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摘要

SF6断路器微水在线监测仪以PIC16F877单片机作为处理器，来实现实时监测SF6气体的温度、湿度及压力，从而得知断路器的运行状态。

对由于SF6气体本身原因引起的绝缘故障做出有效应对，进而保证电网的运行安全。

本次设计的SF6断路器微水在线监测系统的基本原理为：

将湿度、温度、压力传感器通过连接器件连接到SF6气室，测量气室内SF6气体的湿度、温度、压力。

所测模拟量送入PIC16F877单片机，通过A/D转换,数据分析，实施数据越限报警，并用LCD显示温度、压力以及湿度。

下位机与上位机的通讯遵循MODBUS通讯协议，生成标准通信数据包。

数据包通过M-BUS总线送入上位机，进行计算机实时监控。

关键字：

PIC16F877单片机；M-BUS总线；软件编程；

Abstract

SF6circuitbreakersmonitoronlinesystemusesthePIC16F877microcontrollerasaprocessor,toachievereal-timemonitoringofSF6gas’stemperature,humidityandpressure,andtokowntherunningstateofcircuitbreakerssothatpeoplecouldeffectivelydealwiththeinsulationfaultcausedbySF6gasitself,andensurethesaftyofthepowersupplysystem.

Inthisdesign,thebasicprinciplesofSF6circuitbreakercanbesummarizedasthatthehumiditysensor,temperaturesensorandpressuresensorareconnectedtotheSF6gasroombythejointer,whichcansurveythehumidity,temperature,pressureofSF6gas.themeasuredanaloggothroughtheA/Dconversion,dataanalysisinthePIC16F877microcontroller,toimplementdataoverrunalarmanddemonstratetemperature,pressureandhumidity.TheinformationtransmissionbetweenslavesandthemastergeneratesastandardcommunicationpacketsbasedonMODBUSprotocoltoachievereal-timecontrol.

Keyword:

PIC16F877microcontroller;M-BUSbus;softwareprogramming;

第一章绪论

目前，社会对电力的需求越来越大。

在电力系统向超高压、大电网、大容量和自动化方向发展的同时，用于关合及开断电力线路，以输送和倒换电力负荷以及从电力系统中退出故障设备以保证系统安全运行的高压开关就显得尤为重要了。

由于SF6气体具有优良的绝缘、灭弧性能以及SF6气体在绝缘组合电器中所体现出的优越性，近30年间SF6气体在高压电气设备中的应用取得了惊人的进展。

但也是由于SF6气体的缘故，空气中的水分能对SF6断路器产生很大的影响。

如产生毒性化合物，对设备的绝缘产生危害，降低开关的机械性能等。

本次设计的SF6断路器微水在线监测仪系统包括现场设备监测和远程通信两大部分。

其中现场的数据采集和具体任务的执行是由单片机来实现的，而现场和控制计算机之间的通信则借助于M-BUS总线实现，在软件通信技术的支持下完成信息的交换。

SF6断路器微水在线监测系统的主要任务是，及时、准确的掌握SF6气体在设备中温度、湿度与压力，周期性检测设备内的湿度，以便及时发现设备内部的潜在问题并采取相应预防措施，保证设备的可靠运行。

1.1选题背景　

　SF6气体具有优良的绝缘性能,用作许多高压电气设备的绝缘介质。

但是其绝缘强度与其湿度（微水含量）有着密切的关系.当SF6气体中含水量较多时,一方面SF6气体的电弧分解物在水分参与下会产生很多有毒物质（如氟化亚硫酸、氢氟酸等）,腐蚀断路器内部结构材料并威胁检修人员安全;另一方面,由于水分凝结,湿润绝缘表面,将使其绝缘强度下降,威胁运行安全。

