时间：2023-11-26 01:29:14
【关键词】MC9S12XS128 多路交流电压电流采集 均方根算法 霍尔互感器
1 电力交流采样系统设计方案
1.1 总体方案
电力信号数据算法主要有两种，直流采样算法，交流采样算法，而交流采样算法又分为半周期积分算法、均方根算法、傅里叶算法等，交流采铀惴ㄔ怂懔看螅占用单片机资源较多，而本设计主要针对16路交流电的电压和电流采样数据处理，为了降低对单片机资源的占用，采用直流采样算法，而为了达到电压采集数量和电流采集数量任意组合性，优化了电压和电流的前端采集模块，实现了电压采集模块和电流采集模块互换后，对信号处理影响很小。系统硬件电路由电源电路、信号采集电路、信号变换电路、信号处理电路、数据传输电路等组成，如图1所示。
电源电路将+12V电源降压到+5V，信号采集电路采集交流信号，信号变换电路将采集的信号进行调整，信号处理电路将调整好的信号进行A/D采样并进行运算处理，数据传输电路将处理好的数据向外传输。数据的采样和处理有MC9S12XS128来完成。
1.2 硬件电路设计方案
1.2.1 单片机模块
单片机是该系统的核心单元，本设计采用飞思卡尔MC9S12XS128，该款单片机带有16路12位/10位/8位的A/D采样模块，该模块中含有采样缓冲器、放大器，具有可编程采样时间，转换结束标志和转换完成中断，外部触发控制，可选择单次转换模式或者连续转换模式等特性。其采样精度可根据需要进行设置，数字量转化时间可以根据需要进行编程设置。
1.2.2 信号采集电路与信号变换电路
由于220V交流电属于强电，因此设计中采用霍尔互感器采集电力线路中的信号。根据采集的信号不同，分别采用电流型电压互感器和电流互感器，将220V交流电转变成毫安级的交流信号，提高的了设计的安全性。互感器绝缘电阻常态时大于1000MΩ，工作频率范围20Hz～20KHz，抗电强度可承受工频1000V/分钟，相移小于5°，额定电流不大于20mA。
由于本系统设计为多路电压电流采集系统，需对信号采集电路以及信号转换电路进行优化，以便根据不同需求，可以任意选择前端采集电路为电压采集电路或者电流采集电路，通过图2和图3分析，两种信号转换电路可以统一采用一种电路，只需将转换电路的输入信号设定为统一的要求，即通过选择更换不同的互感器及相应电路，就可以满足电压或者电流的采集，在后续的生产使用中，无需对单片机的程序进行修改即可使用，降低了前期的研发周期和后期的维护成本。
U1A放大器组成的是半波整流电路，将交流信号的正电压部分转换负成电压，U2放大器组成的是加法积分电路，将交流信号转换成直流信号。
1.2.3 电源电路
本系统的电源由外部提供±12V电源，而单片机的主要供电电压为+5V，因此，需要将+12V电源转换为+5V电源。在设计中，为了降低功耗，减少电源芯片的发热量，在设计中放弃了简单的三端稳压块的降压电路，而是采用DC-DC电路，提高了转换效率，提高电源芯片的使用寿命和可靠性。见图4。
该电路转换频率为380KHz，转换效率大于80%，输出最大电流1.5A（连续输出），纹波小于30mV，满足系统对+5V电压的需求。
2 系统软件设计
2.1 软件整体设计
程序主要由以下几个模块组成：单片机初始化模块，两个定时器中断，一个外部事件中断，串口通信模块，数据处理模块。其中初始化模块又包括：锁相环PLL，高速计数模块脉冲累加，定时器PIT，A/D，普通I/O口，串口发送SCI等。软件实现的主要功能包括：
（1）通过MC9S12XS128的定时器1与A/D转换模块实现模数转换，对转变后的直流信号采集并存储到寄存器中。
（2）利用算术平均根算法实现MCU对数据的处理。
（3）控制串口与外部中断实现数据传输和交互显示。
主程序流程图如图5所示。
2.2 数据采集和处理程序设计
本系统采集的信号是直流电平，其采样周期的选择与算法的选择有密切的联系，采样的周期越小，测量结果越接近真实值，越能够快速反应交流电压或者交流电流变化的情况。
数据采集流程图如图6所示。
2.2.1 A/D数据采集设计
本系统采用算术平均根算法进行参数计算，交流电的频率为50Hz，周期为20ms，采样周期10us，采用读转换完成标志位的方式读取转换数据。A/D初始化设置如下：
ATD0DIEN = 0x00；//禁止数字输入功能
ATD0CTL0 = 0x0F；//模拟输入通道为16
ATD0CTL2 = 0x40；//A/D模块快速清零，禁止外部触发，禁止中断
ATD0CTL1 = 0x40；//A/D分辨率选择12位，且采样前不放电
ATD0CTL3 = 0x80；A/D转换结果右对齐，每个序列16个通道，非FIFO模式
ATD0CTL4 = 0x07；//12位精度，AD模块时钟频率为2MHz
ATD0CTL5 = 0x30；//从通道0开始多通道连续采样，同时启动A/D转换序列
while（！ATD0STAT0_SCF）；//等待A/D转换完成
2.2.2 串口数据传输
本系统由于采集的信号多达16路，设计中采用RS485通信方式将处理的数据传送到上位机或者工业显示器上。串口发送接收数据如下：
void SCI1_send（unsigned char data）
{
while（！SCI1SR1_TDRE）； //等待发送数据寄存器（缓冲器）为空
SCI1DRL = data；
}
unsigned char SCI1_receive（void）
{
while（！SCI1SR1_RDRF）； //等待发送数据寄存器满
