基于C8051单片机的电力电缆故障在线检测Word文档下载推荐.docx
- 文档编号:21811577
- 上传时间:2023-02-01
- 格式:DOCX
- 页数:16
- 大小:151.32KB
基于C8051单片机的电力电缆故障在线检测Word文档下载推荐.docx
《基于C8051单片机的电力电缆故障在线检测Word文档下载推荐.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于C8051单片机的电力电缆故障在线检测Word文档下载推荐.docx(16页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
对于长电缆可沿电缆线路增加多个测点,使故障点查找更为准确。
本文主要介绍下基于C8051单片机电缆在线检测装备,检测的项目主要包括电缆通,短,断及电缆接头温度等,最后,对论文进行总结,并对未来研究进行展望。
希望为电力系统安全、方便、迅捷的检测电缆状态及环境,温度信息提供有利的理论与实践依据。
关键词:
电力电缆检测故障诊断
Abstract
Powercablerunningprocess,isboundtooccurinsulationaging,oreveninsulationbreakdown,causedbysuddenpowerlinespoweroutages.Insulatingnatureoftheagingofmaterialpropertiesareirreversiblechangesinthefactorsthataffecttheaginggenerallyinvolveheat,electricity,machineryandenvironment.Andintroducecommonlyusedcablefaulttestingmethods.Takethecable-linemonitoringoftemperature,manymeasurementpointsalongthecablebetweenthedistributionofwirelessnetworking,system-wideUnitedmanypointsofdataanalysisandcalculationcableinsulationsituation,theCompositeinsulationtoreduceleakageortodeterminethecircumstancesandlocationofthepointoffailurehasmanyadvantages.Accesstotestequipmentdonotneedtodisconnectanycircuitatthesceneandcontact,nordoesitaffecttheoperationofthetransmissioncablenetwork;
theincreaseintestpointselectionusuallycableconnector,andthatonlywhenconnectedtomonitor,whensomethingbadhappensisstilldisconnected,donotchangetheoriginalsystemoperatingenvironmentandoperationalperformance;
forlongcablesalongthecablelinescanincreasethenumberofmeasuringpoints,sothatthepointoffailureandmoreaccuratesearch.ThispapermainlyintroducesC8051single-chipbasedoncableonlinedetectionequipment,testitemsincludecablespass,short,andthecableconnectorofftemperature,etc.Finally,thepapersummedupthefutureProspectofthestudy.Hopeforthepowersystemsafe,convenientandrapiddetectionofcableconditionandenvironment,thetemperatureinformationtoprovideafavorablebasisforthetheoryandpractice.
Keywords:
