1 引言
隨著工業(yè)的發(fā)展，電網(wǎng)容量的增大和額定電壓等級的升高，電力系統(tǒng)輸變電設備外絕緣的污閃事故日益突出，給國民經(jīng)濟帶來了巨大的損失。隨著環(huán)境污染的加劇、電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大以及對供電可靠性的要求越來越高，防止污閃事故的發(fā)生已經(jīng)成為十分重要的研究內(nèi)容。
2 污閃發(fā)生的過程及絕緣子污穢的度量
2.1 污閃的形成過程
絕緣子的污穢閃絡是指輸變電設備在工作電壓下的污穢外絕緣閃絡。這種閃絡不是由于作用電壓的升高，而是由于絕緣子表面絕緣能力降低引起的。
高壓運行中的絕緣子，在自然環(huán)境中，表面沉積有來自人為的與自然的各種污穢物，如各種工業(yè)污穢、鹽堿地的污穢、道路與農(nóng)田的灰塵等。其中含有導電性的成分(主要是各種鹽類、酸、堿等電解物質(zhì))，另外絕緣子的表面還沉積著各種導電性差、但能吸水的惰性物質(zhì)(如粘土等)，在天氣干燥的情況下，這些帶有污穢物的絕緣子保持著較高的絕緣水平，但在霧、毛毛雨、降雪等不良天氣條件下，絕緣子表面污穢物吸收水分，使污層中的電解質(zhì)溶解、電離,在絕緣子表面形成一層很薄的導電薄膜，使其表面電阻大大下降，表面泄漏電流大大增加，在干燥狀態(tài)下絕緣子的泄漏電流僅為微安級，而在潮濕狀態(tài)下，泄漏電流可增大到數(shù)十毫安，甚至達到數(shù)千毫安。
由于泄漏電流在絕緣子表面上的分布不勻，在電流密度較大的鋼腳、鐵帽等處,電流產(chǎn)生的熱量使這些地方形成干區(qū)，其電阻比潮區(qū)大得多，從而使干區(qū)承受較高的電壓降，一達到臨界值就產(chǎn)生放電而形成局部電弧，局部電弧隨著干區(qū)的擴大而延伸，局部電弧長度延伸到臨界狀態(tài)后就發(fā)展到完全閃絡，導致輸電跳閘而使供電中斷。
2.2 絕緣子污穢的度量方法
為了避免污閃事故的發(fā)生，定期的對絕緣子的絕緣水平進行檢測，以確定是否要清掃或者更換電瓷瓶是防止污閃事故發(fā)生的重要手段。
由上面分析可以看出，污閃是由于絕緣子表面污濕狀態(tài)達到一定程度，致使絕緣子表面泄露電流過大，導致線路閃絡，污穢物中導電成分存在無疑在污閃過程中起著關鍵性的作用，其直接的表現(xiàn)是使污層電流大為增加，導致以后電弧發(fā)展直至完全閃絡最終跳閘停電的后果。這就是人們紛紛采用泄漏電流、等值鹽密、污層電導等作為污穢特征量的重要原因。
衡量絕緣子污穢程度有等值鹽密、污層電導率、表面電導率、泄漏電流、污閃電壓與污閃梯度等方法。
污層電導率：定義為絕緣子單位表面污層的電導值，實際上是由加在污層上的電流與電壓之比求出的電導與絕緣子的形狀系數(shù)相乘求得。為測量污層表面電導，應在污層飽和受潮條件下，在絕緣子上加適當高的工頻電壓，測其泄漏電流，從而求得電導，但上述測量分散性較大，受污穢分布不均勻影響也較大。另外，測量時要用容量較大的電源，測量比較麻煩。
表面電導率：表面電導率的測量方法與等值鹽密的測量方法相同，但電導率受溫度變化影響較大。
泄漏電流：表示污穢度的參數(shù)較多如運行電壓下泄漏電流的最大脈沖幅值；超過一定幅值的泄漏電流脈沖數(shù)；臨閃前最大泄漏電流值等。但是測量這些參數(shù)需要對絕緣子施加一定電壓,現(xiàn)場試驗不方便。