return（SCI1DRL）；
}
3 结语
1、打开数字万用表电源开关，将万用表挡位旋转至交流电压挡750V量程。
2、打开电路中的电源开关。
3、测1-2点之间的电压，记录读数，电压值测得为：220V。
4、将万用表挡位旋转至交流电压挡20V量程，分别测量3-4，4-5，6-7各点之间的电压，并记录读数。
（来源：文章屋网 ）
关键词 继电器；工作电压；电路参数
中图分类号TM77 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）89-0200-02
0引言
一般，交流继电器的工作电压范围为160V～240V，且在低电压区域容易出现颤动现象。而在一些电能转换场合，如双电源转换控制，需要交流继电器在85V～250V电压范围内能正常工作。为满足这种需求，可以用直流继电器转换而成。
1电路原理
图1为宽压交流继电器的原理图。其中，J为直流继电器。85～250V的交流电压经C1交流限流，由二极管D1进行整流，将交流电压转换成直流电压，经C2滤波后，加在直流继电器线圈J上，驱动继电器J动作。稳压二极管D2为电压限幅电路，防止直流继电器线圈两端电压过高。
2电路参数设计
1）直流继电器J的选择
直流继电器J选择DS2Y-S-5V直流继电器，其线圈电阻为120?，最低吸合电压为2V。
2）滤波电容C2的选择
a 滤波电容C2的容量选择
为取得较好的滤波效果，有经验公式：
RC≥（3～5）T 式1
其中，R为直流继电器线圈电阻，C为滤波电容C2电容量，T为交流电压周期，3～5为经验系数。
取经验系数3得：
。
b 滤波电容C2的耐压选择
根据直流继电器J的线圈，滤波电容C2的耐压取为10V。
因此，滤波电容C2为470μF/10V的电解电容。
3）整流二极管D1的选择
由电源电压和继电器线圈参数知，整流二极管D1的正向平均整流电流约为50mA，最高反向工作电压约为360V。二极管IN4007的正向整流电流允许值为1A，反向峰值电压为不小于1000V，满足电路工作条件。
4）稳压二极管D2的稳定电压选择
根据原理电路，稳压二极的稳定电压应为：5V+0.7V=5.7V，其中，5V为继电器线圈电压，0.7V为整流二极管的正向导通电压。取稳压二极的稳定电压值5.6V。
5）限流电容C1的选择
a 限流电容C1的容量选择
根据继电器的吸合电压及工作条件，当交流电压u的有效值为85V时，继电器线圈两端电压应不小于2V；当交流电压u的有效值为250V时，继电器线圈两端电压应不大于5V。
根据原理电路得下述电压、电流方程。
依式2～6建立计算程序，并取u的有效值85V进行程序扫描，当c1大于1.5μF时，uc2的平均值大于2V。c1取标称值1.5μF。取u的有效值250V进行验算。根据程序计算，uc2没有超过5V，流过稳压二极管的最大工作电流为122mA。
b 限流电容C1的耐压选择
当u的有效值250V时，其最大值为354V。取限流电容C1的耐压值400V。
因此，限流电容C1为1.5μF/400V。
6）稳压二极管D2的最大稳定电流选择
由程序计算知，稳压二极管D2的最大工作电流为122mA。稳压二极管2CW103-5V6的稳定电压为5.6V，最大稳定电流为162 mA，满足电路工作条件。
3结论
关键词：发电机绝缘
一、交流耐压试验电压的选择
发电机绕组一般都是星形接线，绕组的端口对地承受着相电压Uph，当有一相接地时，其他两相对地的电压就升为线电压U1，所以试验电压的选择，不能低于发电机额定工作线电压，否则就失去了耐压试验的意义。另一方面试验电压的选择主要考虑大气过电压和操作过电压对绝缘的影响。
对于大气过电压，我国目前大气过电压保护水平和运行经验，基本上能防止它们对发电机的侵袭。且发电机在出厂试验时，已经对大气过电压保护水平进行了试验，对现行的交流耐压试验来说，绝缘水平有相当的裕度。。
对于操作过电压，在大多数情况下其幅值不超过3 Uph（Uph为相电压），约等于1.7 U1（U1为线电压），实际上一般不会超过1.5 U1。。另外考虑我国发电机绝缘水平，不宜将试验电压值定的太高。实践证明《电力设备预防性试验规程》规定试验电压为1.5 U1【交接试验耐压试验电压为（1000+2 U1）×0.8】耐压标准是科学的、合理的。
二、交流耐压试验对于绝缘的影响
电机绝缘体内不可避免的会有气体，在强电场作用下，气体游离和绝缘氧化同时集中而产生热量，可能使云母绝缘遭受损伤。试验证明，耐压试验电压随维持时间的增加而剧烈下降，加压时间越长，则绝缘损伤越严重，但维持1min的击穿电压，试验电压应在5.0 U1以上。
一般发电机运行寿命为30年，按照每2年进行一次交流耐压试验。经研究和试验，30年后维持1min的试验电压为3.7 U1左右，才会使绝缘击穿。
根据研究和试验，发电机在30年运行寿命内，按照《电力设备预防性试验规程》规定的1.5 U1耐压标准是不会因为积累效应而引发发电机绝缘击穿的。
三、交流耐压试验方法和注意事项
（一） 试验步骤
（1）交流耐压试验前，应首先对发电机进行非破坏性试验，包括绝缘电阻测量，直流泄露试验，在非破坏性试验合格后方能进行交流耐压试验。
（2）按照要求对试验设备及仪表正确接线，并由专人检查。
（3）调试电压保护：在空载条件下调整过压保护球隙,使放电电压在试验电压的1.1—1.15倍范围内，当升压到球隙击穿时，过流保护应可靠动作切断电源。且该球隙应在试验电压的1.05倍下坚持2min不放电。
