大電流封閉母線露點檢測裝置研究

朱德志，李 晨

(鎮(zhèn)江高等專科學(xué)校 電氣與信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

大電流封閉母線露點檢測裝置研究

朱德志，李 晨

(鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校 電氣與信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

防止大電流封閉母線結(jié)露的設(shè)備一般需要檢測母線內(nèi)部的露點數(shù)據(jù)以確定設(shè)備啟動或停止運行?？諝饴饵c儀依賴進(jìn)口，價格昂貴。利用空氣露點溫度與空氣溫度、相對濕度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，依靠單片機(jī)計算及相關(guān)處理技術(shù)，可以把大電流封閉母線內(nèi)部空氣溫度、相對濕度信號轉(zhuǎn)換成露點數(shù)據(jù)，降低設(shè)備成本。

防止大電流封閉母線結(jié)露設(shè)備；空氣相對濕度；露點；單片機(jī)

大電流封閉母線受潮和結(jié)露會導(dǎo)致絕緣性能下降，影響其安全運行[1]。為了防止大電流封閉母線結(jié)露，一般使用大電流封閉母線干燥裝置來降低母線內(nèi)部空氣的露點溫度，提高母線絕緣性能[2]。首先，使用空氣露點儀檢測大電流封閉母線內(nèi)部空氣的露點溫度。然后，根據(jù)母線內(nèi)部空氣的露點溫度啟動或停止大電流封閉母線干燥裝置。母線干燥后降低了內(nèi)部的空氣露點溫度，可以避免受潮。但空氣露點儀長期依賴進(jìn)口，價格非常昂貴。為了節(jié)約成本，目前國內(nèi)很多廠家用相對濕度儀替代空氣露點儀。但采用這種方法會導(dǎo)致露點溫度控制不精確，使大電流封閉母線存在受潮和結(jié)露的風(fēng)險，存在絕緣事故隱患。就現(xiàn)實生產(chǎn)而言，以較低的成本檢測大電流封閉母線內(nèi)部的空氣露點溫度具有重要意義，這也是本文研究的重點。

基于空氣露點溫度與空氣溫度和相對濕度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，依靠傳感器檢測空氣溫度和相對濕度信號，經(jīng)過單片機(jī)計算后轉(zhuǎn)換成大電流封閉母線內(nèi)部空氣露點溫度信號，可以降低設(shè)備的制造成本，提高控制精度。

1 露點檢測的方法分析

大電流封閉母線干燥裝置和大電流封閉母線熱風(fēng)保養(yǎng)裝置都是基于露點溫度控制設(shè)備的啟動和停止。露點溫度是因空氣濕度飽和而發(fā)生結(jié)露時的溫度值。露點溫度可以準(zhǔn)確反映在當(dāng)前溫度和相對濕度下，母線內(nèi)部空氣溫度下降到什么值時結(jié)露。為了有效地防止大電流封閉母線結(jié)露，一般設(shè)定在-10 ℃露點溫度時設(shè)備啟動，在-15 ℃露點溫度時設(shè)備停止運行。這樣，既確保了母線內(nèi)部空氣的干燥度符合要求，又確保了設(shè)備的節(jié)能運行。

進(jìn)口露點檢測設(shè)備主要是芬蘭VAISALA公司的空氣露點儀，可以測試空氣相對濕度和溫度，也可以測試空氣的露點溫度值，但價格昂貴，很難在國內(nèi)推廣使用。

在恒定的空氣壓力下，一定的空氣溫度值和相對濕度值對應(yīng)一個空氣露點溫度值。當(dāng)空氣溫度值發(fā)生變化時，空氣相對濕度值也會相應(yīng)發(fā)生變化，但這時的空氣露點溫度值保持不變。這就是空氣露點溫度值的優(yōu)越性。

空氣露點溫度Td與空氣溫度t(℃)、空氣壓力P(mbar)、空氣相對濕度RH(%)存在一定的關(guān)系，可以用兩組計算公式[3]表示，即

(1)

(2)

其中，PWS表示飽和水蒸汽的分壓力(mbar)。參數(shù)A，m，Tn與t的關(guān)系如表1所示。

表1 參數(shù)A，m，Tn與t的關(guān)系表

根據(jù)檢測到的空氣溫度t查表1得到相應(yīng)的A，m，Tn值，代入式(1)和式(2)計算，就可以得到當(dāng)前的空氣露點溫度Td，所以說，在空氣壓力值恒定的情況下，當(dāng)前空氣溫度值t和當(dāng)前空氣相對濕度值RH決定了空氣露點溫度Td。

