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SF6微水含量的在线监测
摘要:
本文着重介绍了SF6断路器微水含量在线监测系统的设计,分析了SF6气体的性能,介绍了监测系统所用的传感器、硬件电路设计方案、软件设计方案。
本系统包括传感器测量部分、低通滤波部分、数据采集部分、下位机即单片机处理部分和通信传输五个部分。
Abstract:
thisarticleemphaticallyintroducesSF6circuitbreakermicrowatercontentonlinemonitoringsystemdesign,analyzestheperformanceofSF6gas,introducesmonitoringsystemusedinthesensor,thehardwarecircuitdesign,softwaredesign.Thissystemincludessensormeasuringpart,lowpassfilterparts,dataacquisitionpart,lowerlevelcomputernamelySCMprocessingpartsandtransmissionoffiveparts.
一、引言
六氟化硫断路器具有断口电压高、开断能力、允许连续开断的次数较多,噪声低和无火花危险,而且断路器尺寸小、重量轻、容量大、不需要维修或少维修。
这些优点使传统的油断路器和压缩空气断路器无法与其相比,在超高压领域中几乎全部取代了其他类型断路器;另外在中压配电方面,六氟化硫断路器具有在开断容性电流时不重燃,以及开断感性电流时不产生过电压等优点,正逐步取代其他类型的断路器。
六氟化硫断路器的优良性能得益于SF6气体良好的灭弧特性。
SF6是无色、无味、无毒,不可燃的惰性气体,具有优异的冷却电弧特性,介电强度远远超过传统的绝缘气体。
在均匀电场下,SF6的介质强度为同一气压下空气的2.5—3倍,在4个大气压,其介质电强度与变压器油相当。
由于SF6的介质强度高,对相同电压级和开断电流相近的断路器,SF6的串联断口要少。
常态下,SF6气体无色无味,有良好的绝缘性能和灭弧性能,一旦大气中的水分浸入或固体介质表面受潮,则电气强度会显著下降。
断路器是户外设备,当气温骤降时,SF6气体过量水可能会凝结在固体介质表面而发生闪络,严重时造成断路器发生爆炸事故。
纯净SF6气体,在运行中,受电弧放电或高温后,会分解成单体的氟、硫和氟硫化合物,电弧消失后会又化合成稳定的SF6气体。
当气体中含有水分时,出现的氟硫化合物会与水反应生成腐蚀性很强的氢氟酸、硫酸和其他毒性很强的化学物质等,危及维护人员的生命安全,对断路器的绝缘材料或金属材料造成腐蚀,使绝缘劣化,甚至发生设备爆炸。
因此,SF6的监测就显得尤为重要了。
本次设计的系统要求:
熟悉110kVSF6高压断路器的整体结构和故障特点,设计一SF6高压断路器微水含量在线监测系统,能够对SF6高压断路器中气体的微水含量进行监测,选择合适的传感器构成传感系统,设计信号处理硬件电路和软件框图及部分程序,构成完整的在线监测系统。
选择合适的传感器,并对传感器的原理进行分析;完成系统硬件电路的设计,完成软件系统流程框图和部分程序的设计,设计和上位机的通讯系统。
二、硬件设计方案
2.1方案选择
本次的SF6断路器微水含量在线监测系统设计的最初方案是用湿度传感器采集气体中微水的含量,然后通过NE555芯片将其转换成频率信号传输到下位机即单片机,在单片机里进行一系列的数据处理再通过通信输入到上位机。
但是由于频率信号对我们来说不好处理,所以把将湿度传感器采集到的微水信号通过运算放大器转换成电压信号再输入到单片机。
SF6气体微水含量在线监测系统湿度特征量信号,并对其进行预处理、传送、存储、计算、判断和显示来完成整个在线监测过程。
因此该系统由传感器、单片机、主控PC机组成。
单片机是用带AT89C51,采用RS232与PC机通信。
SF6在线监测系统通信距离是20m。
结构框图如图2--1所示。
HS1101湿度检测
下位机处理
(51单片机)
上位机
外存储器
CD4051多路开关
ADC0808AD转换
图2—1系统结构框图
2.2系统功能描述
HS1101湿度传感器检测到气体的相对湿度后通过运放将其转换成电压信号,并通过低通滤波电路将该电压滤波得到1000HZ以下频率的模拟信号,模数转换芯片ADC0808采集该模拟信号并将其转换成数字信号输入到单片机。
单片机通过程序软件一方面判断该信号的大小以选择多路开关的通断来选择参考电容,实现程控;另一方面将该信号存入外存储器以便上位机通过芯片RS232随时读取。
2.3各单元功能介绍
2.3.1测量电路
湿度指的是相对湿度,用%RH表示。
