基于单片机的便携式SF6气体试验辅助装置设计

孙红梅,张 凯

(1.国网辽宁省电力有限公司检修分公司，辽宁 沈阳 110003;2.国网辽宁省电力有限公司，辽宁 沈阳 110006)

基于单片机的便携式SF6气体试验辅助装置设计

孙红梅1,张 凯2

(1.国网辽宁省电力有限公司检修分公司，辽宁 沈阳 110003;2.国网辽宁省电力有限公司，辽宁 沈阳 110006)

由于目前SF6气体微水试验频次高且过程繁琐，设计了一种SF6气体微水试验辅助工具，以精简试验程序，提高试验的安全性和效率。介绍了基于单片机设计的SF6气体试验辅助装置设计情况，主要包括硬件选择、电路设计和软件开发,并从应用情况对设计成果进行比较和评价。

单片机；SF6气体试验；辅助仪

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

随着电力系统的发展，SF6气体绝缘的电力设备得到广泛应用[1-2]，尤其是500 kV电压等级设备，几乎全部采用了SF6绝缘全封闭或半封闭设备，相对应设备的试验随之增加，新问题也随之而来，陈旧繁琐的试验过程和与日俱增的试验任务使工作人员长期处于高负荷状态。

为了减少作业所需试验仪器，保证作业现场SF6气体浓度安全，减轻工作人员任务，缩短数据处理时间，根据现有试验程序，研发了SF6气体试验辅助仪。

1 湿度测试方法

SF6绝缘电气设备中的水分不仅可与SF6分解产物发生水解反应，产生有害物质，严重腐蚀气体设备，影响灭弧能力。且容易在设备内部结露，产生沿面放电(闪络)而引起事故，破坏绝缘性。《输变电状态检修试验规程》规定投入运行的断路器微水测试时间节点分别为：SF6电气设备新安装、大修后，在投入运行前应对设备进行微水测量；设备投入运行后需要定期进行微水测量；试验数据合格但有上升趋势，或者其他必要情况时需要进行微水测量。

常见的气体湿度测量方法有3种，即电解式、冷凝式及电阻电容式，目前电力企业应用最广泛的是冷凝式(即露点法)[3]测量气体湿度值。露点法测量原理为：当一定体积的气体在恒压下均匀降温时，气体和其中水分的分压保持不变，直至水分达到饱和状态，该状态下测得的气体温度就是气体的露点，从而可以测量气体的相对湿度。

由于测量结果受到环境温度影响明显，为了方便评价气体质量，需将测试结果修正为20 ℃以下气体湿度值。现行标准规定了设备中气体水分含量：有电弧分解物隔室新充气后在20 ℃下湿度≤150 μL/L，正在运行设备20 ℃下湿度≤300 μL/L；无电弧分解物隔室新充气后在20 ℃下湿度≤250 μL/L，正在运行设备在20 ℃下湿度≤500 μL/L。

现有数据修正方法有多种，包括图表法、曲线法及经验公式法等，目前大多采用由黑龙江电科院和山东电科院提出的折算公式[4]。具体折算过程为：首先通过设备测试出SF6气体的露点值和环境温度，然后通过查找《饱和蒸汽压》和《露点值与蒸汽压之间的关系》[3]中对应的数值，利用上述公式进行换算修正。

2 硬件设计

2.1整体结构框图

整体结构框图如图1所示，该系统由1个主控制器和多个传感器组成，主要完成作业现场温度、湿度及SF6气体浓度的检测与显示。传感器向主控制器发送检测到的数据，主控器控制显示器、报警器工作。硬件选择时要考虑在能够达到要求的前提下，尽可能降低功耗。

图1 整体结构框图

2.2硬件选择

2.2.1 温湿度传感器

该传感器选用型号SHT20，是新一代Sensirion湿度和温度传感器，在尺寸与智能方面建立了新的标准，嵌入了双列扁平无引脚DFN封装，输出经过标定的数字信号，是标准I2C格式，具备串口输出功能。

2.2.2 SF6传感器

SF6传感器选用型号为富安达SF6/G-40-2000P，为串口通信，该传感器采用非色散红外(NDIR)检测技术，进口高精度红外发射探测器及工业级高稳定单片机，具有抗其他气体干扰、长期稳定性好、寿命长、精度高等特点，广泛应用于电力气体检漏、在线监测、工业过程分析等多种场合。