PowercableDetectedFaultDiagnosis
4.0微处理器电路…….…….……………………………….3
引言:
随着经济的发展、城市规划的要求以及对更高供电可靠性的要求,电力电缆在电力系统中的使用越来越多,实时监测电缆的绝缘状态,确保电缆安全运行的任务越来越重。
但是在实际的电力传输过程中,长距离的电缆线每1000米左右就有一个接头,由于电缆接头众多,并且容易发生内部故障和外部故障,引发的电缆火灾在整个电缆事故中约占一半以上。
事实上,电缆接头故障的发展是一个渐进的过程,为了有效地避免隐患事故的发生,采用对电缆接头进行实时的温度监测,全面准确地了解各个接头点的工作状况,确定维修计划,可确保送电安全。
因此,电缆绝缘在线监测技术日益受到人们的关注,国内外也进行了大量的研究,提出了许多在线监测的方法,并且在实际中也有了相应的应用,但是这些方法都或多或少地存在着不完善之处。
本文为此提出一套基于单片机的电缆在线监测研究方案,希望对于电缆在线监测有所帮助。
1前沿-电缆故障的现状与特点
众所周知,电力电缆在运行过程中,必然要出现绝缘老化现象,甚至发生绝缘击穿,引起供电线路的突发停电事故。
电力电缆的故障不是一下发展起来的,而是由于长期运行造成绝缘老化而最终导致击穿。
有调查显示,现在全国运行的电力电缆故障80%以上是由于电力电缆附件故障引起的,其中电缆接头引起的事故占一半以上。
电缆接头故障也可分为外部热故障和内部热故障两类:
第一类是外部热故障。
电缆接头的外部热故障主要指裸露接头由于压接不良等原因,在大电流作用下,接头温度升高,接触电阻增大,恶性循环而造成火灾隐患。
第二类是内部热故障。
电缆接头内部热故障的特点是故障点密封在绝缘材料或金属外壳中。
内部热故障一般都表现为发热时间长而且较稳定,与故障点周围导体或绝缘材料发生热量传递,使局部温度升高而引发火灾。
电缆接头处过热造成的电缆短路放炮所引起的火灾,将导致大面积电缆烧坏,设备停机,短时间内无法恢复生产,造成重大经济损失。
电缆接头在沟道或隧道中敷设时相距其他运行电缆较近,因此要防止故障电缆引燃其他运行电缆。
电力电缆敷设距离长、走向复杂,而运行人员定期巡视的方法、巡视间隔、巡视的准确性等方面都存在很多问题,因此,研究设计电力电缆火灾在线监测系统就是为了能够实时监测电力电缆的温度变化,在温度越限或温升速度越限时能及时报警,并指出发热点位置,通知运行人员及时处理,从而保证运行安全,避免经济损失。
2电缆故障在线监测方法及比较
在线检测是一种对运行中电缆绝缘状况的有效检测手段。
了解电缆绝缘老化的机理,根据电缆运行环境分析可能造成电缆绝缘老化的因素,并积极开展电缆绝缘的在线监测,掌握运行中的交联电力电缆的绝缘状况,及早发现电缆存在的缺陷,并采取相应的对策,消除事故根源,对提高电网供电可靠性有着重要的作用。
该方法的优点:
①测试设备接入时,不用断开现场任何回路和接点,也不影响电缆网络输电运行;
②增加的测试接地点常常选择电缆接头处,而且只在监测时接通,不测时仍断开,不改变原系统的运行环境和运行性能;
③对于长电缆可沿电缆线路增加多个测点,使故障点查找更为准确;
本系统无须另外布设测试电缆,全系统使用无线通信,被测电缆线路长度不限。
传统的电缆故障在线监测方法有以下几种。
2.1直流叠加法
直流叠加法的基本原理是在变电站变压器的中性接地点处或者是母线处,通过电压互感器将低压直流电源叠加在电缆绝缘己施加的交流相电压上,并通过并联-高压电容来免除交流高压对直流电源的影响。
通过测量流过电缆绝缘的直流电流来求出电缆的绝缘电阻,从而实现电缆的在线诊断。
为了防止直流电压影响GPT二次线圈开口三角的输出电压,所以,直流电压不能很高,大约为10-15V。
由于电缆绝缘处于交流高压的作用之下,尽管所加电压不高,仍能真实反应绝缘的实际状况。
由于现场干扰在短时间内的量是一定的,所以通过直流电压的正反叠加,获得两次测量的差值既为实际值的两倍,这样就有效地抑制了各种干扰,如杂散电流的影响。
该方法已经成功的应用在10kV及以下的中压电缆上,但对于变压器的中性点直接接地的110kW220kV高压电缆却无法加载上去。
因为中性点直接接地电阻很小,直流电压很难加上去,而PT上的开口三角也无法加载直流电压。
所以,直流叠加法适用于低压电缆而不能用在高压电缆的绝缘监测。
除此之外,线路对地电晕放电对在线诊断的影响也非常大。
电晕是一种极不均匀电场的空气局部击穿现象,电晕对地放电具有非常宽广的放电频谱。
严重时完全可以将有用信号淹没,致使直流法在线诊断无法进行。