（4）调试电流保护：经过限流电阻R（一般R选用0.5-1Ω/V左右）在高压侧短路，调试过流保护跳闸的可靠性。
（5）在电压及电流保护调试正确，所有接线无误后，即可将高压引线接到被试品上开始试验。
（二） 试验过程中的注意事项
（1）试验人员应持有相关部门颁发的有效证件，且必须经过三级安全教育培训，并经考试合格；主要试验人员应熟知设备状况、性能、参数，能正确分析试验结果；所有参加试验人员应身体健康、精神状态良好，严格遵守规章制度，服从现场指挥，并应具备基本触电急救知识和防触电知识。
（2）由于发电机为电容性负载，而且电容量较大，电容电流在试验变压器的漏抗上会产生较大的压降。由于被试品上的电压与试验变压器漏抗上的电压相位相反，有可能因电容电压升高而使被试品上的电压比试验变压器的输出电压还高，因此要求在被试品上直接测量试验电压。因为试验电压不高，可以用0.5级电压互感器或静电电压表直接测量。
（3）由于被试品的容抗与试验变压器的漏抗是串联的，因而当回路的自振频率与电源基波或其高次谐波频率相同而产生串联谐振时，在被试品上就会产生比电源电压高的多的过电压，通常调压器与试验变压器的漏抗不大，而被试品的容抗很大，所以一般不会产生串联谐振过电压。但在试验大容量的被试品时，若谐振频率为50HZ，应满足Cx<3184/XL(uF)，即Xc>XL，XL是调压器和试验变压器的漏抗之和。为避免3次谐波谐振，可在实验变压器低压绕组上并联LC串联回路或采用线电压。当被试品被闪络击穿时，也会由于试验变压器绕组内部的电磁振荡，在试验变压器的匝间或层间产生过电压，因此要求在试验回路内串入保护电阻R将过流限制在试验变压器与被试品允许的范围内，但保护电阻不宜选的过大，太大了会由于负载电流而产生较大的压降和损耗，R的另一作用是在被试品击穿时，防止试验变压器高压侧产生过大的电动力，R按0.1—0.5Ω/V选取（对大容量的被试品可以适当选小些）
（4）氢冷电机必须在充氢前或排氢后且含氢量在 3% 以下时进行试验，严禁在置换氢过程中进行。
（5）在试验过程中，应防止电压和电流谐振发生。
四、交流耐压试验结果分析判断
（一）绝缘击穿的判断
（1）过流保护动作跳闸；
（2）发电机内部有放电响声；
（3）闻到有烧焦气味或发现冒烟等；
（4）电压表指示剧烈摆动或电压值下降；
（5）电流表的指示急剧增加；
发现上述情况，可能是绝缘要击穿或已经击穿，必须及时采取应急措施并找出原因。
（二）防止误判断
若电源电压稍微升高，电流急剧增加。意味着将要产生串联谐振；若电源电压略微升高，而电流反而下降，说明将要产生并联谐振，串并联谐振引起的现象可能引起误判断并造成错误操作。
五、结束语
近年来，发电机单机容量不断增加，高电压大容量电力设备制造技术也改进很大，对现场试验技能的要求也不断提高，电气试验技术发展很快，绝缘监测新技术、新方法层出不穷。。采用新技术的新仪器也广泛推广应用，因此对试验人员的素质也提出了较高的要求。但新技术的推广应用，离不开老经验的支持，只有熟悉理论知识并脚踏实地不断实践，才能更好的进步。
参考文献
[1] 《高压电器设备试验方法》北京：中国电力出版社，2001
[2] 《电力设备预防性试验规程》DL/T 596—1996 北京：中国电力出版社，1997
[3] 《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》GB50150-2006北京：中国计划出版社，2006
随着社会经济水平的快速发展，人们的生活水平不断提高，电力资源也逐渐成为国家发展和改善民生的最重要的能源之一。特别是近几年来，一方面，我国深入贯彻“以人为本”的执政方针，各地政府更是积极的采取相应措施来改善人们生活，一些偏远地区也开始增设电路，运输电力资源。另一方面，各大型企业和重工业企业的发展对电力资源的需求也越来越大，如何保证高压输电线路的安全成为各电力企业急需解决的关键问题，而加强对输电线路防雷技术的研究能够有效地提高高压交流输电线路的安全性。
【关键词】110kV 高压交流输电线路 防雷技术
就目前的电网运行安全问题的现状而言，雷电对高压交流运输电线路的破坏和干扰占有很大的比例，雷电已成为造成高压交流输电线路无法正常工作的主要因素之一。随着雷电在造成的电网瘫痪和安全事故逐渐增多，各电力企业和电力工作研究者也耗费大量的财力和精力投入到防雷技术的研究中。本文以110kV高压交流输电线路为例，以雷电影响高压交流输电线路的主要原因为切入点，期望找到改善和解决此类问题的有效措施。
1 雷电造成110kV高压交流输电线路不能正常工作的主要原因
雷电造成110kV高压交流输电线路不能正常工作的主要原因来自三大方面：第一，在电杆的选址和电线的装置中存在很大的技术缺陷，很多技术还不够完善；第二，电网检修维护工作人员的技术低，综合素质差，使得检修这一环节的质量大大下降；第三，随着我国电力系统的逐渐完善，电网逐渐遍布全国各地，而在一些高频雷电区域，雷电对高压交流输电线路的影响更为突出。此外，雷电破坏电网的正常工作也对人们的生活工作带来的极大地不便，一些大型企业也因电力系统瘫痪而在成极大的损失。表1是雷电对一地区电路的影响统计表。
1.1 现如今在我国110kV高压交流输电线路的装配中存在的技术问题