污閃電壓及污閃梯度:是表征絕緣子性能的最直接最理想的污穢參數(shù)，現(xiàn)場污穢試驗還能真實地測得絕緣子污閃性能，但由于自然污穢和積污水平達到臨界狀態(tài)與引起污閃的氣象條件的產(chǎn)生不一定同時存在，往往是污穢已經(jīng)達到臨界水平但沒有充分的潮濕條件而測量不到臨界污閃電壓，因而進行閃絡電壓的測量還應結合其他污穢度參數(shù)的測量。試驗設備容量大，試驗不方便，現(xiàn)場不具備條件。
等值附鹽密度:是絕緣子表面每平方厘米的面積上附著的污穢中導電物質(zhì)的含量所相當?shù)腘aCl(mg/cm2)數(shù)量，簡稱等值鹽密。由于它只與絕緣子的污穢量、成份和性質(zhì)有關，稱為污穢的靜態(tài)參數(shù)。目前在全國電力系統(tǒng)廣泛開展此項測量工作，且在隨后制訂的污穢等級標準中將其作為劃分污穢等級的一個重要依據(jù)?，F(xiàn)在等值鹽密已成為世界范圍內(nèi)廣泛采用的一個污穢參數(shù)。
絕緣子等值鹽密(外絕緣的單位表面積上的等值鹽量)測量方法是用一定量的蒸餾水，將一定面積瓷表面上的污穢物全部清洗掉，測量污穢溶液的鹽密值。等值鹽密可直觀衡量污穢程度,不受溫度、電壓、試驗設備容量和試驗場地的限制。
因此，采用等值鹽密作為衡量絕緣子污穢等級的參數(shù)，設計出能夠測量絕緣子等值鹽密的儀器，確定絕緣子的污穢等級，從而指導高壓線路的清掃工作，避免污閃事故的發(fā)生，保障電力系統(tǒng)的安全可靠的運行是非常有現(xiàn)實意義的工作。鑒于此，設計了基于雙處理器的電導鹽密測量儀。
3 系統(tǒng)測量原理
等值附鹽密度(簡稱“鹽密”)，是用一定量的蒸餾水清洗絕緣子表面的污穢，然后測量該清洗液的電導率，并以在相同水量中產(chǎn)生相同電導的氯化鈉數(shù)量的多少作為該絕緣子的等值鹽量，最后除以被清洗的表面面積即為等值附鹽密度。
3.1 電導率的測量
電導率與鹽量濃度的關系是求得準確測量值的重要基礎，在設計中使用具有測量電導、溫度功能的專用電導電極來測量待測溶液的電導和溫度。
溫度對溶液電導率測量影響很大，當溫度升高時，溶液粘度降低，離子運動速度加快，在電場作用下，離子的定向運動也加快，溶液電導率增加；反之溶液溫度下降時，溶液電導率減小。因此溶液電導率具有正溫度系數(shù)。
在被測對象不變的情況下，為了統(tǒng)一和比較水質(zhì)，公認20℃為測量溶液電導率的基準溫度，當水溫不為20℃時，需要進行溫度補償，折換成20℃時的電導率。將溫度為t(℃)時的電導率σt換算至溫度為20℃的電導率值。
σ20=Kt·σt ?。?）
式中 σ20—20℃時污液電導率（µS/㎝）；
σt —t℃時污液電導率（µS/㎝）；
Kt —溫度換算系數(shù)（如表1所示）。
表1 清洗液電導率溫度換算系數(shù)(Kt)
3.2 等值鹽密的測量
根據(jù)電導率—溶液含鹽濃度的關系曲線圖，由經(jīng)溫度換算后的電導率查得20℃標準溫度時溶液中等值含鹽量、清洗后污穢溶液的含鹽密度和清洗前包括棉花或刷子的水的含鹽密度。得到污穢溶液的等值鹽量和清洗后污穢溶液的含鹽密度和清洗前包括棉花或刷子的水的含鹽密度以后，按下列公式計算出被測絕緣子表面的鹽密。
W=10·V· ?。?）
式中 W—等值附鹽密度（mg/㎝²）；
V—蒸餾水量（ml）；
S—絕緣子被測部分的表面積（㎝²）；
D1—清洗后包括污穢溶液的含鹽密度；
D2—清洗前包括棉花或刷子的水的含鹽密度。
4 系統(tǒng)硬件設計
系統(tǒng)采用AT89C52和AT89C55雙CPU，HY-19248A1液晶顯示，為了降低了硬件成本，在設計中用價格低廉的6264代替雙口RAM，整個系統(tǒng)由信號源產(chǎn)生電路、交直流信號處理電路、溫度和電導程控放大電路、A/D轉(zhuǎn)換、顯示、打印等電路組成。系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結構框圖