所以,对SF6进行湿度监测具有重要的意义。

SF6断路器具有断口电压高、开断能力、允许连续开断的次数较多，噪声低和无火花危险，而且断路器尺寸小、重量轻、容量大、不需要维修或少维修。

这些优点使传统的油断路器和压缩空气断路器无法与其相比，在超高压领域中几乎全部取代了其他类型断路器；另外在中压配电方面，六氟化硫断路器具有在开断容性电流时不重燃，以及开断感性电流时不产生过电压等优点，正逐步取代其他类型的断路器。

六氟化硫断路器的优良性能得益于SF6气体良好的灭弧特性。

SF6是无色、无味、无毒，不可燃的惰性气体，具有优异的冷却电弧特性，介电强度远远超过传统的绝缘气体。

在均匀电场下，SF6的介质强度为同一气压下空气的2.5—3倍，在4个大气压，其介质电强度与变压器油相当。

由于SF6的介质强度高，对相同电压级和开断电流相近的断路器，SF6的串联断口要少。

例如：

220kV少油断路器要4个断口，500kV少油开关要6-8个断口，而220kVSF6断路只要1个断口，500kVSF6断路器只要3-4个断口。

一是因为SF6的分子量大，比热大，其对流的传热能力优于空气，二是SF6在高温下的分解特性，在分解反应过程中吸收能量。

SF6这种优良导热性能，是形成SF6灭弧性能的原因之一；另外，SF6吸附自由电子而形成负离子的现象也是其成为优良灭弧介质的原因。

常态下，SF6气体无色无味，有良好的绝缘性能和灭弧性能，一旦大气中的水分浸入或固体介质表面受潮，则电气强度会显著下降。

断路器是户外设备，当气温骤降时，SF6气体过量水可能会凝结在固体介质表面而发生闪络，严重时造成断路器发生爆炸事故。

纯净SF6气体，在运行中，受电弧放电或高温后，会分解成单体的氟、硫和氟硫化合物，电弧消失后会又化合成稳定的SF6气体。

当气体中含有水分时，出现的氟硫化合物会与水反应生成腐蚀性很强的氢氟酸、硫酸和其他毒性很强的化学物质等，危及维护人员的生命安全，对断路器的绝缘材料或金属材料造成腐蚀，使绝缘劣化，甚至发生设备爆炸。

　　SF6气体微水超标的原因，主要有以下六个方面：

　　1.SF6气体新气的水分不合格。

造成新气不合格的原因，一是制气厂对新气检测不严格，二是运输过程中和存放环境不符合要求，三是存储时间过长。

　　2.断路器充入SF6气体时带进水分。

断路器充气时，工作人员不按有关规程和检修工艺操作要求进行操作，如充气时气瓶未倒立放置；管路、接口不干燥或装配时暴露在空气中的时间过长工等导致水分带进。

　　3.绝缘件带入的水分。

厂家在装配前对绝缘未作干燥处理或干燥处理不合格。

断路器在解体检修时，绝缘件暴露在空气中的时间过长而受潮。

　　4.吸附剂带入的水分。

吸附剂对SF6气体中水分和各种主要的分解物都具有较好的吸附能力，如果吸附剂活化处理时间短，没有彻底干燥，安装时暴露在空气中时间过长而受潮，吸附剂可能带入数量可观的水分。

　5.透过密封件渗入的水分。

在SF6断路器中SF6气体的压力比外界高5倍，但外界的水分压力比内部高。

例如，断路器的充气压力为0.5Mpa，SF6气体水分体积分数为

，则水的压力为

，外界的温度为20℃时，相对湿度70%，则水蒸气的饱和压力为

，所以外界水压力比内部水分高

倍。

而水分子呈V形结构，其等效分子直径仅为SF6分子的0.7倍，渗透力极强，在内外巨大压差作用下，大气中的水分会逐渐通过密封件渗入断路器的SF6气体中。

　　6.断路器的泄漏点渗入的水分。

充气口、管路接头、法兰处渗漏、铝铸件砂孔等泄漏点，是水份渗入断路器内部的通道，空气中的水蒸气逐渐渗透到设备的内部，因为该过程是一个持续的过程，时间越长，渗入的水份就越多，由此进入SF6气体中的水份占有较大比重。

