劉亭亭 張?zhí)?郭曉琪 盛程相 李天擇 從蘭美

臨沂大學，中國·山東 臨沂 276000

STM32；熱空氣置換法；主動防凝露

1 引言

1.1 研究背景

變電站大多設(shè)置在郊區(qū)，空氣濕度及氣候溫度變化大，地面返潮，開關(guān)室空氣濕度大。另外，高壓開關(guān)柜由鋼板拼接而成，縫隙較多，且開關(guān)柜均為落地式，底部有高濕度的電纜溝[1]。因此，室內(nèi)高壓開關(guān)柜內(nèi)部空氣濕度普遍較高，當某一時間段供電負荷變小時，此時在設(shè)備或絕緣件表面易形成凝露。傳統(tǒng)的加熱器尺寸比較大，不利于在柜內(nèi)布置，若布置不當可能造成安全距離不夠引起絕緣故障，同時水汽很多。線路都是從線路倉的電纜進線進到柜內(nèi)，所以傳統(tǒng)的開關(guān)柜只在線路倉內(nèi)部放置有加熱器，但是由于柜內(nèi)并不是絕對的氣密，所以很多水汽擴散到了其他兩個倉體，尤其是母線倉，出現(xiàn)了凝露現(xiàn)象[2]。

1.2 研究意義

作為當前變電站當中最常使用的電氣設(shè)備之一，高壓開關(guān)柜的運行情況直接影響著變電站各項工作的順利開展。而由于受到環(huán)境溫度、濕度等影響，高壓開關(guān)柜在運行過程中往往容易受凝露的困擾，進而對其安全運行造成了極為不利的影響[3]。凝露現(xiàn)象嚴重影響著10kv 電纜分支箱的安全運行。因此高壓柜自動集成化凝露控制系統(tǒng)的研究極為重要。

1.3 研究現(xiàn)狀

目前，10kV 開關(guān)柜廣泛采用全封閉型中置柜，因其結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便等優(yōu)點，在變電站35kV 及以下設(shè)備中被廣泛應(yīng)用。而高壓開關(guān)柜遇潮濕季節(jié)，在封閉式開關(guān)柜內(nèi)由于水汽的存在會造成凝露現(xiàn)象[4]。近年來，開關(guān)柜因凝露導致的絕緣故障頻發(fā)，輕則發(fā)生異響，重則導致開關(guān)室內(nèi)開關(guān)柜全部燒毀等惡性事故，影響供電可靠性，造成嚴重的經(jīng)濟損失?？傮w來看，可以總結(jié)為以下兩點問題。

（1）目前大多廠家控制電路采用與非門電路來實現(xiàn)，因控制電路是該控制器的關(guān)鍵，影響整個控制器的性能。

（2）驅(qū)動回路采用雙向可控硅控制，功耗高。目前驅(qū)動電路有用繼電器、固態(tài)繼電器，繼電器體積大，功耗高、觸電易損壞，而固態(tài)繼電器價格很高。

2 總體方案設(shè)計與硬件選型

上文對高壓開關(guān)柜的總體設(shè)計構(gòu)架進行了闡述，下面的內(nèi)容是將上文簡述的方案進行具體的落實設(shè)計。

2.1 總體方案設(shè)計

通過電源裝置、時間控制器與智能控制單元連接，智能控制單元通過凝露控制器與凝露傳感器連接，智能控制單元接受信號控制除濕驅(qū)潮裝置，總體如圖1所示。

圖 1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

2.2 硬件選型

2.2.1 主控制器的選擇

使用型號為STM32f103VGT6 的單片機作為主控制器，3 個12 位的s 級的A/D 轉(zhuǎn)換器（16 通道）其測量范圍：0-3.6V，具有雙采樣和保持能力，在片上集成一個溫度傳感器。關(guān)于時鐘和啟動，在啟動的時候還是要進行系統(tǒng)時鐘選擇，但復位的時候內(nèi)部8MHz 的晶振被選用作CPU 時鐘?？梢赃x擇一個外部的4-16MHz 的時鐘，并且會被監(jiān)視來判定是否成功。電源供電VDD，電壓范圍為2.0V～3.6V，外部電源通過VDD 引腳提供，用于I/O 和內(nèi)部調(diào)壓器[5]。集成嵌入式Flash 和SRAM 存儲器的Cortex-M3 內(nèi)核，和8/16 位設(shè)備相比，ARM Cortex-M3 32 位RISC 處理器提供了更高的代碼效率，且支持3 種低功耗模式，從而在低功耗，短啟動時間和可用喚醒源之間達到一個最好的平衡點[6]。