4.1 雙CPU的選擇
為保證系統(tǒng)測量精度和量程范圍、解決數(shù)據(jù)處理和程序存儲以及系統(tǒng)設計對接口的要求和軟件設計中調(diào)試的難題，本設計中采用了AT89C52和AT89C55雙CPU設計。兩個CPU分工合作，實現(xiàn)系統(tǒng)功能：AT89C52負責按鍵查詢、時鐘、A/D轉(zhuǎn)換功能，同時將時間、鍵值、測量結果數(shù)字量寫入RAM；AT89C55主要負責計算、顯示、打印功能。
4.2 信號源產(chǎn)生及去向電路
在溶液電導的測定過程中，當電流通過電極時，由于離子在電極上會發(fā)生放電，會產(chǎn)生極化現(xiàn)象引起誤差，所以測量電導時要使用頻率足夠高的交流電，以防止電解產(chǎn)物的產(chǎn)生。在本設計中采用交流信號源，由實時時鐘芯片產(chǎn)生1KHZ的方波信號經(jīng)過分頻、隔離轉(zhuǎn)換產(chǎn)生50HZ整數(shù)倍的防工頻干擾的信號源，信號源有兩個去向：一個是經(jīng)過交、直流轉(zhuǎn)換后作為A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓，另一路是經(jīng)過模擬開關切換分別給溫度和電導測量電路，作為信號源將物理電阻信號轉(zhuǎn)換為交流電壓信號，再經(jīng)過交、直流轉(zhuǎn)換電路接A/D轉(zhuǎn)換的輸入端。
4.3 電導放大電路的設計
鹽量濃度與電導率關系是測量等值鹽密的依據(jù)，這一關系直接決定著等值鹽密的測量準確程度，因此電導測量及處理電路是硬件方面保證測量精度采取的主要措施。
本系統(tǒng)的電導率測量范圍在100-1000000µS/CM，在上述測量范圍反饋回路的電流可達5mA,而模擬開關一般最大電流為1mA左右，數(shù)控電位器也不超過2mA,而且模擬開關導通電阻及漏電流都將影響測量結果，因此，放大器中切換反饋電阻的控制器件采用繼電器而不選用通常的模擬開關或數(shù)控電位器；構成各級放大器的電阻元件均采用±0.1%精密電阻，保證經(jīng)調(diào)試后其放大倍數(shù)的穩(wěn)定性及測量精度；在電路的設計中選擇高精度、低溫漂的運放器TL062和TL064構成系統(tǒng)的放大電路；其中TL064分別構成2倍、4倍、8倍放大電路，電導的測量為4大檔，每大檔有4個小檔，共計16個檔，經(jīng)過多路模擬開關控制進行檔位切換，保證了測量精度。測量結果和對應的檔位寫入RAM6264中。
5 系統(tǒng)軟件設計
在軟件的設計中采用精細分段、逐次比較式測量方法；數(shù)字平滑濾波克服了干擾，牛頓迭代法解決了電路的非線性和各步積累誤差，浮點運算保證了運算精度和測量范圍。
5.1 雙CPU協(xié)同處理的軟件設計
系統(tǒng)中AT89C52主要負責信號輸入放大處理、A/D轉(zhuǎn)換、及按鍵查詢處理和系統(tǒng)時鐘調(diào)整功能，根據(jù)按鍵輸入轉(zhuǎn)入相應功能并寫入RAM的1001H單元，同時將實時數(shù)據(jù)寫入6264的相應單元，供AT89C55查詢讀取后進行計算和顯示，這部分的程序設計用匯編語言完成；AT89C55部分主要根據(jù)6264相應位置字節(jié)狀態(tài)分別轉(zhuǎn)入顯示時鐘、計算、顯示、打印功能，因為這部分主要是數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)計算，所以用C51來實現(xiàn)。兩部分軟件分別燒錄到自己的單片機內(nèi)，分工明確。