要完全清除SF6断路器内SF6气体的水分是不可能的，但是掌握SF6气体微水超标的原因，及时监测SF6断路器内的湿度，采取相应的预防控制措施，减少SF6气体中的水分，可以保证和提高断路器的安全运行可靠性。

1.2主要设计（研究）内容

现场电气设备中的SF6气体并非总是纯净的，其性能也就不能等同于纯净气体。

微水超标（即湿度超标）的危害表现在以下几个方面:

（1）水分引起SF6气体分解物化合反应产生毒性化合物。

（2）水分引起设备的化学腐蚀

（3）水分对设备的绝缘产生危害

（4）水分影响开关的开断性能

（5）水分降低开关的机械性能

由于以上这些原因，所以对SF6气体水分含量进行在线监测，及时发现设备内部的潜在问题并采取相应预防措施，对提高设备的安全健康运行水平具有重要意义。

本次设计的主要内容有以下几点：

（1）具有微水、气体压力、温度在线监测功能；

（2）具有当地显示功能，能够实时显示温度、湿度、压力值；

（3）具备数据超限报警功能；

（4）具备掉电参数保护功能，上电后参数恢复功能；

（5）能够遵循MODBUS通讯协议，生成标准通信数据包；

（6）能够接收解读上位管理机的通讯包，完成当地的报警解除与参数设定功能；

1.3系统主要技术指标

本系统所实现的主要技术指标如下:

1）各参数测量范围为：

温度：

－40℃～+60℃；测量误差不大于±0.2℃；

湿度：

2～40,000uL/L；测量误差不大于2uL/L；

压力：

0.01～1Mpa；测量误差不大于0.01Mpa；

2）实时采集周期＜＝1次/1分钟，发送周期＝1次/1小时；

1.4解决的关键问题

本系统的技术关键在于研制和寻找适合现场条件的湿度、温度、和压力传感器，该传感器是整个在线监测装置的核心。

测量数据的处理与传送也是在线监测的关键。

在线监测装置的结构设计与加工同样非常重要。

如何将监测装置与SF6电气设备连接起来，并且确保设备密封性能良好，不发生气体泄漏对于装置运行来说是必要条件

第二章系统总体结构方案设计

2.1系统总体结构及其功能

设计总体结构如图2-1所示。

图2-1以单片机为处理器的系统框图

下位机负责数据采集、数据处理、报警以及接收并处理系统的控制命令。

下位机首先收集安装在现场的湿度传感器、温度与压力传感器的实时数据并进行数据处理,然后根据数据库中定义的越限条件判别事故的发生与否,在事故发生时将产生一个当地报警提示（红灯闪烁）。

下位机还负责采集数据的实时保存与实时显示。

上、下位机采用半双工通信，基于M-BUS总线，遵循MODBUS通讯协议。

下位机位于被叫地位，可独立运行。

即使上位机故障，下位机亦可进行数据的实时采集、实时显示、报警提示，保证系统数据的完整性和不停机运行。

下位机地址由上位机设置。

2.2方案设计

SF6断路器微水在线监测仪可采用以下两种方案：

处理器基于单片机的微水监测仪，处理器基于可编程控制器PLC的微水监测仪。

2.2.1方案一

方案一采用单片机作为微水监测仪的处理器

该测控器与上位机的通信是基于M-BUS总线传输实现。

该系统利用液位传温度感器、压力传感器、湿度传感器实时采集温度、压力、湿度，经由单片机AIN口进入10位模数转换器ADC，转换成相应的数字量，再由计算程序计算出相对湿度，因为湿度与压力和温度都有很大的关系。