即气体中(通常为空气中)所含水蒸气量(水蒸气压)与其空气在相同情况下饱和水蒸气量(饱和水蒸气压)的百分比。
HS1100湿度传感器是一种基于电容原理的湿度传感器,相对湿度的变化和电容值呈线性规律。
在自动测试系统中,电容值随着空气湿度的变化而变化,因此将电容值的变化转换成电压或频率的变化,才能进行有效地数据采集。
本设计中采用将电容值的变化转换成电压的变化来采集,该电路采集了4个点的信号,用运放放大电压来实现。
其原理是给运放反向输入端接一参考电压并串入一参考电容(因为要实现程控,所以并联了4个电容),参考电容值与传感器的电容值之比为运放的增益,该增益乘以参考电压得到输出电压,完成从而完成湿度到频率的转换,如图2—2所示为一个点的测试电路。
C1为参考电容,CX1代表湿度传感器,Ui为参考电压,Uo为输出电压。
增益A=C1/CX1,输出电压Uo=Ui*A=Ui*C1/CX1,即完成了将传感器的电容信号转换为电压信号。
图2—2HS1101湿度传感器的测量电路
HS1101简介
HS1101是法国Humirel公司推出了一款电容式相对湿度传感器。
该传感器可广泛用于办公室、家庭、汽车驾驶室和工业过程控制系统等,对空气湿度进行检测。
与其他产品相比,它有着显著的优点:
(1)无需校准的完全互换性;
(2)长期饱和状态,瞬间脱湿;(3)适应自动装配过程,包括波峰焊接、回流焊接等;(4)具有高可靠性和长期稳定性;(5)特有的固态聚合物结构;(6)适用于线性电压输出和线性频率输出两种电路;(7)响应时间快。
(1)、基本参数值
表1最大参数值(Ta=250C除非特别标定)
参数
符号
参数值
单位
工作温度
Ta
-40~100
0C
储藏温度
Tstg
-40~125
0C
供电电压
Vs
10
V
湿度范围
RH
0~100
%RH
表2特征参数(Ta=25,@10KHz,除非特别标定)
特征参数
符号
MIN
Typ
MAX
单位
湿度测量范围
RH
1
0C
99
%
供电电压
Vs
5
10
V
表称电容@55%RH
C
177
180
183
pF
温度效应
Tcc
0.04
PF/0C
平均灵敏度
ΔC/%RH
0.34
pF/%RH
漏电流
Ix
1
nA
恢复时间@150小时结露
Tr
10
s
迟滞
+/-1.5
%
长时间稳定性
0.5
%RH/yr
反应时间
Ta
5
s
曲线进度(10%~90%)
+/-2
%RH
(2)特性曲线
HS1101特性曲线如图2--3所示。
测量温度Tα=25℃,测量时HS1101的工作频率为10kHz。
从特性曲线曲线图上可以看出,HS1101具有极好的线性输出,可以近似看成相对湿度值与电容值成比例,因此在测量过程中,采集电容值即可。
图2—3HS1101电容值—相对湿度特性曲线
2.3.2信号采集电路
得到HS1101的湿度信号转换成的电压信号后,由于该信号可能含有比较高频率的谐波或杂波信号,若直接采集会影响单片机的判断质量,因此将其通过低通滤波电路滤波后再输入到ADC0808,ADC0808的采样频率是通过单片机输出一定频率的高低电平的方波控制。
电路如图2—4所示为两个点的滤波及采集电路。
该滤波电路的通带电压增益为1.586倍,截止频率为1000Hz,滤波电路输入端接测量电路得到的电压信号,输出端接入模数转换芯片ADC0808的输入端进行数据采集,采集到的每一路信号都形成8个数字电平信号通过输出端输出。
该电路采用分时数据采集,每一路信号在单片机外围存储器里都分配了各自的存储地址,以便确认单片机访问的数据是来自哪个点的数据。
图2—4滤波采集电路
2.3.3信号处理
图2—5下位机信号处理电路
信号处理模块用AT89C51完成,由于我们采样频率较高,得到的数据较多,
而单片机的存储空间有限,因此需要用到62256来做单片机的外存储器,外存储器的容量为32K。
因为要实现程控放大,用单片机控制测量电路的放大增益,所以要加一个CD4051多路开关来选择参考电容。
其原理为:
当单片机得到的信号较小的时候,需要增加运放的放大增益,因此单片机需要输出一组数据到多路开关的选路端口选择与大参考电容相串联的开关,使其导通,从而增加运放的增益。
电路如上图2—5所示。
2.3.4通信电路
通常PC机和单片机之间的通信是通过串行总线RS-232实现的。
因此采用一种以MAX232为核心的通信接口电路。
该接口电路适用于由一台PC机与多个8051单片机串行通信的设计,其原理和方法同样适用于PC机与其它单片机之间的串行数据通信。
RS-232C通信接口电路是上位机和下位机之间信息传递的枢纽,一切数据的传输必需由它完成,上位机直接利用它的RS-232串行口,为此,采用了RS-232串行通信来接收或上传数据和指令。
但RS-232信号的电平和单片机串口信号的电平不一致,必须进行二者之间的电平转换。
