采用AT89C52和AT89C55实现绝缘子污秽等级测量系统的设计

1 引言

随着工业的发展，电网容量的增大和额定电压等级的升高，电力系统输变电设备外绝缘的污闪事故日益突出，给国民经济带来了巨大的损失。随着环境污染的加剧、电力系统规模的不断扩大以及对供电可靠性的要求越来越高，防止污闪事故的发生已经成为十分重要的研究内容。

2 污闪发生的过程及绝缘子污秽的度量

2.1 污闪的形成过程

绝缘子的污秽闪络是指输变电设备在工作电压下的污秽外绝缘闪络。这种闪络不是由于作用电压的升高，而是由于绝缘子表面绝缘能力降低引起的。

高压运行中的绝缘子，在自然环境中，表面沉积有来自人为的与自然的各种污秽物，如各种工业污秽、盐碱地的污秽、道路与农田的灰尘等。其中含有导电性的成分（主要是各种盐类、酸、碱等电解物质），另外绝缘子的表面还沉积着各种导电性差、但能吸水的惰性物质（如粘土等），在天气干燥的情况下，这些带有污秽物的绝缘子保持着较高的绝缘水平，但在雾、毛毛雨、降雪等不良天气条件下，绝缘子表面污秽物吸收水分，使污层中的电解质溶解、电离，在绝缘子表面形成一层很薄的导电薄膜，使其表面电阻大大下降，表面泄漏电流大大增加，在干燥状态下绝缘子的泄漏电流仅为微安级，而在潮湿状态下，泄漏电流可增大到数十毫安，甚至达到数千毫安。

由于泄漏电流在绝缘子表面上的分布不匀，在电流密度较大的钢脚、铁帽等处，电流产生的热量使这些地方形成干区，其电阻比潮区大得多，从而使干区承受较高的电压降，一达到临界值就产生放电而形成局部电弧，局部电弧随着干区的扩大而延伸，局部电弧长度延伸到临界状态后就发展到完全闪络，导致输电跳闸而使供电中断。

2.2 绝缘子污秽的度量方法

为了避免污闪事故的发生，定期的对绝缘子的绝缘水平进行检测，以确定是否要清扫或者更换电瓷瓶是防止污闪事故发生的重要手段。

由上面分析可以看出，污闪是由于绝缘子表面污湿状态达到一定程度，致使绝缘子表面泄露电流过大，导致线路闪络，污秽物中导电成分存在无疑在污闪过程中起着关键性的作用，其直接的表现是使污层电流大为增加，导致以后电弧发展直至完全闪络最终跳闸停电的后果。这就是人们纷纷采用泄漏电流、等值盐密、污层电导等作为污秽特征量的重要原因。

衡量绝缘子污秽程度有等值盐密、污层电导率、表面电导率、泄漏电流、污闪电压与污闪梯度等方法。

污层电导率：定义为绝缘子单位表面污层的电导值，实际上是由加在污层上的电流与电压之比求出的电导与绝缘子的形状系数相乘求得。为测量污层表面电导，应在污层饱和受潮条件下，在绝缘子上加适当高的工频电压，测其泄漏电流，从而求得电导，但上述测量分散性较大，受污秽分布不均匀影响也较大。另外，测量时要用容量较大的电源，测量比较麻烦。

表面电导率：表面电导率的测量方法与等值盐密的测量方法相同，但电导率受温度变化影响较大。

泄漏电流：表示污秽度的参数较多如运行电压下泄漏电流的最大脉冲幅值；超过一定幅值的泄漏电流脉冲数；临闪前最大泄漏电流值等。但是测量这些参数需要对绝缘子施加一定电压，现场试验不方便。

污闪电压及污闪梯度：是表征绝缘子性能的最直接最理想的污秽参数，现场污秽试验还能真实地测得绝缘子污闪性能，但由于自然污秽和积污水平达到临界状态与引起污闪的气象条件的产生不一定同时存在，往往是污秽已经达到临界水平但没有充分的潮湿条件而测量不到临界污闪电压，因而进行闪络电压的测量还应结合其他污秽度参数的测量。试验设备容量大，试验不方便，现场不具备条件。

等值附盐密度：是绝缘子表面每平方厘米的面积上附着的污秽中导电物质的含量所相当的NaCl（mg/cm2）数量，简称等值盐密。由于它只与绝缘子的污秽量、成份和性质有关，称为污秽的静态参数。目前在全国电力系统广泛开展此项测量工作，且在随后制订的污秽等级标准中将其作为划分污秽等级的一个重要依据。现在等值盐密已成为世界范围内广泛采用的一个污秽参数。

