基于msp430的高壓電力設(shè)備早期放電故障檢測儀-低功耗應(yīng)用

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　本項(xiàng)目主要是實(shí)現(xiàn)了對高壓電力設(shè)備早期放電故障的檢測，通過非接觸方式，實(shí)現(xiàn)了對高壓電老化絕緣子等設(shè)備的定位。由于老化絕緣子在高壓電的作用下產(chǎn)生電暈顯現(xiàn)并伴隨紫外光的輻射，通過搭建光學(xué)設(shè)備，檢測太陽盲區(qū)的紫外光，再經(jīng)過光電倍增管實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換和電信號的放大。再經(jīng)電路信號放大、甄別電路、數(shù)字積分、脈沖計數(shù)等實(shí)現(xiàn)對信號的處理，通過LCD顯

2、示、報警電路等實(shí)現(xiàn)可視化操作。</p><p><b>　　·Abstract</b></p><p>　　This project is to achieve the detection of early discharge of high voltage electrical

3、 equipment’ failure, by non-contact manner, the positioning of aging on the high-voltageinsulators and other equipment. Aging insulator in the role

4、60;of high-voltage coronaappeared accompanied by UV radiation, to build optical devices, monitoring of solarblind UV photoelectric conversion and signal amplifi

5、cation, and then through thephotomultiplier tube. Circuit signal amplification, screening circuit, digital in</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　1.1系統(tǒng)設(shè)計的背

6、景</p><p>　　隨著國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)、快速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模迅猛擴(kuò)大，目前我國無論是裝機(jī)容量還是年發(fā)電量都居于世界前列。對于電力系統(tǒng)，其安全運(yùn)行是首要任務(wù)，關(guān)乎國民經(jīng)濟(jì)能否正常發(fā)展。隨著電力設(shè)備電壓等級不斷提高，高壓線路總長度飛速增加，絕緣材料使用越來越多，</p><p>　　在經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展下，各種工農(nóng)業(yè)污染物也不斷增多，以及由于環(huán)境的破壞造成的極端天氣因素，使電力線路和設(shè)備的絕緣材

7、料惡化越來越嚴(yán)重，造成的危害也越來越大。表現(xiàn)為是電力設(shè)備的老化出產(chǎn)生電暈放電問題現(xiàn)象。電暈放電是指當(dāng)電極附近電場強(qiáng)度增大到一定數(shù)值后導(dǎo)致周圍氣體（通常是空氣）局部電離，而產(chǎn)生的一種自持放電現(xiàn)象。目前，電暈放電造成的絕緣事故已占到電力系統(tǒng)事故的第二位，僅次于雷害事故。電暈放電造成事故的同時，還伴隨著能量的損失，而且電暈產(chǎn)生的高頻脈沖電流和電磁輻射信號，對無線電通信、電視信號傳輸?shù)仍斐珊艽蟮挠绊?。因此電暈放電紫外信號的檢測對于提高電力系統(tǒng)運(yùn)

8、行的安全性具有重要作用。</p><p>　　1.2 系統(tǒng)設(shè)計的目的</p><p>　　電力設(shè)備絕緣狀況惡化是一個電暈放電逐漸加劇的過程，若及時對電暈放電進(jìn)行檢測，并采取適當(dāng)措施，就能夠有效避免避免事故的發(fā)生，從而保障電網(wǎng)運(yùn)行的安全性。</p><p>　　鑒于電暈放電會輻射光子，其波段主要在200-380nm的紫外區(qū)域，從而為檢測電暈放電強(qiáng)度提供了新的思路。但是

9、由于國內(nèi)與西方國家在電暈紫外成像檢測技術(shù)上的差距巨大以及技術(shù)封鎖，使得我們不能借鑒國外的成像檢測技術(shù)，但是在紫外非成像探測技術(shù)方面，也有極少數(shù)單位做出了積極有益的嘗試，但目前單元探測儀在超低功耗方面存在一定的不足，因此研制出的非成像儀器不宜作為手持設(shè)備使用。</p><p>　　本課題擬采用超低功耗單片機(jī)MSP430作為核心處理器，完成電暈紫外信號測試系統(tǒng)的硬件開發(fā)。除了電暈紫外探測以外，紫外探測技術(shù)在紫外通信、

10、生物化工、環(huán)境檢測等領(lǐng)域中有著非常廣闊的應(yīng)用前景，可以對相關(guān)行業(yè)起到助推作用。</p><p>　　1.2 所要解決的主要問題</p><p>　?、抛贤馓綔y器的驅(qū)動電路設(shè)計。</p><p>　　⑵紫外信號的預(yù)處理電路設(shè)計。包括一級放大、二級放大、AD轉(zhuǎn)化等電路，實(shí)現(xiàn)對信號數(shù)字積分。</p><p>　　⑶紫外信號的單片機(jī)采集與顯示設(shè)計。&

11、lt;/p><p><b>　　⑷超低功耗設(shè)計。</b></p><p><b>　　系統(tǒng)方案 </b></p><p>　　2.1.MCU處理部分</p><p>　　設(shè)計基于MSP430F5438單片機(jī)的信號采集系統(tǒng)，并且添加按鍵部分、顯示部分和警報部分（蜂鳴器），實(shí)現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制和對采集的信號

12、的處理。</p><p>　　2.2.設(shè)計基于光電倍增管為傳感器的紫外信號的測量</p><p>　　設(shè)計以光電倍增管為紫外探測的傳感器部分硬件電路，通過采集電暈輻射的日盲紫外光信號，實(shí)現(xiàn)對電暈信號的檢測。</p><p>　　2.3.將測量的紫外系信號分別進(jìn)行放大和數(shù)字積分處理</p><p>　　通過光電倍增管后，紫外信號從光信號轉(zhuǎn)化為脈