在此电路中,采用MAX232实现TTL逻辑电平和RS-232电平之间的相互转换。
MAX232由单一的+5V电源供电,只需配接5个高精度10μF/50V的钽电容即可完成电平转换。
转换后的串行信号TXD、RXD直接与PC机的串行口连接,即MAX232的14和13号脚直接与上位机的串行口连接。
电路如图2—6所示。
图2—6通信电路
2.3.5CAN总线通信软件的设计
虽然本设计总的上位机与下位机是一对一的通信,即不需要CAN总线通信,但一般的工程通信都是多对一(多台下位机和一台上位机)的通信,因此在这里简要介绍一下CAN总线通信的基本软件设计。
通信任务主要包括两个方面的内容:
通过双口RAM和MCU通信和通过CAN模块与上位机通信。
下位机监测单元MCU通信软件的主要功能是:
对接受到的报文进行校验、处理和发送。
其执行流程如图2--7所示报文的接收采用中断和查询相结合的方式,即初始化时就打开串口的接收中断并设为低级优先级方式,当串口接收到报文的第一个字节时,就进行串口中断服务程序,在中断服务程序里关闭串口中断,通过查询来接收报文剩余字节
开始
把数据封装成报文
YN
N
图2--7CAN模块发送数据基本流程
MCU的UART每次接收一个字节就置接收中断标志为1并向MCU申请中断。
上位机要发送的报文由多个字节组成,发送时从报文的首字节开始一个一个字节连续发送。
下位机接收到的第一个字节就是上位机发送报文的首字节,直到接收到最后一个字节时,下位机可采取计数法、标记法或超时法判断。
其执行流程如下图2--8所示。
上位机监测系统通信部分的CAN程序设计主要包括两个部分:
初始化部分和数据的接收处理部分。
初始化的主要工作有:
CAN的工作方式、滤波方式、传输速率和CAN的控制器中断开放。
其执行流程如下图2--9所示。
NN
Y
Y
校验正确?
处理报文
有数据上传?
把数据封装成报文
发送报文
结束
该帧是一个报文的结束帧?
把属于同一个位机的CAN帧拆封成报文
处理报文
结束
N
Y
N
N
Y
Y
图2--9上位机CAN帧的接收和处理流图图2--8MCU通信流程
2.4系统总电路
总的系统电路图如图2—10所示,其放大图如下图2—11和图2--12所示
图2—10系统总体电路图
图2—11系统前部分放大图
图2—12系统后部分放大图
三、软件设计
3.1系统模块层次结构
软件程序主要包括的功能有分配信号存储地址、程控放大、输出采样频率。
程序结构如下图3—1所示。
图3—1系统模块层次结构
3.2子程序设计方案
3.2.1采样频率子程序
采样频率子程序是通过对单片机的P1^0端口赋一系列的高低电平值而实现的。
由于SF6的含水量变化不大,因此对采样频率要求也不高,本设计中用的是50Hz的采样频率。
程序为死循环。
实现流程图如图3—2所示
3.2.2AD采样转换子程序
本设计共采集了4路模拟信号,系统中设置一个总开关K,当开关按下时开始采样。
在此子程序中设置了一个全局变量c,c为0时采集第一路信号,c为1时采集第二路信号,依次类推。
AD采样使用的是分时采样,即从第一路信号开始采集,各路信号轮换采集并各采集20ms,经过滤波后分别存储到不同的存储单元中。
单片机在读取数据时,可通过对地址的判断从而判断出所读取的数据来自哪路信号。
实现流程图如图3—3所示。
开始
P1^0赋值为1
延时10ms
时间到?
P1^0赋值为0
时间到?
K=0?
采集第一路信号并调用延时和滤波函数
C加1
C赋值为0
时间到?
采集第三路信号并调用延时和滤波函数
采集第二路信号并调用延时和滤波函数
时间到?
时间到?
C加1
N
Y
N
Y
N
YN
Y
N
N
采集第四路信号并调用延时和滤波函数
时间到?
C加1
Y
Y
图3—2采样频率程序流程图
N
Y
图3—3AD采样转换子程序流程图
3.2.3程控子程序
程控子程序的功能主要是控制采样得到的信号保持在一个范围内。
即当SF6中的含水量不同时,湿度传感器的电容值就不同,从而得到的采样数据就不同。
程序根据得到的不同数据判断其范围,给单片机输出一组不同的高低电平来选择多路开关的通断,从而接通与该路开关串联的参考电容以改变放大电路的增益。
由于HS1101的电容变化范围是:
含水量在0~20%内电容值为163~171pF;含水量在20%~40%内电容值为171~179pF;含水量在40%~60%内电容值为179~187pF;含水量在60%~100%内电容值为187~205pF。
取参考电压为5V的正弦交流电,在此范围内测量电路的参考电容值分别设为166pF、256.5pF、366pF、487.5pF,放大增益大致分别为1倍、1.5倍、2倍、2.5倍,从而在此范围测量电路的输出电压分别在5.09~4.85V、7.5V~7.16V、10.22V~9.79V、13.03V~11.89V的范围内。
其实现流程如图3—4所示.
