误触碰运行设备端子，还会引起回路导通、短路接地、设备跳闸等风险。防误智能万用表由于具备自动闭锁功能，且由于表笔加装 20K 过渡电阻，即使是表笔触头误触碰运行设备回路，由于表笔间的高阻抗，不会引起短路或接地，有效防止误跳闸情况发生。为验证本款防误智能万用表的有效性，确认本款防误智能万用表的安全使用，于 2023 年 9 月至 2023年 10 月对成品在变电站开展试点调试应用，取得不错的效果。一是在 2023 年 9 月某 110kV 线路启动工作中，运行人员对线路保护屏内的保护出口压板进行投入操作。测量过程中发现防误智能万用表没有读数显示且亮红灯，操作人员发现异常后立即停止操作，检查后发现电阻档未成功切换至直流电压档，由于防误智能万用表表笔加装了 20K 的过渡电阻，成功阻断压板上侧直接接地的风险，防止短路接地和设备跳闸的情况发生。二是在 2023 年 10 月，某 220kV 母差保护更换调试工作，调试人员在测量某支路跳闸回路的正确性时，发现防误智能万用表亮起红灯。调试人员立即停止测量，检查原因，发现该支路的跳闸回路与另一条运行支路的跳闸回路有串供现象，导致测量回路带电，由于防误智能万用表具有自动闭锁功能，使跳闸出口回路不能导通，防止一次设备误跳闸的事故发生。通过对该款具有防误功能的智能万用表在变电站开展试点调试应用，取得了良好的效果。自检提醒功能和档位提醒功能有效提醒操作人员操作规范，避免了因误操作导致的误测量。自动闭锁功能和加装过渡电阻功能保证了测量过程的安全性和可靠性。在变电站试点调试应用结果表明，该款智能万用表具有较高的防误功能，适用于变电站日常操作及日常调试应用。3 结论 本文介绍了一款具有防误功能的智能万用表的设计思路与应用场景。结合近几年出现的因万用表使用不当导致设备跳闸的事故事件，对日常使用的数字式万用表进行功能分析与功能改良，设计出一款具有防误功能的智能万用表。新型防误智能万用表通过增加自检提醒功能、档中国科技期刊数据库 工业 A-198-位提醒功能、自动闭锁功能、加装过渡电阻功能和电阻档再确认功能，提高了万用表的安全性和准确性；并探讨了一些容易出现误操作或者误测量行为的应用场景，通过新型防误智能万用表的使用，可有效降低误操作和误测量行为发生几率。该款万用表在实际应用中取得了良好的效果，具有较高的实用价值和推广应用前景。未来可以进一步优化和完善该款防误智能万用表的功能，以满足在更多变电站不同场景使用的需求，提高万用表使用的安全性和可靠性，为电力系统的安全稳定运行保驾护航。参考文献 1刘军,马红.万用表在电力系统中的应用J.电子技术应用,2013,39(4):156-158.2赵强.智能万用表的设计与实现D.北京:北京邮电大学,2017.3郑凯.电力系统试验技术M.北京:中国电力出版社,2011.