根据上位机的设定值，来比对湿度是否超限，若超限则报警。

该系统采用LCD实现实时当地显示，并可以将温度、压力、湿度信息采样发送到监控中心。

同时，该系统也可通过监控中心对现场实现远程参数设置。

2.2.2方案二

方案二采用可编程控制器PLC作为微水在线监测仪的处理器，系统框图如下所示：

图2-2以PLC为处理器的系统框图

该方案的下位机与上位的通信采用可编程控制器生产商提供的通信协议，实现将SF6断路器室内的状态发送到监控中心。

同时，系统通过该协议实现监控中心远程对现场进行参数设置。

该协议符合国际标准——IEC1131标准。

PLC可识别三种信号：

开关量、模拟量和数字量。

该系统由压力传感器、温度传感器、湿度传感器对这三个量进行监测，输出信号经变送器转换为标准模拟信号以供PLC识别。

该方案的人机交互采用的硬件为触摸屏，触摸屏可方便的实现现场数据修改与实时当地信息显示。

PLC控制器内部对各种输入输出信号的处理由软件程序实现，用户程序线性的存储在监控程序指令的存储区间内，它的最大容量有监控程序所限制。

2.3方案论证

方案一与方案二都是使用传感器将压力、温度、湿度转换成模拟电信号，将其进行A/D转换、计算，并同时显示在显示屏上；

方案一与方案二处理芯片不同：

前者为单片机，后者为可编程控制器PLC。

当需要发送压力、温度和湿度信息时，单片机将采集数据通过M-BUS总线送至上位机，而可编程控制器将数据通过固定的通信协议发送到监控中心。

方案一显示使用的是LCD，键盘为4×4距阵键盘；方案二人机交互采用的硬件为触摸屏。

方案一中单片机集成度高，把中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口（I/O）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上，具有性能高、速度快、体积小、价格低、应用广泛、通用性强等突出优点。

通过不同的程序可实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，但其稳定性和抗电磁干扰能力相较于PLC比较弱。

方案二中可编程控制器PLC抗干扰能力强，编程方便，可在现场修改程序，且PLC接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。