电杆和电线塔的接地电阻值过大时造成高压交流输电线路雷击事故的主要原因，但电杆和电线塔的接地的电阻值过高时，雷电加在线路上的电压就会增高，一旦超过了线路的承受电压的范围就易发生线路故障。而且，据几年来雷击造成高压交流输电线路故障的统计，大部分的事故是由电杆电塔电阻值过大造成的。其次，在一些特殊的地理位置，比如山区和盆地，避雷线的作用不能很好地发挥，在这些地区，避雷线能防范的范围极其有限，加上在部分地理环境较差的山区，电杆的架设不密集，避雷线的数量也较少，就易发生雷击事故。最后，就是检测技术上的问题和安装上的问题，部分电力企业的检测装置精度不高，已发生故障，导致在测量接地电阻值时，电阻值的测量结果不准确，导致部分地区的接地电阻值过大，从而引发雷击事故。另外，部分企业对避雷线的安全上存在技术缺陷，导致避雷线的安全不合理，不能很好地避免线路被雷击。
1.2 电网维护检修人员技术差，没有完备的电网工作状态检测系统
电网维护检修人员是保障电网正常工作的第二道防线，检修人员技术差，就不能检测相互电路中存在的隐患，比如部分线路的电阻值因发热而增高，需要更换电线等，在雷电时期来时，就会发生雷击事故。其次，技术人员安全意识和责任意识差，在工作时不够仔细细心，也会引发次来事故。另一方面，现今，我国还没有完备的电网工作状态的检测系统，不能及时的跟踪和发现雷击事故发生地，导致雷电对线路的破坏程度加大。
2 根据雷电造成110kV高压交流输电线路的主要原因提出相应的措施
2.1 避免电杆和电塔的接地电阻值过大
避免电杆和电塔的接地电阻值过大能有效的提高高压输电线路的抗雷能力，当电杆遭受雷击时，电杆的接地电阻值低，电感承受的电位就要小，线路的抗雷能力就会提高。一般降低电杆和电塔的接地电阻值主要有三种方式：第一，加长电杆或电塔的射线长度，加大电感和电塔的辐射范围，同样的电压下，地面范围越广，各部分承受的电压就越小；第二，一方面可以在电杆或电塔中增加降低接地电阻值的物资来降低接地电阻值，另一方面，在土壤中加入新材料降低土壤电阻；第三，将电杆或电塔的底部尽量深埋，因为越深，土壤的电阻 就越小。这三种方式都能降低电杆或电塔，提高输电线路的抗雷能力，从而减少雷击对输电线路的影响。
2.2 提高避雷线的安装技术，提高输电线路的避雷能力
避雷针的工作原理时利用避雷针将雷电引出输电线路范围，所以避雷针的安装不仅要考虑到避雷针的避雷效果，还要考虑到雷电范围。就目前输电线路安装避雷针的情况而言，避雷针应该安装在电杆两侧。图2是110kV高压交流输电线路中避雷针的安装图。
一般的避雷线是在线路中加入避雷器或者避雷针构成，提高避雷线的安装技术可以从这两方面着手。首先是避雷器安装的地方，安装避雷器的主要目的是避免线路被雷击，所以避雷器应该安装在雷电密集的区域和地理位置较差的区域，这样才能最大限度的发挥避雷器的效果。其次，避雷器安装的数量和方位要根据现场实际情况而言。
2.3 提高电网检修技术人员的技术水平，完善现有的电网工作监测系统
提高电网检修人员的技术水平也能提高高压交流输电线路的防雷能力，特别是对于电力企业而言，提高检修人员的综合素质是非常重要的，也是提高企业市场竞争力和影响力的重要因素。
3 结束语
随着社会工业化程度的提高，人们生活水平的大幅度提升，电力已成为人们工作生活的一部分，提高高压交流输电线路的防雷技术，减少雷击造成的高压输电线路故障现如今分厂重要的研究课题之一，也是极具现实意义的。本文通过对造成事故的原因进行剖析，提出一系列针对性的措施，希望能对广大的电力工作者有些许借鉴的方面。
参考文献
[1]李健强.110kV-220kV高压输电线路的防雷技术研究[J].价值工程，2013（01）：87-88.
[2]孔庆华.110kV高压输电线路的防雷保护[J].广东科技，2013（18）：89-90.
[3]曾林.输电线路防雷技术研究[J].企业技术开发，2013（20）：132-133.
作者单位
关键词:Modbus协议;交流电压峰值;MSP430F449;MAX1270
中图分类号:TB971,TP368.1文献标识码:B
文章编号:1004-373X(2009)10-146-03
Design of AC Voltage Peak Detection Instrument Based on Modbus-RTU
WANG Jichang
(Seismic Geophysical Company of Shengli Oil Field,Dongying,257100,China)
Abstract:The peak voltage detection of AC is an important index in industry power safety monitoring.AC voltage peak detection system based on hardware of MSP449,MAX1270 and RS 485,and protocol of Modbus-RTU are introduced.This system have been used in AC voltage peak detection successfully.This system has advantages of portable,low power and so on.Meanwhile,it is easy to interface with PC or controller in accordance with Modbus-RTU protocol to construct remote monitoring and control system conveniently.