2.2.3 气泵

气泵选用型号minipB-1，气体流量500 mL/min，该微型泵体积小、电流小、功耗低、噪声小，并带安装孔，抗腐蚀性气体和臭氧气体，适合袖珍泵吸式分析器、气体采样器等。

2.2.4 主控芯片

主控制器的微处理器性能关系到整个系统的总体性能，同时微处理器的选择还要考虑到价格的因素。该系统选择的微处理器为MSP430F149单片机，是一种新型的混合信号处理器，具有统一的存储模式，可以快速响应中断和进行中断处理，采用美国德州仪器(Texas Instruments)公司最新低功耗技术，将大量的外围模块整合到片内，特别适合于开发和设计单片系统。它同时支持C/C++编程语言，其C语言优化器的编译效率可达90%，大大缩短该系统的数学运算与控制程序的开发周期。

2.2.5 导气管

采用金属定型软管，金属定型软管由金属弹簧钢线和镀锌铁线或者其他金属线材旋绕包覆而成的复合型金属管，中空外部有螺旋纹，是可以在立体空间中任意弯曲成一定形状并能保持其形状的软管，弯曲时长度和大小基本稳定，弯曲后软管本身具有一定的支撑力,可以支撑起一定重量的物件，支撑力在一定范围内是可控的。

2.3电路设计

电路中主要包括了SF6传感器与单片机通信电路、4.2 V转12 V升压电路设计、4.2 V转3.3 V降压电路设计、控制系统设计、微型气泵驱动电路设计、蜂鸣报警电路设计、电量检测电路设计、充电电路设计、显示电路设计、键盘电路设计(硅胶按键) 、一键开关机电路设计、LCD电路设计等。供电过程为：电源采用4.2 V锂电池；通过升压电路为SF6传感器提供12 V电压；单片机、气泵、液晶屏、温湿度传感器采用3.3 V，通过降压芯片实现12 V转3.3 V。 数据检测及显示过程为传感器检测并输出数字信号，主控器进行中断处理，命令显示器按照一定格式在对应位置显示相应数据。报警过程为主控器通过计算分析SF6浓度数据，超过设定值时，中控器命令蜂鸣报警器发出蜂鸣报警声。计算及显示过程为主控器读取键盘输入数据，并显示在显示器上，同时对数据进行存储，根据键盘输入的计算命令，查询内置表格，根据已编程的公式程序，计算出结果并显示。

3 程序设计

程序设计从功能上可以分为两大部分：一是跟硬件有密切关系的驱动程序，包括电路驱动、AD转换启动、数据的实时采集，这些驱动程序完成对硬件的操作，要求能及时处理，应在中断处理模块中完成；二是与硬件无关的应用程序，包括数据显示、数据查找程序、公式计算程序、数据的存储等，应在系统主程序中完成。

程序开发可以用汇编语言，也可以用C/C++语言。使用汇编语言的优点在于运行速度快，可以充分利用芯片的硬件特性，但其开发速度较慢，程序的可读性差[5];使用C/C++语言的优势在于程序编写容易、调试速度快、可读性好、程序可维护性好、可以大大缩短开发周期,但C/C++语言不能对其片内没有映射地址的特殊功能寄存器进行操作。该系统选择汇编语言与C/C++语言混合编写，这样不仅可以提高编程效率和程序编写过程中的灵活性，而且还为以后系统的维护与升级带来方便。数据采集、存储、显示和计算等都是通过中断进行处理的，在主函数中，调运显示、计算、查找数据等子函数。系统程序流程图如图2、图3所示。

图2 SF6浓度检测报警流程图

图3 微水计算流程图

系统启动后，首先对微处理器及各芯片进行初始化，显示开机主菜单界面并延迟100 s，然后进行系统自检。若系统自检未成功则显示故障部位。系统通过自检后，主控制器轮询各个传感器，采集各节点处传感器所发送的数据。主控制器将采集到的数据处理后，存储并显示湿度、温度和SF6气体浓度值，判定气体浓度是否超标。如果超标，则启动相对应的联动输出模块声光报警；主控制器在检测到有数据输入时进行存储和显示，检测到“计算”键时系统自动调用函数进行计算，计算结束自动显示计算所得结果。

