基于單片機的便攜式SF6氣體試驗輔助裝置設計

孫紅梅,張 凱

(1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司檢修分公司，遼寧 沈陽 110003;2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006)

基于單片機的便攜式SF6氣體試驗輔助裝置設計

孫紅梅1,張 凱2

(1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司檢修分公司，遼寧 沈陽 110003;2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006)

由于目前SF6氣體微水試驗頻次高且過程繁瑣，設計了一種SF6氣體微水試驗輔助工具，以精簡試驗程序，提高試驗的安全性和效率。介紹了基于單片機設計的SF6氣體試驗輔助裝置設計情況，主要包括硬件選擇、電路設計和軟件開發(fā),并從應用情況對設計成果進行比較和評價。

單片機；SF6氣體試驗；輔助儀

Abstract:This paper aims to devise an auxiliary machine helping simplify the test procedure of the micro-water in SF6gas, which is used but unsuitable for the test task nowadays.Because of the complex procedure, frequency and times testing the micro-water SF6gas increase fast. Here we introduced how to make this machine based on the single chip. Mainly include choosing the hard ware, designing electric circuits, compiling soft ware and so on. We use it at work site to compare and evaluate the effect of the auxiliary machine.

Keywords：single-chip;SF6gastest;ancillary equipment

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，SF6氣體絕緣的電力設備得到廣泛應用[1-2]，尤其是500 kV電壓等級設備，幾乎全部采用了SF6絕緣全封閉或半封閉設備，相對應設備的試驗隨之增加，新問題也隨之而來，陳舊繁瑣的試驗過程和與日俱增的試驗任務使工作人員長期處于高負荷狀態(tài)。

為了減少作業(yè)所需試驗儀器，保證作業(yè)現(xiàn)場SF6氣體濃度安全，減輕工作人員任務，縮短數(shù)據(jù)處理時間，根據(jù)現(xiàn)有試驗程序，研發(fā)了SF6氣體試驗輔助儀。

1 濕度測試方法

SF6絕緣電氣設備中的水分不僅可與SF6分解產(chǎn)物發(fā)生水解反應，產(chǎn)生有害物質(zhì)，嚴重腐蝕氣體設備，影響滅弧能力。且容易在設備內(nèi)部結(jié)露，產(chǎn)生沿面放電(閃絡)而引起事故，破壞絕緣性。《輸變電狀態(tài)檢修試驗規(guī)程》規(guī)定投入運行的斷路器微水測試時間節(jié)點分別為：SF6電氣設備新安裝、大修后，在投入運行前應對設備進行微水測量；設備投入運行后需要定期進行微水測量；試驗數(shù)據(jù)合格但有上升趨勢，或者其他必要情況時需要進行微水測量。

常見的氣體濕度測量方法有3種，即電解式、冷凝式及電阻電容式，目前電力企業(yè)應用最廣泛的是冷凝式(即露點法)[3]測量氣體濕度值。露點法測量原理為：當一定體積的氣體在恒壓下均勻降溫時，氣體和其中水分的分壓保持不變，直至水分達到飽和狀態(tài)，該狀態(tài)下測得的氣體溫度就是氣體的露點，從而可以測量氣體的相對濕度。

由于測量結(jié)果受到環(huán)境溫度影響明顯，為了方便評價氣體質(zhì)量，需將測試結(jié)果修正為20 ℃以下氣體濕度值。現(xiàn)行標準規(guī)定了設備中氣體水分含量：有電弧分解物隔室新充氣后在20 ℃下濕度≤150 μL/L，正在運行設備20 ℃下濕度≤300 μL/L；無電弧分解物隔室新充氣后在20 ℃下濕度≤250 μL/L，正在運行設備在20 ℃下濕度≤500 μL/L。

現(xiàn)有數(shù)據(jù)修正方法有多種，包括圖表法、曲線法及經(jīng)驗公式法等，目前大多采用由黑龍江電科院和山東電科院提出的折算公式[4]。具體折算過程為：首先通過設備測試出SF6氣體的露點值和環(huán)境溫度，然后通過查找《飽和蒸汽壓》和《露點值與蒸汽壓之間的關(guān)系》[3]中對應的數(shù)值，利用上述公式進行換算修正。