另外两个子程序延时和滤波子程序的程序流程图如图3--5和3--6所示。
Y
N
Y
N
Y
N
Y
图3—4程控子程序流程图
i<120?
i++;ms--;
return(new_value)
开始
i=0;intms;
开始
最大截止频率a=50
new_value=(100-a)*value+a*new_value
N
Y
图3--5数字滤波程序图3--6延时函数(1ms)
3.3源程序
#include
#include
sbitK=P1^4;//定义总开关K
sbitM=P1^0;//采样频率输出端口
sbitC1=P1^1;
sbitC2=P1^2;
sbitC3=P1^3;//C1、C2、C3为选通位
#defineadc0808_00x8000//定义ADC0808首地址
#definea50
unsignedintDianYa_0=0;
intc;
voidDelayMs(intms)//延时函数
{
while(ms)
{
unsignedchari;
for(i=0;i<120;i++);
ms--;
}
}
voidCLOCK()//采样频率控制函数
{while
(1)
{
M=1;
DelayMs(10);
M=0;
DelayMs(10);
}
}
voidTime0(void)interrupt1//中断函数
{
TH0=(65536-1000)/256;
TL0=(65536-1000)%256;
}
charfilter()//数字滤波函数
{
charvalue;
charnew_value;
new_value=(100-a)*value+a*new_value;
return(new_value);
}
voidAD()//AD转换函数
{
unsignedcharad;
if(K==0)
{
while(K==0);
for(c=0;c<=3;c++)
{
XBYTE[adc0808_0+c]=c;
DelayMs(20);
filter();
DianYa_0=(unsignedlong)ad*50*51/255;
}
}
}
voidchengk()//程控函数
{
intck=P2;
if((ck>=1)&&(ck<=10))
{C1=0;
C2=1;
C3=1;
}
elseif((ck>=10)&&(ck<=100))
{C1=0;
C2=1;
C3=0;
}
elseif((ck>=100)&&(ck<=1000))
{C1=0;
C2=0;
C3=1;
}
else
{C1=0;
C2=0;
C3=0;
}
}
voidmain()
{
TMOD=0x11;//单片机初始化
TR0=1;
ET0=1;
EA=1;
while
(1)
{
AD();//调用不同的函数
DelayMs(100);
chengk();
CLOCK();
}
}
五、总结
经过三周的电气工程与自动化专业课程设计,我们基本完成了课题要求。
熟悉了110kVSF6高压断路器的整体结构和故障特点,设计出了SF6高压断路器微水含量的在线监测系统,该系统能够对SF6高压断路器中气体的微水含量进行实时监测。
选择合适的湿度传感器HS1101构成传感系统,形成了信号处理硬件电路和软件框图及部分程序,构成完整的在线监测系统
另外,在本次设计的过程中,我们发现了我们自身的很多问题。
最大的问题是理论学得不扎实,不过,在这次课程设计的过程中,我们也学到了很多东西,不仅学到了在线监测的基本方法与基本原理,还复习巩固了单片机原理、C语言编程等知识。
通过阅读大量的参考资料,我们丰富了自己的知识面,使自己的理论知识又上了一个台阶。
此外,还认识到方案与实现操作有很大的差距,如软件设计时,通过查阅资料我们设计的程序思路很简单,可到我们实际编程的时候才发现很多细节我们并不知道该怎么去处理。
总的来说,本次课程设计收获颇丰,最主要的收获是不管做什么事,光有思路是不够的,必须把思路实际化、实践化,这样才能发现自己的不足,提高自己的能力。
六、参考资料
1.变压器在线状态监测系统研究[J]XX文库2010-11-10
2.单片机数字滤波算法研究[J]XX文库2010-05-20
3.SF6微水在线检查[J]XX文库2010-06-04
4.MAX232芯片中文资料及简单程序测试应用[J]XX文库2010-06-28
5.电气设备状态检测[M]机械工业出版社P72007年7月第一版
6.电器测试技术与故障诊断技术[M]机械工业出版社2007年1月第一版
7.SF6高压电器设计[M]机械工业出版社P12003年7月第一版
8.SF6断路器实用技术[M]中国水利水电出版社2004年4月第一版
9.电力电子装置故障自动诊断[M]科学出版社2001年3月第一版
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