2.2.2 溫濕度傳感器的選擇

一個電阻式感濕元件和一個PCT 測溫元件，電阻式濕度傳感器應(yīng)當最適用于濕度控制領(lǐng)域，其代表產(chǎn)品氯化鋰濕度傳感器具有穩(wěn)定性、耐溫性和使用壽命長多項重要的優(yōu)點；選用PCT 熱敏電阻為感溫元件，該元件在0°時的電阻值為264Ω，制作成溫度傳感器探測頭按圖線化處理后其平均溫度達16Ω/℃左右，采用A/D 轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)、與非門電路很容易實現(xiàn)遠距離多點集中的遙測[7]。

2.2.3 凝露傳感器位置的選擇

由于水蒸氣的密度較空氣密度低，熱空氣密度較冷空氣低，所以系統(tǒng)內(nèi)上部空間的空氣溫度和濕度略高，故將凝露傳感器安裝在隔室的電氣設(shè)備元件集中區(qū)域的上部。

2.2.4 除濕祛潮裝置的選擇

通過布置的管道向高壓柜中送入熱風，采用熱空氣置換法，同時保證柜體內(nèi)部存在輕微的正壓力，使柜體外部或電纜溝內(nèi)的潮濕空氣無法進入開關(guān)柜內(nèi)部。柜內(nèi)外各設(shè)置一個傳感器，同時使除濕祛潮裝置與控制器形成負反饋，當溫度適宜時，使整個裝置處于穩(wěn)態(tài)運行，如圖3所示。

圖 3 除濕祛潮裝置

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

通過分析確定了系統(tǒng)的各個模塊，進行硬件選型分析，并確定了應(yīng)用于設(shè)計的硬件，下面對各個模塊如何實現(xiàn)系統(tǒng)要求進行說明。

3.1 單片機最小系統(tǒng)設(shè)計

整個系統(tǒng)的運行離不開單片機的工作，單片機可以說是整個系統(tǒng)的大腦，其最小系統(tǒng)是完成參數(shù)測量內(nèi)容的核心，每個模塊都是圍繞單片機最小系統(tǒng)構(gòu)建的。

CPU 對采樣信號進行處理計算，根據(jù)測量得到溫濕度值與預先設(shè)定的各種保護數(shù)值進行對比、記錄，由此來判斷開關(guān)柜的溫濕度狀況是否正常，若不正常則驅(qū)動除濕祛潮裝置[8]。外部擴展了鐵電存儲器，用于存儲一些重要的參數(shù)，即使以后升級程序也不會丟失先前的重要數(shù)據(jù)。

3.2 除濕祛潮——送風管道的布置

送風管道的主管道敷設(shè)于一次電纜溝內(nèi)，各開關(guān)柜的支管道通過開關(guān)柜電纜室底部依次延伸至電纜室、斷路器室及母線室，并在各隔室內(nèi)設(shè)置帶防護網(wǎng)的排風口，潮濕空氣由開關(guān)柜頂部泄壓通道處的通風口排出，管道走向及柜內(nèi)氣體流動方向如圖4所示。

圖 4 送風管道示意圖

3.3 報警電路設(shè)計

報警元器件選擇了有源蜂鳴器，在單片機監(jiān)測溫、濕度傳感器，傳感器中有數(shù)值超過預先設(shè)定的值時報警，二極管導通同時蜂鳴器報警。電路圖如圖5所示。

圖5 蜂鳴器電路示意圖

3.4 A/D 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

溫濕度傳感器產(chǎn)生的模擬信號單片機無法直接識別讀取，A/D 轉(zhuǎn)換芯片ADC0832 相當于信號轉(zhuǎn)換器，將模擬信號轉(zhuǎn)換為單片機可以讀取的數(shù)字量信號，STM32 的1 管腳為片選控制位，單片機控制該管腳來操控該芯片，2 管腳和3管腳各為一路輸入信號，4 管腳GND，5 管腳、6 管腳為控制轉(zhuǎn)換芯片進行轉(zhuǎn)換運行和單片機數(shù)據(jù)傳輸?shù)腄I 和DO，8 管腳電源。A/D 轉(zhuǎn)換原理圖如圖6所示。

圖6 A/D 轉(zhuǎn)換原理圖

3.5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖設(shè)計

該系統(tǒng)主要由空氣干燥凈化處理、送風管道及溫、濕度信息采集等部分組成如圖7所示。

圖 7 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

中國在高壓開關(guān)柜中采用自動加熱除濕控制器防止凝露已有十幾年的研究歷史，這種加熱除濕控制器在抗潮濕、防凝露保證高壓設(shè)備可靠運行起到了積極作用，但在有的地區(qū)應(yīng)用中也出現(xiàn)了一些問題。新型高壓開關(guān)柜內(nèi)部空間十分緊湊，為保證在高濕地區(qū)內(nèi)部絕緣水平,保證裝置可靠工作,對柜內(nèi)防潮、防凝露提出了更高的要求。為此，筆者結(jié)合實際需求，系統(tǒng)軟件進行了如下設(shè)計。