2 硬件設計

2.1整體結(jié)構(gòu)框圖

整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，該系統(tǒng)由1個主控制器和多個傳感器組成，主要完成作業(yè)現(xiàn)場溫度、濕度及SF6氣體濃度的檢測與顯示。傳感器向主控制器發(fā)送檢測到的數(shù)據(jù)，主控器控制顯示器、報警器工作。硬件選擇時要考慮在能夠達到要求的前提下，盡可能降低功耗。

圖1 整體結(jié)構(gòu)框圖

2.2硬件選擇

2.2.1 溫濕度傳感器

該傳感器選用型號SHT20，是新一代Sensirion濕度和溫度傳感器，在尺寸與智能方面建立了新的標準，嵌入了雙列扁平無引腳DFN封裝，輸出經(jīng)過標定的數(shù)字信號，是標準I2C格式，具備串口輸出功能。

2.2.2 SF6傳感器

SF6傳感器選用型號為富安達SF6/G-40-2000P，為串口通信，該傳感器采用非色散紅外(NDIR)檢測技術(shù)，進口高精度紅外發(fā)射探測器及工業(yè)級高穩(wěn)定單片機，具有抗其他氣體干擾、長期穩(wěn)定性好、壽命長、精度高等特點，廣泛應用于電力氣體檢漏、在線監(jiān)測、工業(yè)過程分析等多種場合。

2.2.3 氣泵

氣泵選用型號minipB-1，氣體流量500 mL/min，該微型泵體積小、電流小、功耗低、噪聲小，并帶安裝孔，抗腐蝕性氣體和臭氧氣體，適合袖珍泵吸式分析器、氣體采樣器等。

2.2.4 主控芯片

主控制器的微處理器性能關(guān)系到整個系統(tǒng)的總體性能，同時微處理器的選擇還要考慮到價格的因素。該系統(tǒng)選擇的微處理器為MSP430F149單片機，是一種新型的混合信號處理器，具有統(tǒng)一的存儲模式，可以快速響應中斷和進行中斷處理，采用美國德州儀器(Texas Instruments)公司最新低功耗技術(shù)，將大量的外圍模塊整合到片內(nèi)，特別適合于開發(fā)和設計單片系統(tǒng)。它同時支持C/C++編程語言，其C語言優(yōu)化器的編譯效率可達90%，大大縮短該系統(tǒng)的數(shù)學運算與控制程序的開發(fā)周期。

2.2.5 導氣管

采用金屬定型軟管，金屬定型軟管由金屬彈簧鋼線和鍍鋅鐵線或者其他金屬線材旋繞包覆而成的復合型金屬管，中空外部有螺旋紋，是可以在立體空間中任意彎曲成一定形狀并能保持其形狀的軟管，彎曲時長度和大小基本穩(wěn)定，彎曲后軟管本身具有一定的支撐力,可以支撐起一定重量的物件，支撐力在一定范圍內(nèi)是可控的。

2.3電路設計

電路中主要包括了SF6傳感器與單片機通信電路、4.2 V轉(zhuǎn)12 V升壓電路設計、4.2 V轉(zhuǎn)3.3 V降壓電路設計、控制系統(tǒng)設計、微型氣泵驅(qū)動電路設計、蜂鳴報警電路設計、電量檢測電路設計、充電電路設計、顯示電路設計、鍵盤電路設計(硅膠按鍵) 、一鍵開關(guān)機電路設計、LCD電路設計等。供電過程為：電源采用4.2 V鋰電池；通過升壓電路為SF6傳感器提供12 V電壓；單片機、氣泵、液晶屏、溫濕度傳感器采用3.3 V，通過降壓芯片實現(xiàn)12 V轉(zhuǎn)3.3 V。 數(shù)據(jù)檢測及顯示過程為傳感器檢測并輸出數(shù)字信號，主控器進行中斷處理，命令顯示器按照一定格式在對應位置顯示相應數(shù)據(jù)。報警過程為主控器通過計算分析SF6濃度數(shù)據(jù)，超過設定值時，中控器命令蜂鳴報警器發(fā)出蜂鳴報警聲。計算及顯示過程為主控器讀取鍵盤輸入數(shù)據(jù)，并顯示在顯示器上，同時對數(shù)據(jù)進行存儲，根據(jù)鍵盤輸入的計算命令，查詢內(nèi)置表格，根據(jù)已編程的公式程序，計算出結(jié)果并顯示。