另外,额定工频运行电压下水树的整流效应电流非线性变化对直流叠加法的影响也不容忽略。
2.2直流成分法
已发现,当运行中的电缆绝缘含有水树枝时,小直流成分存在于导体芯和铜屏蔽之间,并且该直流成分是绝缘中水树引起的裂化特征。
通过测量直流成分,诊断绝缘老化作为水树结果是可能的。
直流成分法主要原理是利用电缆中有水树存在时的整流效应。
在外施电压的负半周期时,水树枝由尖端向绝缘中注入较多的负电荷,而在正半周期时注入的正电荷较少,以至仅中和了~部分电荷。
在电缆运行工频电压作用下,水树枝前端的负电荷逐渐对方漂移,就像整流作用那样出现了直流成分但数值很小,仅有几到几十纳安。
水树枝的发展促使泄漏电流的增加,这样的劣化过程导致交流击穿电压的下降。
直流电压叠加法的原理是当对运行中绝缘逐渐劣化的电缆施加低直流电压时,将产生与劣化程度相应的直流电流。
因为直流成分是运行中的电缆的固有特性,所以,该法适用于中、高电压等级的电缆监测。
对于110kV或220kV高压电缆,直流信号很难加载到高压电缆的运行系统中,并且运行现场常常不允许解开中性点接地线而加入直流电源,所以直流叠加法对这类电缆实际运用的场合很少。
2.3局部放电法
对于局部放电法来说,监测主要是在终端头和附件等处采集局部放电量。
经过小波理论和信号处理从干扰信号中来辩识电缆的局部放电量。
水树枝引发的初期,局部放电量大约为0.1PC。
电力电缆局部放电量与电力电缆绝缘状况密切相关,局部放电量的变化预示着电缆绝缘一定存在着可能危及电缆安全运行寿命的缺陷。
国内外专家学者、IEC、IEEE以及CIGRE等国际电力权威机构一致推荐局部放电试验是作为绝缘电力电缆绝缘状况评价的最佳方法。
由于电力电缆的在线监测场所是一个包含许多变压器、发电机、电容器等电气设备的庞大的电力系统。
其中,包含许多信号较大、波形较复杂的背景噪音和外界电磁干扰噪声。
例如,其周围的电气设备——发电机的局部放电量就高达几千个Pc,并且波形复杂,频域较宽。
提取的电缆绝缘裂化信号极易淹没在周围的干扰信号之中。
2.4低频重叠法
又叫差频监测法,是在工频交流电压下叠加低频电压,观察所产生的超低频水树变化特征电流信号,但低频信号加载位置有考究,会导致测试可靠性不高;
同时考虑到在输电运行现场叠加低频的操作不方便或是不允许的,所以此方法只在停电时可以使用,不适用于在线监测。
总结现有的电力电缆绝缘监测的各种方法,都存在着一定的不足之处,所以这个问题仍有研究的必要。
3基于单片机的电力电缆故障在线监测的原理
基于C8051单片机的电力电缆故障在线监测系统的硬件主要有:
计算机、单片机系统、无线收发模块以及各种适配器等组成。
便携式计算机作为主机,控制和协调单片机系统的工作,单片机系统作为子机,完成对电缆的检测。
在进行电缆检测时,便携式计算机首先向单片机系统发送一串同步信号.协调主机和子机之间的通信,紧接着主机向子机发送待检测电缆的芯数和子机启动电缆检查信号;
在子机检查结束之后,主机主要用来接收子机传送来的电缆检查信息,经过分析之后,给出电缆的通、短、断、电缆接头温度,环境温湿度、电缆泄露电流等信息以及排故方案。
其系统原理见图1。
图1系统原理图
3.1短路测量
工作时单片机系统通过适配器1向被测电缆发送激励信号,被测电缆的另一端悬空开路,在单片机的控制下,使恒流源分时接通每芯电缆,利用单片机系统把电缆非激励芯的高低状态读到单片机内部缓冲区中。
如果电缆之间没有短路情况,从适配器1发出的激励信号无回路存在,非激励芯线应该是低电平,通过判断电缆芯线电平的高低状态.就可确定电缆芯线之间是否短路以及短路的电缆芯线序数:
例如一束电缆中在从第1芯输入高电平,子机在巡检后确定第5芯也是高电平,而其它芯线是低电平,则说明5芯与1芯之间短路。
3.2通断测量
工作时单片机系统通过适配器1向被测电缆发送激励信号,被测电缆的另一端通过适配器2短接,也即各芯线在此端互相导通,在单片机的控制下使恒流源分时接通每芯电缆,利用PIC单片机系统把电缆非激励芯的高低状态读到单片机内部缓冲区中。
如果电缆有断路情况,当断路的电缆芯线不是作为激励线时,由于无回路,此芯线应是低电平,当断路的电缆芯线是激励端时,其它芯线均应是低电平,通过判断电缆芯线电平的高低状态,从而确定是否有电缆芯线断路以及断路的电缆芯线序数。
例如电缆1芯输入高电平,子机在巡检后确定5芯是低电平,其它芯线是高电平,则5芯断路;
或者是1芯输人高电平。
检测后发现其它芯线均是低电平,则1芯断路。
3.3通、断路点测试
前文叙述了电缆有短路及断路等故障检测方法。
如果检测出某一电缆有断路故障,故障点在何处呢?