Keywords:Modbus protocol;AC voltage peak;MSP430F449;MAX1270
收稿日期:2008-10-23
0 前 言
交流电压峰值是指交流电压的最大值(正峰值)或最小值(负峰值),是工业生产过程中一个非常重要的参数。为保证用电设备的安全,对供电电压的峰值[1]进行检测具有重要意义。测量峰值的方法主要有示波器法、间接计算法、专用峰值表法。利用示波器虽然可直观地显示电压的波形和峰值,但在成本和便携性上示波器均不能作为现场监视设备;间接计算法只适用于标准正弦波,实用性不大;专用峰值表大都存在体积较大,携带不便,且与电脑或控制设备相连不便的缺点。针对以上缺点,采用MSP430[2]系列单片机、MAX1270模/数转换器,并利用Modbus-RTU协议,成功地开发出了低成本、便携、智能的峰值表设备。
1 测量原理
由于供电电网的波动及电网的电压波形是一种非标准正弦波,其峰值不能通过平均值或有效值间接计算。该系统采用对非标准正弦波在一个周期内多次采样,并通过冒泡法比较采样值,得到电压的最大值或最小值作为其正峰值和负峰值。显然只要采样密度适当,完全可以得到真实的电压峰值。我国交流电的频率为50 Hz,设计中采样频率设置为10 kHz,即每个交流波形周期中采样200次,足以正确地反映出电压的变化情况,从而确定电压的峰值。
2 硬件设计
设计中,以MSP430F449[3]单片机、MAX1270模/数转换器为主要器件。前端A/D输入采用电阻分压方式将交流电进行降压;采用RS 485芯片作为通信接口芯片,硬件框图如图1所示。
图1 硬件框图
2.1 A/D输入调理保护电路设计
以220 V交流电为例,其理论峰值电压为311 V,但考虑到电网波动、正弦波失真等,电压峰值很可能超过311 V,这时可根据工作经验和实测情况,选定一个电压值作为电压可能达到的最大值,假定为500 V。如果MAX1270的输入范围设置为±5 V,则分压电阻的分压比应设置为100∶1。分压后的电压经过运放缓冲后作为A/D芯片的输入,为保护后级A/D转换芯片,设置两个稳压二极管组成限幅电路。输入调理电路如图2所示。
图2 A/D输入信号调理保护电路
2.2 A/D转换电路
A/D转换电路采用MAX1270[4]芯片,MAX1270是8通道、多量程双极性输入、串行输
出、逐次逼近型12位A/D转换器,最高采样率为110 kS/s。在单+5 V电源供电下,可通过编程实现±5 V,±10 V,5 V,10 V量程。其中,双极性输入十分适合作为交流电压测量。
MAX1270转换电路如图2所示,由MSP430F449的I/O口线控制MAX1270的串行接口。由于MAX1270在5 V电压供电下,输出4.5 V以上高电平,而MSP430F449的I/O口电平为3.3 V,因此必须附加一个接口芯片,以实现5~3.3 V的电平转换,这里采用MAX3001双向电平转换芯片。A/D转换电路如图3所示。
2.3 RS 485接口电路
该设计采用RS 485总线[5],可通过电缆或光纤将信号有效地远传上千米,配合Modbus-RTU协议,可方便地与符合Modbus-RTU协议的控制设备连接。设计中采用MAX3485芯片作为RS 485接口芯片,电路如图4所示。
图3 A/D转换及电平转换电路
图4 RS 485接口电路
3 软件设计
设计中,主要的软件模块包括A/D转换,Modbus-RTU协议和串口编程。对于串口编程不再赘述,主要对MAX1270[6]和Modbus-RTU[7]协议进行说明。
3.1 MAX1270编程
MAX1270的控制字格式如表1所示,最高START为起始位,保持为“1”;SEL2~SEL0为输入通道选择位;RNG,BIP分别为量程和极性选择位;PD1和PD0为掉电和时钟模式选择位。各位的具体意义请参考MAX1270数据手册。该设计中,MAX1270设置为:量程10 V,双极性输入(即实现±5 V测量)、外部时钟25 CLK/s正常操作模式,使用通道CH0作为输入通道,控制字的格式为10000101。
表1 MAX1270控制字
BIT7(MSB)BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0(LSB)
STARTSEL2SEL1SEL0RNGBIPPD1PD0
/*函数:max1270_ACQ()功能:读取A/D转换数据*/
unsigned int max1270_ACQ()
{
unsigned char cmd;
cmd=0x85;//双极性正负5 V输入范围,通道0,常规操作、外部时钟模式
unsigned char t=8;
do//写入控制字
{
max1270_CLK_CLR;
_NOP();
if((cmd & 0x80)==0x80)
max1270_DI_SET;
else
max1270_DI_CLR;
cmd
_NOP();
max1270_CLK_SET;
_NOP();_NOP();
}
while (--t!= 0);
max1270_DI_CLR;
//等待转换完成
for(int i=5;i>0;i--)
{
max1270_CLK_CLR;//时钟下降沿
_NOP();_NOP();
max1270_CLK_SET;//时钟上升沿
_NOP();_NOP();
}
//读出转换结果
unsigned int dat=0;
t=12;
do
{
max1270_CLK_CLR;
_NOP();
dat
if(max1270_DO)//DO的输出为1
dat++;