3 程序設計

程序設計從功能上可以分為兩大部分：一是跟硬件有密切關(guān)系的驅(qū)動程序，包括電路驅(qū)動、AD轉(zhuǎn)換啟動、數(shù)據(jù)的實時采集，這些驅(qū)動程序完成對硬件的操作，要求能及時處理，應在中斷處理模塊中完成；二是與硬件無關(guān)的應用程序，包括數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)查找程序、公式計算程序、數(shù)據(jù)的存儲等，應在系統(tǒng)主程序中完成。

程序開發(fā)可以用匯編語言，也可以用C/C++語言。使用匯編語言的優(yōu)點在于運行速度快，可以充分利用芯片的硬件特性，但其開發(fā)速度較慢，程序的可讀性差[5];使用C/C++語言的優(yōu)勢在于程序編寫容易、調(diào)試速度快、可讀性好、程序可維護性好、可以大大縮短開發(fā)周期,但C/C++語言不能對其片內(nèi)沒有映射地址的特殊功能寄存器進行操作。該系統(tǒng)選擇匯編語言與C/C++語言混合編寫，這樣不僅可以提高編程效率和程序編寫過程中的靈活性，而且還為以后系統(tǒng)的維護與升級帶來方便。數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示和計算等都是通過中斷進行處理的，在主函數(shù)中，調(diào)運顯示、計算、查找數(shù)據(jù)等子函數(shù)。系統(tǒng)程序流程圖如圖2、圖3所示。

圖2 SF6濃度檢測報警流程圖

圖3 微水計算流程圖

系統(tǒng)啟動后，首先對微處理器及各芯片進行初始化，顯示開機主菜單界面并延遲100 s，然后進行系統(tǒng)自檢。若系統(tǒng)自檢未成功則顯示故障部位。系統(tǒng)通過自檢后，主控制器輪詢各個傳感器，采集各節(jié)點處傳感器所發(fā)送的數(shù)據(jù)。主控制器將采集到的數(shù)據(jù)處理后，存儲并顯示濕度、溫度和SF6氣體濃度值，判定氣體濃度是否超標。如果超標，則啟動相對應的聯(lián)動輸出模塊聲光報警；主控制器在檢測到有數(shù)據(jù)輸入時進行存儲和顯示，檢測到“計算”鍵時系統(tǒng)自動調(diào)用函數(shù)進行計算，計算結(jié)束自動顯示計算所得結(jié)果。

4 應用情況

4.1儀器性能

經(jīng)過多次調(diào)試，制成如圖4所示的SF6氣體微水測試輔助儀。

圖4 輔助儀成品

圖5 用輔助儀前流程圖

圖6 用輔助儀后流程圖

將儀器帶到作業(yè)現(xiàn)場進行實用性測試，從測試結(jié)果看出，該儀器能夠快速測量現(xiàn)場溫濕度，能夠準確測量SF6氣體濃度，精度均滿足要求。當儀器處于濃度高于1 000 μL/L的環(huán)境中時，能夠及時自動報警。在計算過程中，能夠根據(jù)輸入的現(xiàn)場所測試的氣體露點值快速計算出結(jié)果。由于該儀器體積小易于隨身攜帶，能夠取代溫濕度儀表，更能通過新增功能來檢測SF6氣體濃度，保護現(xiàn)場作業(yè)人員安全，同時其特有的計算功能，可以專門解決氣體濕度折算的復雜問題，滿足設計要求。