但可编程控制器的价格高昂，在小型设备上应用PLC控制器会由于成本过高，且各种不同生产商的控制器通信协议互不兼容，造成产品推广性差。

2.4方案的确定

1.方案的选择

本次设计考虑到产品的性价比、可实用性和推广性，决定选择方案一。

原因有以下三点：

1）单片机比PLC价格低，同样可以实现功能，故其性价比高。

2）单片机的通讯较之PLC方便很多。

单片机的通讯方式及协议有很多种，选择范围广，而PLC由于各种生产商的通讯协议互不兼容，给通讯造成了很大的障碍。

3）单片机比PLC更易于推广。

2.方案的确定

本次设计选用温度传感器，湿度传感器，压力传感器采集SF6气体的温度，湿度及压力。

单片机选用PIC16F877，它内含8路逐次逼近式10位A/D转换器。

单片机内部的A/D模块将采集到的三个模拟量转换成数字量，并进行运算和比较。

对于压力、温度、湿度超限进行声光报警。

压力值、温度值、湿度值分别由LCD显示。

下位机与上位机的通讯采用M-BUS总线，M-BUS与上位机及下位机的接口电路必须实现电平转换。

上位机对下位机进行控制，但下位机又可独自运行。

上位机对下位机发送的数据进行汇总，分析，控制断路器的运行状态。

超限值由上位机设定，也可由工作人员通过键盘设定。

用键盘手动解除声光报警。

与系统相关的技术方案包括：

传感器的选择、处理器的选择及存储器的扩展方案、串口通讯方案、显示方案、电源方案等。

a）传感器的选择：

考虑到SF6断路器对湿度要求的严格性，传感器首先要求精度高，其次输出信号易处理，容易与单片机传输，再次是价格便宜。

本次设计选用LM35CA温度传感器，HIH-3610湿度传感器，85300OAC压力传感器。

i.温度传感器：

LM35CA是一种高精度集成电路温度传感器，其输出电压与摄氏温度成线性比例关系。

LM35不需要外部校准和调节就具有室温时为±1/4℃、全面温度范围-55～150℃时为±3/4℃的典型精度。

设计要求误差不得大于0.2℃，LM35CA的精度完全满足。

LM35CA的测量范围为-55～150℃，而要求的范围为-40～60℃，故测量范围也满足。

LM35的低输出阻抗、线性输出和它出厂时的精度校准使得它的外接口电路及其简单。

在电源方面，LM35既可以单电源供电又可以双电源供电，其电源电流仅为60uA，因此在静电的空气中它自身的热效应小于0.1℃.因此它满足设计要求。

ii.HIH-3610型电压输出式集成湿度传感器是美国霍尼威尔公司生产的。

它属于线性电压输出式集成湿度传感器，内部包含湿敏电容和湿度信号调理器，能以最简方式构成相对湿度测量仪。

其输出电压不仅与相对湿度成线性关系，还与电源电压成正比，输出电压范围是+0.8～+3.9V。

性能特点如下：

①高精度。

在RH=0～100％、T=+25℃、UCC=+5V的条件下，测量精度可达±2％.

②稳定性好，漂移量小，抗化学腐蚀性强。

它能在高温，有化学液体或气体的环境下正常工作。

③采用+4V～+5.8V电源供电。

当UCC=+5V,电源电流仅为200uA,工作温度范围是-40～+85℃

设计要求误差不得大于2uL/L，而HIH-3610的精度可达±2％，完全满足。

它的抗化学腐蚀性也非常符合SF6断路器的腔体，工作范围也是满足的。

故满足设计要求。

iii.85型高稳定压力传感器是采用微机械加工技术制造的硅压阻式压力传感器，它适用于OEM的应用领域，可测量腐蚀性介质。

这点非常符合SF6断路器内气体的测量。

工作温度范围-40℃～+125℃，存储温度范围-50～+125℃，也满足设计要求中的温度范围-40～+60℃.补偿温度范围-20～+85℃，几乎覆盖整个工作温度范围。

压力非线性±0.1%,也满足设计要求。

输出为0～100mV,与微机连接还需要放大信号。

总之它能满足设计要求。

b）处理器的选择方案：

根据该系统选用的传感器都是模拟输出，需要A/D转换，以及系统的存储量大，掉电保护功能，通讯技术，中断等的实际要求，本次设计采用美国微芯公司开发的PIC16F877单片机。

PIC16F877单片机集成了许多外围模块，可以简化外围电路，提高硬件的可靠性。

c）串口通讯方案：

本监控模块通过M-BUS总线收发数据，是因为M-BUS总线有诸多优点，低成本，简单可靠，传输线路长等。

由于单片机的工作电平为5V，而PC机RS-232串口电平为-12V到+12V，要实现单片机和上位机通讯，中间需要通过电平转换。

M-BUS总线的一个重要特征是它有自己独特的电平特征。

d）显示方案：

显示采用128×64液晶显示屏，并行通讯。

e）电源方案：

本设计中的电源主要有两种：

、±5V和+12V。

±5V为单片机的模拟电源与数字电源，以及传感器电源；+12V的电源是供给运算放大器使用的。

第三章系统的硬件设计

本系统的数据采集终端主要由传感器、数据采集、数据处理、数据存储、串行通信接口、M-BUS等几部分组成。

下面将具体介绍监控终端各个主要组成部分的功能、选型以及具体连接方式。

3.1单片机

单片机亦称单片微型电脑或单片微型计算机，在国际上统称为微控制器，就是把中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、输入/输出端口I/O等主要的计算机功能部件，都集成在了一块集成电路芯片上，从而形成一部完整的微型计算机。

单片机是大规模集成电路在技术发展的结晶。

单片机具有性能高、速度快、体积小、价格低、稳定可靠、应用广泛、通用性强等突出优点。

3.1.1PIC16F877单片机特点

PIC16F877单片机是美国微芯公司所生产的PIC系列单片机之一。

它硬件结构设计简洁，指令系统设计精炼。

有以下几个特点：

1.哈弗总线结构

在PIC系列单片机中采用的这种“哈弗总线结构”，就是在芯片内部将数据总线和指令总线分离，并且采用不同宽度。

这样做的好处是，便于实现全部指令提取的流水作业，也就是在执行一条指令的同时对下一条指令进行取指操作；便于实现全部指令的单字节化、单周期化、从而有利于提高CPU的执行速度。