max1270_CLK_SET;
_NOP();
}
while (--t!=0);
_NOP();_NOP();
max1270_DI_CLR;
max1270_CLK_CLR;
_NOP();_NOP();
return dat;
}
3.2 Modbus-RTU协议
Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议,控制器相互之间、控制器经由网络(例如以太网)和其他设备之间可以通信。Modbus-RTU是Modbus[8]协议的一种传输模式,在该模式下,消息中的每个8 b包含2个4 b的16进制字符。Modbus协议的核心程序是CRC校验[9]程序的编写。该系统中采用CRC-16校验法,具体程序实现如下:
//CRC生成和校验:用于CRC生成和校验,其中frame为数组指针,n为数据个数//
unsigned int CRC(unsigned char *frame,int n)
{
int i,j;
unsigned int flag,crc;
crc=0xffff;
for(i=0;i
{
crc^=*frame++;
for(j=0;j
{
flag=crc&0x0001;
crc>>=1;
crc&=0x7fff;//crc高位补零
if(flag)
{
crc^=0xa001;//crc xor A001
}
}
}
flag=crc%256;//取模求余得到crc低字节
i=(crc-flag)/256;
crc=flag*256+i;//高低字节交换
return(crc);
}
3.3 其他重要子程序
程序中采用定时器中断触发每次采样,保证采集周期的精度,同时每次采集时都以过零点作为采集数据的开始。这两点都有利于提高系统精度。
//定时器设置
CCR0=399;//400×0.25 μs=0.1 ms,即采样周期
设定为10 kHz(10 k/50=200)
TACTL=TASSEL_2+MC_1+TACLR;//MCLK=4 M,Up Mode,CCTL0=CCIE;//CCR0中断使能
//正过零点判断
if(AD_Result
Start_Flag=1;//Start_Flag为开始存储数据的标志
else
Start_Flag=0;
4 测试结果
通过施加标准正弦波、非标准正弦波、三角波测试,可使该表的峰值测量精度高于1级,完全满足工业现场设备供电检测的需求。该表与工控组态软件MCGS[10]配合,工作良好。此外,该表除了测量峰值以外,还扩展了电压平均值、有效值的计算,设计成一个具有多功能的智能仪表。
5 结 语
该设计以MSP430F449单片机、MAX1270为核心,编写了Modbus-RTU协议,同时利用RS 485接口可方便地进行数据远传或与符合Modbus-RTU协议的设备相连,该表的体积小,功耗低,可使用干电池或蓄电池供电,非常适合作为编携式设备,随身携带,也可作为功能模块直接安装在工业现场设备对电网供电电压峰值、有效值等参数进行监测。
参考文献
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【关键词】 地电力反击；电缆耐压；试验； 分析
中图分类号：F407文献标识码： A
1交流变频谐振耐压试验
变频谐振试验方法不但能满足高压交联电缆的耐压要求，而且质量小，适宜现场试验。该方法采用固定电抗器作为谐振电抗器，以调频的方式实现谐振，频率的调节范围为30~300 Hz，这种交流电压可模拟运行工况下相同的场强，并已被证明为最有效方法。
1.1串联谐振耐压试验原理
串联谐振耐压试验是利用电抗器的电感和被试品电容形成串联谐振。调频式串联谐振已经成为国内外当前交流耐压试验的发展方向，得到了广泛的应用。
变频式串联谐振法采用固定电抗器，通过调节激励电源的频率使其到达试验回路固有频率，回路从而实现谐振，进而在被试品上实现高电压输出。变频式串联谐振法试验设备相对体积小、重量轻、品质因数高、使用方便。
220V或380V工频电源，通过变频源转换成频率和电压可调的电源，经励磁变压器，送入由谐振电抗器L和被试电缆Cx构成的高压串联谐振回路，分压器是纯电容式的，用来测量试验电压。变频器经励磁变压器T向主谐振电路送入一个较低的电压Ue，调节变频器的输出频率，当频率满足谐振条件时，电路形成串联谐振。
1.2串联谐振耐压试验的优点
串联谐振耐压试验中，试品两端谐振电压值是试验励磁变输出电压的Q倍，故谐振功率也为励磁功率的Q倍。因此Q值愈高，所需电源容量愈小。
因此采用串联谐振的方法做电缆交流耐压试验，可大幅度的减小试验电源容量，如做2公里长的110kV电缆工频耐压试验，至少需要1500kVA以上容量的试验变压器和调压器，而采用变频串联谐振的方法，仅需要30kVA试验电源。谐振电抗器L与被试品Cx处于谐振状态，此电路形成一个良好的滤波电路，故试品两端输出电压为良好的正弦波形，有效的防止了谐波峰值对试品的误击穿。
被试电缆的绝缘弱点击穿时，失去谐振条件，高压电压电流均迅速自动减小，因此不会扩大被试品的故障点进一步损坏被试品。而且恢复电压的再建立过程很长，很容易在再次达到闪落电压前断开电源，所以不会出现任何恢复过电压。
1.3串联谐振耐压试验过程
试验装置由调频电源、激励变压器、谐振电抗器和电容分压器组成。被试品电容与电抗器构成串联谐振回路，分压器并联在被试电缆上，用于测量被试电缆的谐振电压值，并作为过电压保护信号。调频调压信号经激励变压器耦合给串联谐振回路，提供串联谐振的激励功率。串联谐振试验原理接线