4 应用情况

4.1仪器性能

经过多次调试，制成如图4所示的SF6气体微水测试辅助仪。

图4 辅助仪成品

图5 用辅助仪前流程图

图6 用辅助仪后流程图

将仪器带到作业现场进行实用性测试，从测试结果看出，该仪器能够快速测量现场温湿度，能够准确测量SF6气体浓度，精度均满足要求。当仪器处于浓度高于1 000 μL/L的环境中时，能够及时自动报警。在计算过程中，能够根据输入的现场所测试的气体露点值快速计算出结果。由于该仪器体积小易于随身携带，能够取代温湿度仪表，更能通过新增功能来检测SF6气体浓度，保护现场作业人员安全，同时其特有的计算功能，可以专门解决气体湿度折算的复杂问题，满足设计要求。

4.2使用情况

将原有试验程序过程和使用辅助仪后的试验过程进行对比，如图5和图6所示。

旧试验流程获得试验结果需8 h，使用SF6辅助仪后获得试验结果只要0.5 h。利用SF6试验辅助仪可以改进目前的试验方法，保证人员人身安全，缩短试验时间，减少人为因素导致的试验结果错误，从而保证试验结果的准确性，大大提高工作效率。

5 结束语

SF6断路器如今已经得到广泛应用，气体湿度试验也逐渐成为高压专业主要测试项目之一。本文设计SF6试验辅助装置，不仅能够测量温度、湿度，更能测量SF6气体浓度，同时能够快速计算出SF6气体相对湿度值。该仪器的使用能够精简改进目前的试验流程，能够防止试验人员SF6气体中毒，提高测试结果的准确度和工作效率。

[1] 孙红梅，张 凯.SF6气体湿度计算优化与应用[J].东北电力技术，2015，36(3)：32-34.

[2] 洪 鹤，鲁旭臣，胡大伟.组合电器SF6气体泄漏故障分析[J].东北电力技术，2014，35(7)：27-29.

[3] 气体中微量水分的测定：GB/T 5832.2—2008[S].

[4] 六氟化硫电气设备中绝缘气体湿度测量方法：DLT 506—2007[S].

[5] 吴铭方，张玉政，陈书锦．基于DSP TMS320F2812的气体报警系统设计[J]．自动化仪表，2009，30(10)：49-54.

出版物上日期、时间、时刻的表示

1全数字式日期表示法

①一个全数字式日期由时间元素“年、月、日”组成。

②一个全数字日期应按如下顺序表示：即年、月、日。

③全数字日期只允许用阿拉伯数字表示，即“0，1，2，3，4，5，6，7，8，9”。如果需要，也可使用分隔符。

④时间元素的表示：年用4位数表示；月用2位数表示；日用2位数表示。

⑤1981年8月24日可表示为如下形式之一；

19810824(不用分隔符)；1981-08-24(用连字符分隔)；1981 08 24(用间隔字符分裂隔)。

2时间、时刻的表示

①表示时间。例如：“今天植树共用了1 h 30 min 30 s。

②表示时刻。例如：“1959年10月23日10时53分10秒。”“明天上午9 h 30 min”。

③“星期(周)、月、年”不是时间的法定计量单位，但仍可按习惯使用。

3日期与时间的组合表示

当日期与时间的表示组合时，其时间元素应按如下顺序排列：年、月、日、时、分、秒。

例如：当阳历日期1981年8月25日与时间14时12分36秒组合时，可表示为“19810825141236”(在数据处理系统之间交换时用)；或“1981-08-25-14:12:36”(便于人们理解)。

4a(年)、d(天)、h(小时)在叙述文中的用法

①电台每天播放18 h。

②每隔1～2 a，举办1次国际学术讨论会。

③3 d后，我们去北京。

需要说明的是，以上用法只是作为一种可以表述的方法提出来，目前并不着意强调其使用。

摘自《量和单位的使用原则及方法》

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)

孙红梅(1986),女，硕士，工程师，从事电气试验及电气设备绝缘监督工作。