2 露點檢測系統(tǒng)設(shè)計

由于計算簡便，確定以AT89C51單片機(jī)為核心研制露點溫度檢測電路。設(shè)計的系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)CPU選用ATMEL公司的AT89C51。此芯片是新型的電擦寫8位單片機(jī)，片內(nèi)采用閃速存儲(Flash Memory)制造技術(shù)，4KEPROM/128RAM，無須加片外存儲器，功耗低，可加密，價格低，支持兩種可選的模式(省電模式—休眠模式和掉電模式)，性價比高。

單片機(jī)利用溫度檢測電路和相對濕度檢測電路檢測到的母線內(nèi)部空氣的溫度值和相對濕度值計算出空氣露點溫度值(假設(shè)母線內(nèi)部壓力恒定為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)，顯示在數(shù)碼管上，并提供所需要的上、下限報警接點以啟動或停止設(shè)備的運行[4]。

本系統(tǒng)選用ADC0809作為模-數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，該芯片是逐次逼近式的8位A/D轉(zhuǎn)換芯片，有8個模擬量輸入通道，即IN0，IN1，…，IN7，每個通道占有1個地址號，由通道選擇線ADDA，ADDB，ADDC決定。A/D芯片在系統(tǒng)中相當(dāng)于一個外圍芯片，因此取P2.7低電平有效作為片選信號，片選信號與WR有效信號配合，利用WR下降沿使START及ALE信號變高電平有效來鎖存地址信號，在WR上升沿時刻，START信號由高電平變低電平啟動A/D轉(zhuǎn)換。ADC0809輸入信號要求為0～5 V的電壓信號，而現(xiàn)在外部需要處理的8路信號為4～20 mA的電流信號，在送入ADC0809前需通過50 Ω電阻把電流信號轉(zhuǎn)換成0～5 V的電壓信號，母線內(nèi)部的溫度信號對應(yīng)溫度范圍為-50～500 ℃，母線內(nèi)部相對濕度信號對應(yīng)相對濕度范圍為0%～100%。這樣，將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號就可以進(jìn)行模-數(shù)轉(zhuǎn)換，輸入單片機(jī)進(jìn)行運算處理了。

AT89C51單片機(jī)串行口方式為移位寄存器方式，外接4片74LS164作為4位LED顯示器的靜態(tài)顯示接口，AT89C51的RXD作為數(shù)據(jù)輸出線，TXD作為移位時鐘脈沖。74LS164為TTL單向8位移位寄存器，可以實現(xiàn)串行輸入、并行輸出。當(dāng)1個時鐘信號的上升沿加到T端時，移位寄存器移1位，8個時鐘脈沖過后，8位二進(jìn)制數(shù)全部移入74LS164。Q1～Q8(第3～6和第10～13引腳)并行輸出端分別接LED顯示器的H～A各段對應(yīng)的引腳，如圖2所示。

圖2 顯示接口

數(shù)字的字型碼如表2所示。

表2 字型碼表

露點溫度的上、下限報警接點和外部報警信號通過3只5 V繼電器輸出。當(dāng)單片機(jī)計算的露點溫度值低于-15 ℃時，單片機(jī)P2.7輸出高電平，下限繼電器線圈得電吸合，下限繼電器接點閉合發(fā)出溫度下限報警信號；當(dāng)單片機(jī)計算的露點溫度值高于-10 ℃時，單片機(jī)P2.6輸出高電平，上限繼電器線圈得電吸合，上限繼電器接點閉合發(fā)出溫度上限報警信號。在系統(tǒng)上電自檢過程中，如果發(fā)現(xiàn)有報警信號，則單片機(jī)P2.5輸出高電平，使外部報警繼電器得電吸合，向外發(fā)出報警信號，同時閉鎖系統(tǒng)直至外部報警信號消失。

3 軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1主程序和中斷程序

編程前，針對單片機(jī)速度慢的特點，在時序產(chǎn)生和數(shù)據(jù)讀入處理的循環(huán)中，要求編程代碼簡潔，力求耗時最少。

主程序完成各硬件的初始化、中斷向量的設(shè)定，并檢查外部設(shè)備的工作狀態(tài)。若設(shè)備不正常，則在LED上顯示Err(錯誤)信息，并發(fā)報警接點信號，等待人工檢修。若一切正常，則進(jìn)入中斷程序運行。主程序流程圖和中斷程序流程圖如圖3所示。