5.2 系統(tǒng)軟件濾波方法
為了防止脈沖干擾，采用軟件濾波的方法-中位值平均濾波法（防脈沖干擾平均濾波法），具體方法是：連續(xù)采樣N個數(shù)據(jù)，去掉一個最大值和一個最小值，然后計算N-2個數(shù)據(jù)的算術平均值，N值的選取一般為3～14，在本設計中N=5。這種軟件濾波的方法融合了中位值濾波法和算術平均濾波法兩種濾波的優(yōu)點，可消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差。
5.3 CPU共用RAM的處理問題
在雙CPU的設計中，需要一個RAM來作為兩個CPU連接的橋梁，為了降低硬件成本，本系統(tǒng)的設計中沒有采用雙口RAM,而是采用價格比較低廉的6264，通過I/O口的握手判定協(xié)議來解決雙CPU共同使用RAM產(chǎn)生沖突的問題。
AT89C52和AT89C55對6264的控制原則是片選誰用誰選通，自己不用就置高，AT89C52通過地址鎖存控制信號口來實現(xiàn)對6264的控制，將AT89C52的地址鎖存控制信號口與6264的片選端相連并與AT89C55的外部中斷口相接，同時將AT89C52的地址總線端、存儲器控制信號口分別與AT89C55的輸入輸出口相接，作為各自CPU通知對方自己是否占用6264使用權的通路，具體來說，當AT89C55不使用6264時，將輸出口置高，而輸出口又與AT89C52的存儲器控制信號口相連，所以AT89C52通過判斷序存儲器控制信號口的高低，可以判斷6264是否被占用。AT89C55用外部中斷口作為6264的控制端口，與AT89C52對6264的控制方式相同。
5.4 提高測量精度的方法
為了解決模擬電路的非線性和測量時的非直線關系，在溫度、電導率的計算方面采用精細分段、逐次比較式測量方法，并采用牛頓迭代法提高測量精度，浮點運算保證了測量范圍和運算精度。
6 結論
介紹了絕緣子污穢閃絡的形成過程，分析了絕緣子污穢測量的各種方法，并選定等值鹽密作為衡量污穢等級的參數(shù)，在此基礎上設計了等值鹽密測量儀。該儀器具有如下特點：（1）采用AT89C52和AT89C55雙CPU，增強了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，從而提高了測量精度；（2）采用價格低廉的RAM6264代替價格比較高的雙口RAM，降低了硬件成本；（3）數(shù)據(jù)的前期處理用匯編語言實現(xiàn)，數(shù)據(jù)的計算、顯示和打印用C51完成，兩部分軟件分別燒錄到自己的單片機內(nèi)，分工明確，協(xié)調(diào)工作；（4）采用精細分段、逐次比較式測量方法；采用中位值平均濾波法的數(shù)字平滑濾波克服脈沖干擾，在溫度和電導的計算上采用了牛頓迭代法，解決了電路的非線性和各步積累誤差，提高了測量精度，采用了浮點運算保證了運算精度。
所設計的雙處理器電導鹽密測量儀，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度、電導和鹽密多個參數(shù)的測量，儀器在用于污穢溶液鹽密度測試的同時，也可作為智能電導率測試儀使用。該儀器做適當?shù)母倪M后可用于電力系統(tǒng)輸變電設備的結冰度測量。
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