4.1 系統(tǒng)總體軟件主程序設(shè)計

CPU 對開關(guān)柜溫濕度進行測量，根據(jù)測量得到溫濕度值與預先設(shè)定的各種保護數(shù)值進行對比、記錄，由此來判斷溫濕度狀況是否正常，若不正常則驅(qū)動除濕裝置動作以達到合適溫濕度[9]，如圖8所示。

圖8 主程序設(shè)計圖

4.2 溫、濕度檢測模塊主程序設(shè)計

溫、濕度需要實時傳輸至單片機，單片機發(fā)出一次至少18ms 的低電平延時和一次20～40us 的延時來觸發(fā)傳感器的工作，傳感器采集后一直將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳遞至單片機，單片機從濕度參數(shù)讀取開始，先采集整數(shù)部分，然后采集小數(shù)部分，溫度參數(shù)也是從整數(shù)部分開始，最后單片機需要將原始數(shù)據(jù)進行處理。

4.3 A/D 轉(zhuǎn)換模塊主程序設(shè)計

ADC0832 工作時要先進行初始化，單片機要求發(fā)送3 次脈沖給A/D 芯片，第一次為起始位，將DI 置高，第二次脈沖后設(shè)置輸入方式，第三次的信號為通道的選擇，完成以上步驟時才可進行采集，采集時采集兩次，第一次從右至左讀取數(shù)據(jù)，第二次從左至右讀取數(shù)據(jù)，最終兩次采集的數(shù)據(jù)相等才可以輸出。為了增加采樣速率，本設(shè)計中A/D 轉(zhuǎn)換芯片采用不斷采集的方式采集數(shù)據(jù)，將每次采集的數(shù)據(jù)都直接放入數(shù)組中，通過按下開始采集的按鍵就可以使電路一直保持在采集狀態(tài)。每次循環(huán)對通道0 和通道1 各采集一次。

5 系統(tǒng)調(diào)試

上節(jié)實現(xiàn)了系統(tǒng)的各個模塊的軟件編程處理，分別滿足了設(shè)計要求并將各個模塊協(xié)調(diào)。本節(jié)將對各個模塊間的連接進行系統(tǒng)調(diào)試，先分別測試模塊的使用性能，最終整合，調(diào)試整個系統(tǒng)的運行，確保系統(tǒng)能正確穩(wěn)定的工作。

5.1 溫濕度模塊調(diào)試

在仿真電路中給溫濕度傳感器設(shè)定好溫度閾值為-65℃—23℃，濕度為85%RH，通過數(shù)碼管觀察顯示的實時溫、濕度值。左側(cè)4位數(shù)碼管為溫度，右側(cè)4位數(shù)碼管為濕度。

5.2 A/D 轉(zhuǎn)換功能調(diào)試

A/D 轉(zhuǎn)換模塊是系統(tǒng)工作的根本，采集電路若不能成功的采集數(shù)據(jù)，后續(xù)處理將無法繼續(xù)進行。本設(shè)計采用兩路通道的傳輸方案，發(fā)送時分別發(fā)送兩個通道的數(shù)據(jù)，所以每個通道都需要單獨調(diào)試來驗證轉(zhuǎn)換的正確性，單獨調(diào)試成功后再將兩路通道同時采集調(diào)試，給系統(tǒng)穩(wěn)定工作提供保障[10]。為了確定轉(zhuǎn)換結(jié)果的正確，調(diào)試時使用不同電壓信號進行調(diào)試，這樣調(diào)試結(jié)果比較直觀。在ADC0832 的通道0 輸入端加5V 的電壓，單片機采集后發(fā)送數(shù)據(jù)，在仿真軟件數(shù)碼管觀察數(shù)據(jù)的實時值。

5.3 整體運行調(diào)試

各個模塊單獨調(diào)試時均通過，整體運行程序測試，溫濕度傳感器模擬器產(chǎn)生模擬量數(shù)值傳輸A/D 轉(zhuǎn)換模塊，A/D 轉(zhuǎn)換模塊傳輸數(shù)據(jù)至單片機，凝露模塊做出相應(yīng)反應(yīng)。

6 結(jié)語

高壓柜自動集成化凝露控制系統(tǒng)在現(xiàn)在化的生活中的需求量越來越大，論文提出的系統(tǒng)的硬件電路及軟件設(shè)計方案，所設(shè)計的凝露控制器能實現(xiàn)系統(tǒng)的控制要求。

本設(shè)計出于成本考慮，優(yōu)先選用了性價比高的元器件，如果換成價格更高更精密的元器件，則可測量的環(huán)境參數(shù)的實時性和精確度還能提高，在此方面的性能還有提升空間。