首先调节调频调压电源输出频率，根据谐振时被试电缆电压找到谐振点，再增加调频调压电源输出电压，使被试电缆电压达到规定值。在该电压值下保持规定的时间后，降低电压为0，完成变频谐振耐压试验全过程。
当试验变压器的额定电压、额定电流均不能满足试验要求时，由于流过串联电抗器的试验电流超过了其额定电流，需要加入并联电抗器进行补偿。这种串―并联谐振法实质上仍然是串联谐振，与传统的串联谐振不同之处在于串联电抗器不是简单地与被试电力电缆电容构成串联谐振，而是与补偿电抗器和被试电缆电容的并联回路产生串联谐振。并联电抗器起补偿作用，使流过励磁变压器高压侧及串联电抗器上的电流减小，电抗器的体积和重量将减小，励磁变压器容量也将减小，提高了调频谐振装置的带负载能力，使原本很难进行的试验变得相对容易。
2地电位升高
电力设备发生接地故障时，不平衡电流通过电力设备接地装置的接地点流入大地，由于接地回路存在电阻，因此，在流入或流出大地的区域与远方大地之间产生电位差，该电位差就称为电位升高。接地装置周围地电位升高的区域称为地电位升高带，在地电位升高带和其他区域之间通过导体传来的电位转移，可使通信电缆护层上达到危险的高电压，或进一步击穿电缆的过电压保护器的接地电极而进入通信回路。
接地电阻是由接地装置的金属接地体以及一定范围内的大地所构成，前者的电阻远远小于后者，可以忽略，接地电阻就取决于一定范围内的大地及其所具有的电阻率ρ，因此，接地装置的电位升和大地电位分布与流入接地装置的电流大小、接地装置形式和大地电阻率有关。
3电缆耐压试验案例
3.1现场试验情况
现场110kV电缆共2组，第一组电缆A线型号ZR-YJLW03-Z-64/110kV，截面1*800mm2，电缆长度1.22km，电容量0.235uF/km；第二组电缆B线型号ZR-YJLW03-Z-64/110kV，截面1*640mm2，电缆长度1.305km，电容量0.205uF/km。
现场试验设备是苏州华电串联谐振设备，现场电缆布线为：电缆A线从路边铁塔到某变电站，电缆B线从浙江某变电站到山上铁塔，中间某变电站两组电缆头均已挂好。由于两组电缆头之间距离太近，无法满足试验电压128kV的安全距离要求，因此无法对其进行单独加压，只能串联2组电缆头进行耐压试验。
因此，试验选择在电缆A线路边铁塔处加压，此时试验电缆长度为2.525kM，电缆两头均接地，电缆护层保护器未接地；试验设备4节电抗器并联；设备谐振频率A相为40.9Hz，B相为40.8Hz，C相为41.4Hz。试验时A相和C相电缆屏蔽层发热击穿，耐压后主绝缘绝缘电阻合格。
经厂家处理后再次进行电缆耐压试验，电缆两头和护层保护器同时接地，设备谐振频率未变，耐压试验合格。
3.2试验击穿原因分析
试验时间正值8月，连续晴热高温干旱，造成地电阻变大，远大于10欧姆，形成地电位抬高。由于屏蔽层电位抬高，若屏蔽表面有气孔，电缆屏蔽层外保护层的最外面即空气中的那一层涂了能导电的石墨，最终通过电缆支架和土壤最终与地电位连接。此时绝缘电阻试验直流电压500v，约等于交流电压353v，试验结果良好。当交流电压大于353v时，屏蔽层和保护层存在电位差，就有可能形成放电，形成击穿，此时电击穿和热击穿同时存在。
数千米长的电缆线路具有大电容，例如10 km长的110 kV交联聚乙烯(XLPE)绝缘电缆，按其截面积的不同，电容可达2～3 μF。如果在系统的频率(50 Hz)下用交流电压进行现场试验，就需要很大的无功功率。如上所述的电缆，在160 kV(2.5 u0)下进行交流电压试验，则可能需要高达20 MVA的试验功率。常规的交流电压试验设备(运行频率50 Hz)的缺点在于其单位试验功率的重量较大，达100～200 N/kVA，试验设备的运输很不经济，而且需要在现场提供相当大的电源。
众所周知，油浸纸绝缘电力电缆的现场试验一般都采用直流电压。试验时可以同时测量泄漏电流，由泄漏电流的变化或者泄漏电流与试验电压的关系，可用以判断绝缘状况。数十年对油浸纸绝缘电力电缆采用直流耐压试验的实践，已证明其作为现场定期预防性试验项目能得出满意的试验结果，这也就是充油和压气电缆用直流电压进行现场试验的理由。这个试验方法也同样用于高压XLPE绝缘电缆，它似乎是唯一可行的方法。
1 XLPE绝缘电缆线路用直流耐压试验的缺点
高压XLPE电缆线路的运行试验表明，现场采用直流耐压试验不能有效地检出有缺陷的XLPE绝缘电缆及附件。各国运行经验发现通过直流耐压试验的XLPE绝缘电缆及附件在投入运行后有击穿故障发生。
为此，CIGRE WG21-09工作组(高压挤包绝缘电缆试验)于1984年向世界各国电缆制造商和电力公司调查，并组织进行模拟结构样品试验，进一步确认高压XLPE绝缘电缆采用直流耐压试验是不恰当的，其存在以下明显的缺点：
a)直流电压下绝缘电场分布与交流电压下电场分布不同，前者按电阻率分布，而后者按介电系数分布，尤其在电缆终端和接头等高压电缆附件中，直流电场强度的分布与交流电场强度分布完全不同。这往往造成交流工作电压下有缺陷部位在直流耐压的现场试验时不会击穿而被检出，或者在交流工作电压下绝不会产生问题的部位，而在直流耐压现场试验时发生击穿。
b)XLPE自身的固有场强高，要用很高的直流试验电压甚至严重损伤电缆才能检出。例如，20 kV XLPE电缆绝缘的50%处有金属尖端，结果却在10 U0的直流电压下才能使其击穿。再者，在接头内有金属尖端或密封电缆头周围有严重的缺陷，即使用12 U0～16 U0直流电压试验也不可能检出。
c)由于XLPE的高绝缘电阻和相应的空间电荷效应，尚不能排除在直流电压下会造成XLPE电缆绝缘非故意的预先损伤。直流耐压试验时形成的空间电荷，可造成电缆在投入交流工作电压运行时击穿，或附件界面因积聚电荷而沿界面滑闪。