如何判断呢?
下面分别做简要说明。
在监测中,将有断路故障的电缆芯线一端接入,向电缆中通入音频信号电流,然后利用路径接收天线线圈将其沿着电缆线移动,接收听到音频信号。
到断路点以后,音频信号无法传送过来,录音机中听不到音频信号,这样就可以判断出断路点的位置。
需注意的是:
当检测多芯线缆某一根断路故障时,其余芯线最好接地,以减小分布电容的影响,这样检测的效果较好。
4基于单片机的电力电缆故障在线监测系统的组成
4.0微处理器电路
本次设计采用的是INTEL公司MCS-51系列单片机中最基本的产品C8051单片机,它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机,属于标准的MCS-51的HCMOS产品。
它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征,它继承和扩展了MCS-48单片机的体系结构和指令系统。
C8051内置中央处理单元、128字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出(I/O)口、2个16位定时/计数器和5个两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内时钟振荡电路。
此外,C8051还可工作于低功耗模式,可通过两种软件选择空闲和掉电模式。
在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。
掉电模式下,保存RAM数据,时钟振荡停止,同时停止芯片内其它功能。
C8051单片机主要完成掉电保护电路、温度测量电路的操作控制,并对信号进行加工处理和最终输出
主要功能特性:
·
标准MCS-51内核和指令系统
4kB内部ROM(外部可扩展至64kB)
32个可编程双向I/O口
128x8bit内部RAM(可扩充64kB外部存储器)
2个16位可编程定时/计数器
时钟频率0-16MHz
5个中断源
5.0V工作电压
可编程全双工串行通信口
布尔处理器
2层优先级中断结构
电源空闲和掉电模式
快速脉冲编程
2层程序加密位
PDIP和PLCC封装形式
兼容TTL和CMOS逻辑电平
。
4.1硬件系统
本电缆接头的温度监测与预警系统采用以C8051单片机为核心的监测方案。
整个系统由两大部分组成:
一是硬件系统,二是软件系统。
其硬件系统组成如图1。
图2系统组成结构框图
本系统由上位PC机、主控制机和温度采集器三部分组成。
整个系统从结构上可分为三层:
由微型计算机系统构成的上位机用户监控层,单片机系统分别构成的主控制机控制层和采集器测量层。
系统组成结构如图1所示。
在该系统中,上位PC机定时向主控制机发出读电缆接头温度数据命令。
主控制机收到命令后,将存储在SRAM中的前一次从采集器读取的数据上传给上位PC机。
传输完毕后,主控制机再向各个采集器发出读电缆接头温度数据命令,采集器接收该读命令后,将存储在采集器SRAM中的数据发送至主控制机。
主控制机接收并更新存储器中相应位置的原有数据。
采集器则利用通信间隙不断读取电缆接头的最新电缆接头温度值以备主控制机实时读取。
所有命令和数据的传输都制定了严格的通信协议,并采取不同的校验方式,大大提高了传输过程中的可靠性。
4.1.1上位PC机
宜采用高性能计算机,保证每天24小时无故障工作,实现上位PC管理机与多台控制主机的通讯功能,可接受所有接头的温度数据并实现数据的报表、曲线等图形显示。
如果发现温度超过设定值的情况,立即发出图像报警和声音报警信号。
4.1.2主控制机
以C8051单片机为核心,由单片机、存储器、通信接口组成。
通过RS485通信接口、GPRS及公网与上位微机相连。
主控制机主要完成巡检并输入所有采集器采集的温度数据。
通信模块是系统实现远距离传输和多机通信的关键。
由于电缆接头测温的数据传送距离一般要求在几千米,所以通信模块采用RS-485通讯接口。
RS-485采用平衡发送和差分接收,因此具有抑制共模干扰的能力,加上接收器具有较高的灵敏度,能检测低达200MV的电压,故传输信号能在几千米以外得到恢复。
4.1.3采集器
采集器主要由单片机C8051、信息选择电路DS2405、存储器等电路组成。
单片机通过信息选择电路DS2405芯片控制温度传感器DS182O,完成电缆接头温度的采集,采集的温度数据先被存储在外部存储器SRAM中,当主控制机要求采集器上传数据时,随时可将数据取出发送至主控制机。