绝缘子等值盐密（外绝缘的单位表面积上的等值盐量）测量方法是用一定量的蒸馏水，将一定面积瓷表面上的污秽物全部清洗掉，测量污秽溶液的盐密值。等值盐密可直观衡量污秽程度，不受温度、电压、试验设备容量和试验场地的限制。

因此，采用等值盐密作为衡量绝缘子污秽等级的参数，设计出能够测量绝缘子等值盐密的仪器，确定绝缘子的污秽等级，从而指导高压线路的清扫工作，避免污闪事故的发生，保障电力系统的安全可靠的运行是非常有现实意义的工作。鉴于此，设计了基于双处理器的电导盐密测量仪。

3 系统测量原理

等值附盐密度（简称“盐密”），是用一定量的蒸馏水清洗绝缘子表面的污秽，然后测量该清洗液的电导率，并以在相同水量中产生相同电导的氯化钠数量的多少作为该绝缘子的等值盐量，最后除以被清洗的表面面积即为等值附盐密度。

3.1 电导率的测量

电导率与盐量浓度的关系是求得准确测量值的重要基础，在设计中使用具有测量电导、温度功能的专用电导电极来测量待测溶液的电导和温度。

温度对溶液电导率测量影响很大，当温度升高时，溶液粘度降低，离子运动速度加快，在电场作用下，离子的定向运动也加快，溶液电导率增加；反之溶液温度下降时，溶液电导率减小。因此溶液电导率具有正温度系数。

在被测对象不变的情况下，为了统一和比较水质，公认20℃为测量溶液电导率的基准温度，当水温不为20℃时，需要进行温度补偿，折换成20℃时的电导率。将温度为t（℃）时的电导率σt换算至温度为20℃的电导率值。

σ20=Kt·σt 　　　　　　　（1）

式中 σ20—20℃时污液电导率（µS/㎝）；

σt —t℃时污液电导率（µS/㎝）；

Kt —温度换算系数（如表1所示）。

表1 清洗液电导率温度换算系数（Kt）

3.2 等值盐密的测量

根据电导率—溶液含盐浓度的关系曲线图，由经温度换算后的电导率查得20℃标准温度时溶液中等值含盐量、清洗后污秽溶液的含盐密度和清洗前包括棉花或刷子的水的含盐密度。得到污秽溶液的等值盐量和清洗后污秽溶液的含盐密度和清洗前包括棉花或刷子的水的含盐密度以后，按下列公式计算出被测绝缘子表面的盐密。

W=10·V·　 　（2）

式中 W—等值附盐密度（mg/㎝²）；

V—蒸馏水量（ml）；

S—绝缘子被测部分的表面积（㎝²）；

D1—清洗后包括污秽溶液的含盐密度；

D2—清洗前包括棉花或刷子的水的含盐密度。

4 系统硬件设计

系统采用AT89C52和AT89C55双CPU，HY-19248A1液晶显示，为了降低了硬件成本，在设计中用价格低廉的6264代替双口RAM，整个系统由信号源产生电路、交直流信号处理电路、温度和电导程控放大电路、A/D转换、显示、打印等电路组成。系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

4.1 双CPU的选择

为保证系统测量精度和量程范围、解决数据处理和程序存储以及系统设计对接口的要求和软件设计中调试的难题，本设计中采用了AT89C52和AT89C55双CPU设计。两个CPU分工合作，实现系统功能：AT89C52负责按键查询、时钟、A/D转换功能，同时将时间、键值、测量结果数字量写入RAM；AT89C55主要负责计算、显示、打印功能。

4.2 信号源产生及去向电路

在溶液电导的测定过程中，当电流通过电极时，由于离子在电极上会发生放电，会产生极化现象引起误差，所以测量电导时要使用频率足够高的交流电，以防止电解产物的产生。在本设计中采用交流信号源，由实时时钟芯片产生1KHZ的方波信号经过分频、隔离转换产生50HZ整数倍的防工频干扰的信号源，信号源有两个去向：一个是经过交、直流转换后作为A/D转换的参考电压，另一路是经过模拟开关切换分别给温度和电导测量电路，作为信号源将物理电阻信号转换为交流电压信号，再经过交、直流转换电路接A/D转换的输入端。