2.指令单字节化

因为数据总线和指令总线是分离的，并且采用了不同的宽度，所以程序存储器ROM和数据存储器RAM的寻址空间是相互独立的，而且两种存储器宽度也不同。

这样设计不仅可以确保数据的安全性，还能提高运行速度和实现全部指令的单字节化。

3.精简指令技术

PIC系列单片机的指令系统只有35条指令。

这给指令的学习、记忆、理解带来了很大的好处，也给程序的编写、阅读、调试、修改、交流带来了极大地便利。

4.寻址方式简单

PIC系列单片机只有4种寻址方式，即寄存器间接寻址、立即数寻址、直接寻址和位寻址，比较容易掌握。

5.代码压缩率高

1k字节的存储空间，对于像MCS-51这样的单片机，大约只能存放600条指令，而对于PIC系列单片机能够存放的指令条数可达1024条。

6.运行速度高

由于采用哈佛总线结构，以及指令系统的读取和执行采用流水作业方式，使得运行速度大大提高。

7.功耗低

PIC系列单片机的功率消耗极低，是目前世界上功耗最低的单片机品种之一。

其中PIC16F877在4MHz时钟下工作时耗电不超过2mA，在睡眠模式下耗电可以低到1μA以下。

8.驱动能力强

I/O端口驱动负载的能力较强，每个I/O引脚吸入和输出电流的最大值可分别达到25mA和20mA，能够直接驱动发光二极管LED、光电耦合器或者微型继电器等。

9.I²C和SPI串口总线端口

PIC16F877具备I²C和SPI串口总线端口。

利用单片机串行总线端口可以方便灵活的扩展一些必要的外围器件。

10.寻址空间设计简洁

PIC系列单片机的程序、堆栈、数据三者各自采用相互独立的寻址空间，而前两者的地址安排不需要用户操心。

11.外界电路简洁

PIC系列单片机机片内集成了上电复位电路、I/O引脚上拉电路、看门狗定时电路等，可以最大程度地减少或免用外接器件，以便实现“纯单片”应用。

这样，不仅方便于开发，而且还可以电路板空间和制造成本。

12.PIC16F87X系列可实现在线编程和在线调试。

PIC16F877除了具有以上这些优点外，它片内还带有64、128或256字节的EEPROM数据存储器，另外其程序存储器不再是传统的OTP型，而是Flash型存储器。

这种存储器可以实现在电路板上直接擦/写程序，自然是最适合制作经济型在线调试器的一种型号。

3.1.2外围电路

图3-1时钟电路

1时钟电路：

单片机内部的各种功能电路几乎全部是由数字电路构筑而成的。

大家知道，数字电路的工作离不开时钟信号，每一步细微动作都是在一个共同的时间基准信号协调之下完成的。

作为时基发生器的时钟振荡电路，为整个单片机芯片的工作提供系统时钟信号，也为单片机与其它外接芯片之间的通讯提供可靠地同步时钟信号。

微芯为PIC系列单片机的时钟电路设计了四种工作模式：

标准XT、高速HS、低频LP和阻容RC。

本次设计选择标准XT，时钟电路由一个晶振和两个小电容组成，晶振选用4MHz，电容为15pF。

其接口电路图如图3-1所示：

2外部复位电路：

所谓复位，就是让微处理器进入一个初始化程序，使CPU恢复初始状态。

图3-2外部复位电路

PIC16F877的复位功能设计的比较完善，实现复位或者说引起复位的条件和原因可以归纳为四类：

人工复位、上电复位、看门狗复位、欠压复位。

这四个情况中的其中一个发生都会引起单片机复位。

本次设计考虑到在单片机运行到我们不希望的状态下或着死机的情况下，需要人工复位按钮强行迫使单片机复位。

故选择外接人工复位电路。

其接口电路如3