其组成结构如图2。
其中在采集器上还扩展了一片32K的非易失性SRAMDCM0256作为数据存储器,用于储存DS18B20的64位串行系列码和采集的多点电缆接头温度值。
该存储器具有存取速度快,且掉电时数据不丢失的特性,能够满足系统的实际需求。
本系统中的电缆接头温度传感器及环境温度传感器DS182O是数字量输出的,每一个都有唯一的64身份码,通过信息选择电路芯片DS2405经单总线被单片机直接收集到温度数据。
该数字式温度传感器采用半双工数据通信接口,子站向它输入识别代码和命令字,它向子站输出数字温度值(均通过单总线进行)。
子站的任务是实时采集温度传感器的一系列数据,简单处理后,通过接口电路把传感器编号以及相应的数据传送给主机。
图3采集器结构图
4.1.4传感器
1.温度传感器是美国DALLAS公司最新产品——DS182O数字式温度传感器,测量范围为-55--125℃,测量精度为±
0.5℃,它是利用在板专利技术来测量温度的。
能够准确测量电缆接头处温度。
传感器和数字转换电路都被集成在一起,每个DS18B20都具有唯一的64位序列号。
DSl8B20只有一个数据输入/输出口,因此,多个DSl8B20可以并联到3或2根线上,CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20进行通信,而它们只需简单的通信协议就能加以识别,这样就节省了大量的引线和逻辑电路。
(1)独特的单线接口方式:
DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
(2)在使用中不需要任何外围元件。
(3)可用数据线供电,电压范围:
+3.0~+5.5V。
(4)测温范围:
-55~+125℃。
固有测温分辨率为0.5℃。
(5)通过编程可实现9~12位的数字读数方式。
(6)用户可自设定非易失性的报警上下限值。
(7)支持多点组网功能,多个DS18B20可以并联在惟一的三线上,实现多点测温。
(8)负压特性,电源极性接反时,温度计不会因发热而烧毁,但不能正常工作。
4.2软件系统
本系统采用组态软件和VB语言实现了电缆温度,监控系统的数据采集和人机界面。
本系统包括电缆接头温度监测主画面,报警窗口,历史曲线,实时曲线及帮助等画面。
系统工况界面可以显示地理接线(电子地图)和电气接线。
本系统以显示某变电所的电气接线图为电缆温度监测主画面。
图中对电缆进行编号,显示出相应电缆接头的温度。
当某电缆接头温度超过设定温度值时,系统自动产生报警信号相应的温度指示灯颜色变化,通知现场管理人员及时排除故障。
4.2.1 1-WIRE的操作时序及软件实现
1-WIRE网络是一种具有一个总线主机和一个或若干个从机的系统。
从机采用类似集电极开路的形式输出,因此要求上拉电阻。
1-WARE网络的通讯协议有三种类型:
初始化、读时间片和写时间片。
初始化时序:
主机向总线发一复位脉冲(至少480μs的低电平),然后释放总线并进入接收状态,这时总线被上拉电阻拉高,从机在检测到信号线上的上升沿之后,等待15~60μs,然后发出存在脉冲(60~240μs的低电平)。
写时序:
主机将数据线从高电平拉至低电平,在15μs之内将所需写的位送到数据线上,从机在15~60μs之间对数据线进行采样,整个过程持续60~120μs,再延时至少1μs之后,开始一轮新的过程。
读时序:
主机把数据线从高电平拉至低电平时,必须保持在低电平至少1μs,然后释放总线,从机将在15μs之内输出数据,整个过程最短持续期限为60μs,再延时至少1μs之后,开始一轮新的过程。
ORG0000H
movp3,#0
movdptr,#tab
MAIN:
LCALLGET_TEMPER;
调用读温度子程序
acallchange
AJMPMAIN
;
这是DS18B20复位初始化子程序
INIT_1820:
SETBdq
NOP
CLRdq
主机发出延时537微秒的复位低脉冲
MOVR1,#3
TSR1:
MOVR0,#107
DJNZR0,$
DJNZR1,TSR1
SETBdq;
然后拉高数据线
MOVR0,#25H
TSR2:
JNBdq
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 C8051 单片机 电力电缆 故障 在线 检测