4.3 电导放大电路的设计

盐量浓度与电导率关系是测量等值盐密的依据，这一关系直接决定着等值盐密的测量准确程度，因此电导测量及处理电路是硬件方面保证测量精度采取的主要措施。

本系统的电导率测量范围在100-1000000µS/CM，在上述测量范围反馈回路的电流可达5mA，而模拟开关一般最大电流为1mA左右，数控电位器也不超过2mA，而且模拟开关导通电阻及漏电流都将影响测量结果，因此，放大器中切换反馈电阻的控制器件采用继电器而不选用通常的模拟开关或数控电位器；构成各级放大器的电阻元件均采用±0.1%精密电阻，保证经调试后其放大倍数的稳定性及测量精度；在电路的设计中选择高精度、低温漂的运放器TL062和TL064构成系统的放大电路；其中TL064分别构成2倍、4倍、8倍放大电路，电导的测量为4大档，每大档有4个小档，共计16个档，经过多路模拟开关控制进行档位切换，保证了测量精度。测量结果和对应的档位写入RAM6264中。

5 系统软件设计

在软件的设计中采用精细分段、逐次比较式测量方法；数字平滑滤波克服了干扰，牛顿迭代法解决了电路的非线性和各步积累误差，浮点运算保证了运算精度和测量范围。

5.1 双CPU协同处理的软件设计

系统中AT89C52主要负责信号输入放大处理、A/D转换、及按键查询处理和系统时钟调整功能，根据按键输入转入相应功能并写入RAM的1001H单元，同时将实时数据写入6264的相应单元，供AT89C55查询读取后进行计算和显示，这部分的程序设计用汇编语言完成；AT89C55部分主要根据6264相应位置字节状态分别转入显示时钟、计算、显示、打印功能，因为这部分主要是数据处理和数据计算，所以用C51来实现。两部分软件分别烧录到自己的单片机内，分工明确。

5.2 系统软件滤波方法

为了防止脉冲干扰，采用软件滤波的方法-中位值平均滤波法（防脉冲干扰平均滤波法），具体方法是：连续采样N个数据，去掉一个最大值和一个最小值，然后计算N-2个数据的算术平均值，N值的选取一般为3～14，在本设计中N=5。这种软件滤波的方法融合了中位值滤波法和算术平均滤波法两种滤波的优点，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差。

5.3 CPU共用RAM的处理问题

在双CPU的设计中，需要一个RAM来作为两个CPU连接的桥梁，为了降低硬件成本，本系统的设计中没有采用双口RAM，而是采用价格比较低廉的6264，通过I/O口的握手判定协议来解决双CPU共同使用RAM产生冲突的问题。

AT89C52和AT89C55对6264的控制原则是片选谁用谁选通，自己不用就置高，AT89C52通过地址锁存控制信号口来实现对6264的控制，将AT89C52的地址锁存控制信号口与6264的片选端相连并与AT89C55的外部中断口相接，同时将AT89C52的地址总线端、存储器控制信号口分别与AT89C55的输入输出口相接，作为各自CPU通知对方自己是否占用6264使用权的通路，具体来说，当AT89C55不使用6264时，将输出口置高，而输出口又与AT89C52的存储器控制信号口相连，所以AT89C52通过判断序存储器控制信号口的高低，可以判断6264是否被占用。AT89C55用外部中断口作为6264的控制端口，与AT89C52对6264的控制方式相同。

5.4 提高测量精度的方法

为了解决模拟电路的非线性和测量时的非直线关系，在温度、电导率的计算方面采用精细分段、逐次比较式测量方法，并采用牛顿迭代法提高测量精度，浮点运算保证了测量范围和运算精度。

6 结论

介绍了绝缘子污秽闪络的形成过程，分析了绝缘子污秽测量的各种方法，并选定等值盐密作为衡量污秽等级的参数，在此基础上设计了等值盐密测量仪。该仪器具有如下特点：（1）采用AT89C52和AT89C55双CPU，增强了系统的数据处理能力，从而提高了测量精度；（2）采用价格低廉的RAM6264代替价格比较高的双口RAM，降低了硬件成本；（3）数据的前期处理用汇编语言实现，数据的计算、显示和打印用C51完成，两部分软件分别烧录到自己的单片机内，分工明确，协调工作；（4）采用精细分段、逐次比较式测量方法；采用中位值平均滤波法的数字平滑滤波克服脉冲干扰，在温度和电导的计算上采用了牛顿迭代法，解决了电路的非线性和各步积累误差，提高了测量精度，采用了浮点运算保证了运算精度。

所设计的双处理器电导盐密测量仪，能够实现温度、电导和盐密多个参数的测量，仪器在用于污秽溶液盐密度测试的同时，也可作为智能电导率测试仪使用。该仪器做适当的改进后可用于电力系统输变电设备的结冰度测量。

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