13、沖電信號，再通過一級放大、次級放大、二級放大、AD轉(zhuǎn)化等電路，實(shí)現(xiàn)對脈沖電信號的計數(shù)和數(shù)字積分。</p><p>　　2.4.對信號進(jìn)行采集</p><p>　　通過MSP430對電暈紫外信號進(jìn)行采集，并完成采集數(shù)據(jù)的液晶顯示。 </p><p><b>　　2.5.低功耗設(shè)計</b></p><p>　　通過設(shè)計合理的

14、電源關(guān)系系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗</p><p><b>　　系統(tǒng)硬件設(shè)計</b></p><p>　　3.1 前端慮光系統(tǒng)</p><p>　　高壓設(shè)備放電產(chǎn)生的紫外線大部分波長在280nm-400nm的區(qū)域內(nèi)，也有小部分波長在230-280nm。但只能通過特定的濾光片（本系統(tǒng)選擇230-280nm波長的濾光片）檢測在日盲區(qū)（波長范圍在190n

15、m-280nm之間）內(nèi)的紫外強(qiáng)度，來檢測電暈放電強(qiáng)度。</p><p><b>　　3.2 光電倍增管</b></p><p>　　本系統(tǒng)選用波長為頻譜回應(yīng)為160nm-320nm型號為HAMAMATSU R7154的PMT（光電倍增管），實(shí)現(xiàn)從光信號到電信號的轉(zhuǎn)換并放大。光電倍增管及驅(qū)動電路見圖2。</p><p>　　3.3 放大電路及濾波

16、電路</p><p>　　本系統(tǒng)中,采用兩級放大電路以及一級濾波電路，均采用OPA890型號運(yùn)放，是因?yàn)樵撔吞栠\(yùn)放1.1mA的靜態(tài)電流，帶有禁用功能，并且在禁用狀態(tài)下，運(yùn)放僅消耗30uA的電流，符合本系統(tǒng)低功耗的設(shè)計要求。再次，該型號運(yùn)放115M的帶寬增益積滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。</p><p>　　一級放大電路采用1至10倍可調(diào)反向放大設(shè)計，將來自光電倍增管的信號進(jìn)行方向放大至合適倍數(shù)。&l

17、t;/p><p>　　濾波電路將低于1KHz的低頻噪聲濾除再送入次級放大電路，放大至合適倍數(shù)送入AD采樣電路實(shí)現(xiàn)信號采樣。3.4 AD采樣電路</p><p>　　本系統(tǒng)采用AD9280作為采樣芯片，因?yàn)樵撔酒哂?2M高帶寬，工作僅96mW功率，并且?guī)leep功能，符合本系統(tǒng)的低功耗設(shè)計要求。</p><p>　　該電路實(shí)現(xiàn)對二級放大后的信號進(jìn)行AD采樣，轉(zhuǎn)化為數(shù)

18、字信號并將其送至MCU進(jìn)行信號處理。</p><p><b>　　3.5 溫濕度測量</b></p><p>　　本系統(tǒng)采樣集成模塊dht11，實(shí)現(xiàn)方便，精度適宜，成本低廉，見圖3</p><p><b>　　3.6 主控芯片</b></p><p>　　本系統(tǒng)采用MSP430F5438A芯片為主控

19、芯片，是由于其有25M的系統(tǒng)時鐘，超低功耗，具有硬件乘法器，DMA技術(shù)等。</p><p><b>　　3.7 電源管理</b></p><p>　　系統(tǒng)已5V為總輸入電源，再經(jīng)過升降壓芯片形成圖4的供電電路。其中15V采用美信的MAX618 DC-DC芯片、3.3V和2.5V采用TI的TPS622260型號芯片，5V采用MAX8640芯片。芯片選型原則是，待用Sle

20、ep功能，高的轉(zhuǎn)換效率，價格適宜。</p><p><b>　　系統(tǒng)軟件設(shè)</b></p><p>　　本系統(tǒng)設(shè)計，主要分為兩部分：電源管理和信號處理兩部分。實(shí)現(xiàn)了高效率的電源管理。以及信號處理。通過時鐘中斷形式，是程序成為實(shí)時系統(tǒng)。其中每隔10分鐘測量一次溫濕度、每隔0.1S測量一次距離、每隔1ms測量一次信號。在其他時刻，將各個部分的電源關(guān)閉以實(shí)現(xiàn)低功耗的要求。&

21、lt;/p><p><b>　　系統(tǒng)創(chuàng)新</b></p><p><b>　　本設(shè)計的創(chuàng)新點(diǎn)是：</b></p><p>　　1、使用MSP430單片機(jī)作為主控芯片，充分利用了其低功耗和硬件乘法器快的優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　2、能夠結(jié)合溫濕度和探測距離參數(shù)實(shí)時給出電暈源處的紫外輻射強(qiáng)度，測量數(shù)據(jù)更加

22、準(zhǔn)確和客觀。</p><p>　　3、儀器能夠?qū)收显催M(jìn)行定位。</p><p>　　4、相比現(xiàn)有的電暈紫外成像儀具有更小的體積、更低的成本，儀器便攜性強(qiáng)，易于推廣。</p><p><b>　　評測與結(jié)論</b></p><p>　　1、本系統(tǒng)待機(jī)時刻實(shí)現(xiàn)25mW的低功耗，在測量的時候?qū)崿F(xiàn)平均功耗100mW。基本實(shí)現(xiàn)低