4.2使用情況

將原有試驗程序過程和使用輔助儀后的試驗過程進行對比，如圖5和圖6所示。

舊試驗流程獲得試驗結(jié)果需8 h，使用SF6輔助儀后獲得試驗結(jié)果只要0.5 h。利用SF6試驗輔助儀可以改進目前的試驗方法，保證人員人身安全，縮短試驗時間，減少人為因素導致的試驗結(jié)果錯誤，從而保證試驗結(jié)果的準確性，大大提高工作效率。

5 結(jié)束語

SF6斷路器如今已經(jīng)得到廣泛應用，氣體濕度試驗也逐漸成為高壓專業(yè)主要測試項目之一。本文設計SF6試驗輔助裝置，不僅能夠測量溫度、濕度，更能測量SF6氣體濃度，同時能夠快速計算出SF6氣體相對濕度值。該儀器的使用能夠精簡改進目前的試驗流程，能夠防止試驗人員SF6氣體中毒，提高測試結(jié)果的準確度和工作效率。

[1] 孫紅梅，張 凱.SF6氣體濕度計算優(yōu)化與應用[J].東北電力技術(shù)，2015，36(3)：32-34.

[2] 洪 鶴，魯旭臣，胡大偉.組合電器SF6氣體泄漏故障分析[J].東北電力技術(shù)，2014，35(7)：27-29.

[3] 氣體中微量水分的測定：GB/T 5832.2—2008[S].

[4] 六氟化硫電氣設備中絕緣氣體濕度測量方法：DLT 506—2007[S].

[5] 吳銘方，張玉政，陳書錦．基于DSP TMS320F2812的氣體報警系統(tǒng)設計[J]．自動化儀表，2009，30(10)：49-54.

出版物上日期、時間、時刻的表示

1全數(shù)字式日期表示法

①一個全數(shù)字式日期由時間元素“年、月、日”組成。

②一個全數(shù)字日期應按如下順序表示：即年、月、日。

③全數(shù)字日期只允許用阿拉伯數(shù)字表示，即“0，1，2，3，4，5，6，7，8，9”。如果需要，也可使用分隔符。

④時間元素的表示：年用4位數(shù)表示；月用2位數(shù)表示；日用2位數(shù)表示。

⑤1981年8月24日可表示為如下形式之一；

19810824(不用分隔符)；1981-08-24(用連字符分隔)；1981 08 24(用間隔字符分裂隔)。

2時間、時刻的表示

①表示時間。例如：“今天植樹共用了1 h 30 min 30 s。

②表示時刻。例如：“1959年10月23日10時53分10秒。”“明天上午9 h 30 min”。

③“星期(周)、月、年”不是時間的法定計量單位，但仍可按習慣使用。

3日期與時間的組合表示

當日期與時間的表示組合時，其時間元素應按如下順序排列：年、月、日、時、分、秒。

例如：當陽歷日期1981年8月25日與時間14時12分36秒組合時，可表示為“19810825141236”(在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)之間交換時用)；或“1981-08-25-14:12:36”(便于人們理解)。

4a(年)、d(天)、h(小時)在敘述文中的用法

①電臺每天播放18 h。

②每隔1～2 a，舉辦1次國際學術(shù)討論會。

③3 d后，我們?nèi)ケ本?/p>

需要說明的是，以上用法只是作為一種可以表述的方法提出來，目前并不著意強調(diào)其使用。

摘自《量和單位的使用原則及方法》

Design of a Portable Auxiliary Device for SF6Gas Test Based on Single-chip Microcomputer

SUN Hongmei1， ZHANG Kai2

(1.State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Maintenance Branch Company，Shenyang，Liaoning 110003，China；2.State Grid Liaoning Electric Power Company Limited Company，Shenyang，Liaoning 110006，China)

TM595

A

1004-7913(2017)07-0018-04

2017-05-15)

孫紅梅(1986),女，碩士，工程師，從事電氣試驗及電氣設備絕緣監(jiān)督工作。