主程序流程圖中的核心是定時器T0的開中斷，經(jīng)檢查，沒有外部報警信號則進(jìn)入中斷程序。

進(jìn)入中斷程序后，首先，從模-數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣空氣溫度和空氣相對濕度信號，并把收集的信號樣值保存在內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器。然后，進(jìn)入A，m，Tn等參數(shù)判定子程序，得到相應(yīng)的A，m，Tn值后進(jìn)入空氣露點溫度計算子程序，計算空氣露點溫度值后進(jìn)入空氣露點溫度判定子程序。最后，返回主程序。通過發(fā)光二極管顯示結(jié)果。

圖3 主程序和中斷程序流程圖

3.2子程序

子程序流程圖詳見圖4。首先，進(jìn)入A，m，Tn等參數(shù)判定子程序，依次判斷t值是否小于50，是否小于100，是否小于150。然后，依據(jù)判斷結(jié)果把t分為4個等級，即t<50，50 150。最后，按等級分別從存儲器中讀取如表1所示的A，m，Tn值。

圖4 子程序流程圖

在進(jìn)入空氣露點溫度計算子程序后，經(jīng)查表，將A，m，Tn，t，RH值代入式(1)和式(2)計算Td[5]。

在露點溫度判定子程序中，把Td值分別與-15和-10比較后按照相應(yīng)程序驅(qū)動單片機(jī)的P2.7或P2.6啟動報警電路，可以達(dá)到露點溫度上、下限報警的目的。

這里的系統(tǒng)設(shè)計是最小的系統(tǒng)設(shè)計[6]，只可以顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生報警信號，如果需要添加其他功能，可以在此基礎(chǔ)上改進(jìn)、提高。如附加自由設(shè)定上、下限值的功能，只需要增加外部中斷功能，增加相應(yīng)軟件即可。

4 結(jié)束語

單片機(jī)在價格和個性化設(shè)計方面有著非常突出的優(yōu)點，而且性能穩(wěn)定，在各行各業(yè)都有廣泛的應(yīng)用前景。本研究用單片機(jī)處理復(fù)雜現(xiàn)場檢測和計算，大大降低了工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備控制部分的成本。對于很多價格昂貴的控制設(shè)備而言，都可以通過單片機(jī)及輔助電路的設(shè)計、使用進(jìn)行設(shè)備的低成本改造，進(jìn)而使這些設(shè)備得以推廣使用。

[1] 陳思源,孫帆,桑振海,等.水電廠大電流封閉母線防結(jié)露裝置綜述[J].西北水電,2014(1):74-75.

[2] 王迪良.大電流封閉母線防凝露措施[J].人民長江,2009(2):96-97.

[3] 戴偉,葉慶輝.儀表空氣壓力露點的計算[J].川化,2008(1):21-22.

[4] 布文峰,王世洪.對露點溫度計算的經(jīng)驗式的修正[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2001(3):24-25.

[5] 張志富,希爽.關(guān)于露點溫度計算的探討[J].干旱地區(qū)研究,2011(2):246-247.

[6] 王成,張馨,張云鶴,等.便攜式溫濕度露點測量儀的開發(fā)與應(yīng)用[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器,2007(5):61-62.

〔責(zé)任編輯：盧 蕊〕

Researchonthelargecurrentenclosedbusdewpointdetectiondevicemaintenance

ZHU De-zhi， LI Chen

(School of Electronics and Information Science， Zhenjiang College,Zhenjiang 212003，China)

Preventing large current enclosed bus condensation equipment generally needs to detect bus internal dew point data to determine the start or stop of equipment. Grain generally depend on imports.The price is very expensive. Using the mathematical relationship between air dewpoint,air temperature and relative humidity.Relying on single chip microcomputer calculations and related processing technologies,the large current enclosed bus internal air relative humidity signal can be transformed into dew point data.This greatly reduces the equipment cost.

prevent large current enclosed bus dew point equipment; relative humidity; dew point; single chip computer

2015-03-20

朱德志(1974—)，男，江蘇鎮(zhèn)江人，高級工程師，主要從事電氣自動化和光伏系統(tǒng)研究；李 晨(1981—)，女，江蘇鎮(zhèn)江人，國家信息系統(tǒng)項目管理師，碩士，主要從事計算機(jī)信息系統(tǒng)、實驗室研究。

TM645

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：1008-8148(2015)03-0053-04