2 调频串联谐振装置实例
传统的直流电压试验存在着严重缺点，必须寻求新的较为有效的试验方法。非常自然的、符合绝缘机理的倾向，是采用交流电压试验方法，关键是要开发新型的交流电压试验设备。本文将详细介绍由西门子柏林电力电缆厂等研制的8 MVA，160 kV调频串联谐振试验装置。
2.1 移动式
调频串联谐振装置设计的首要目的是试验安全、简便和快速，整个试验设备均安装在低底架的大卡车上。最重的组件是电抗器，重156.8 kN。车辆总重量约400 kN。
2.2 试验电压连接线
电源电压经OHL门架的户外终端和变压器的输出端或气体绝缘开关(GIS)而馈电至用户的电缆线路。通常连接到试验设备的电抗器，包括可接至户外套管或试验电缆的插入式浇注树脂绝缘管。内部绝缘为SF6，以便能够快速、安全和干燥地装配。
1—带有固定电感的电抗器，并可改变电压输出；2—户外终端；3—已装在电缆盘上的试验电缆，带有符合IEC859的开关设备的密封终端；4—馈电连接电缆；5—SF6气体充气站；6—用液压驱动的起吊机；7—控制室；8—户外终端运输用的贮存器
2.3 户外套管
户外套管的户外部分有防水硅橡胶裙边，并模铸在耐压的增强玻璃纤维塑料支撑管上。户外套管的内部，导体是用交联聚乙烯绝缘并用硅橡胶电容式应力锥来控制场强。附加的内部绝缘为SF6。这种结构使安装比较容易，此外，试验也不会受天气的影响。
户外套管装在电抗器上，用柔软的铜导线接至被试电缆线路的户外密封终端。如果该铜导线很长或沿着曲折的途径，则应采用绝缘子来支撑。
2.4 GIS馈电的试验电缆
如果被试电缆和系统端接在GIS(气体绝缘开关设备)内，则电源馈电线可接至为试验而特殊安装的连接器壳体，壳体尺寸符合IEC 859要求。
两端都有密封终端的试验电缆绕在电缆盘(安装在车上)上，而且可拉开至70 m长。用电子器件控制电缆盘的传动机构使敷设试验电缆时达到灵活而且支撑牢固。用试验电缆可接至现场GIS附近的任何地方。
试验电缆的密封终端，与户外套管一样都是充以SF6气体，确保装配工作简易和安全。
2.5 初级电源的连接电缆
在大多数使用场合，试验电源均从用户的系统获取。根据被试电缆的长度和电容，视在功率可能需要达200 kVA。但是，在很多的试验场合下，可能仅仅需要电源视在功率小于50 kVA。为此，运输车还有装在电缆盘上的连接电缆，长度200 m。
在所接入的电源负荷较大的场合或者馈电位置远离公用电源系统时，本移动式大容量调频串联谐振装置还添加有可灵活移动的发电机。
2.6 绝缘气体源的环境安全
运输车上有SF6气体充气站，提供所需的SF6气体以及充气至密封终端的真空和压力系统，并提供可排气和再充气5 MPa的压力容器。
2.7 在运输车上起吊工作
户外终端或试验电缆密封终端安装至电抗器需要质量达100 kg的起重机。起重机也安装在拖车上。这样，在用户的现场就可直接进行工作而不受其他任何辅助设备的限制。
在开始安装的时候，通常不可能与用户的电网相连接。因此，起重机由直流电动机液压驱动，直流电动机由拖车上的蓄电池供电。这样，进行试验的准备工作不会有任何延误。
2.8 设备控制和用户操作室
运输车是按成套移动式调频串联装置而设计的，适用于户外使用。因此，也装有宽敞的测试间。其内包括电子器件控制设备，计算机控制的联机装置以及容纳操作和观察人员的足够空间。用户能在各种气候条件下从事试验，而且便于试验时做记录或试验全部结束后立即编写试验报告。
3 运行经验
本试验装置自研制成功后，已用于110 kV XLPE绝缘电缆线路的现场试验，并取得初步有效运行经验。
自从1996年以来，已在高压电缆线路进行交流电压试验。大约80%的试验连接是经由户外密封终端而进行的，约20%则是经由GIS开关装置进行。在已试验的电缆线路中，长度最长的约3.8 km，最高试验电压为160 kV，仅利用试验设备最大功率的50%。这意味着还可以试验更长的电缆线路。
经由户外密封终端可方便地把交流电压馈电至被试电缆线路。接线方式如图2所示。利用铜导线把电抗器的电压输出接至电缆密封终端。
4 结束语
用于长距离电缆线路的交流电压试验，需要相当大和重的试验设备。为此，以往的XLPE电缆都是采用直流电压试验。高压XLPE电缆线路的运行经验表明，采用直流电压耐压试验不能有效地检出XLPE电缆缺陷，特别是有缺损的XLPE电缆附件。这一点已取得国际共识，采用更有效的试验方法势在必行。
通过对工频串联谐振试验装置的研究和试制，已获得一种适合于XLPE绝缘电缆和附件的试验方法，即施加工频或接近工频的交流电压，在电缆及附件上产生的电场分布与实际运行工作电压下的电场分布相同，能够比较有效地检出XLPE电缆及附件缺陷，并逐步成为各国用作XLPE绝缘电缆线路的现场试验方法。
本文所介绍的新型调频串联谐振试验装置，是把供电电源、产生试验能量的主设备、连接至电缆线路的专用连接线和控制单元等所有组件全部安装在低底架的拖车上。这样就能机动灵活便于运作。迄今，最频繁使用的是把试验电压接至户外密封终端，也进行过把交流电压经由试验电缆而馈电至符合IEC 859的GIS开关设备。运行经验表明，该装置的电气系统和连接技术两者的研制都是令人满意的，而且可对高压XLPE绝缘电缆线路进行既可靠又经济的交流电压试验。
综上所述，开发并应用适合现场试验的交流高压试验装置具有现实意义。我们要借助国外的经验，加强试验设备研制开发，加强试验技术的研究，希望高压XLPE绝缘电缆线路的现场试验会有突破性成就。
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