彭 警,吳世林

（武漢紡織大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院,430000）

基于BH1750FVI的絕緣子灰密測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

彭 警,吳世林

（武漢紡織大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院,430000）

灰密（非可溶沉積物密度，NSDD）是指附著在絕緣子表面不能溶解于水的物質(zhì)除以表面積得到的結(jié)果，用于定量標(biāo)示絕緣子表面非可溶殘?jiān)暮俊Ｍㄟ^(guò)對(duì)高壓設(shè)備外絕緣的表面進(jìn)行灰密測(cè)量，可以了解線路絕緣子的積污情況，確定它是否能承受各種不利因素的影響。本文提出了一種基于BH1750FVI光強(qiáng)傳感器測(cè)量灰密的方法。

灰密；絕緣子；高壓設(shè)備；積污；光強(qiáng)傳感器

1 課題研究的背景及意義

污閃是指電氣設(shè)備絕緣表面附著的污穢物，在潮濕條件下其可溶物質(zhì)逐漸的溶于水，在絕緣表面形成了一層導(dǎo)電膜，使絕緣子的絕緣水平大大降低，在電力場(chǎng)作用下出現(xiàn)的強(qiáng)烈放電現(xiàn)象。在電力系統(tǒng)中，絕緣子是將電位不同的導(dǎo)電體在機(jī)械上相互連接的部件，在輸電線路中起著支撐導(dǎo)線和絕緣的作用，其性能的優(yōu)劣對(duì)整個(gè)輸電系統(tǒng)的安全運(yùn)行起著格外重要的作用。隨著環(huán)境污染的加劇、電力系統(tǒng)的規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及對(duì)供電可靠性要求越來(lái)越高，防止污閃事故的發(fā)生已經(jīng)成為十分重要的課題。

會(huì)導(dǎo)致污閃事故發(fā)生的絕緣子表面污穢物主要由兩部分組成：可溶于水的物質(zhì)和不可溶于水的物質(zhì)。可溶于水的物質(zhì)是具有導(dǎo)電性的各種可溶鹽類，一般采用等值附鹽密度(ESDD, mg/ cm2)表征；不溶于水的物質(zhì)是無(wú)導(dǎo)電性的不溶物質(zhì)，用附灰密度(NSDD, mg/cm2)即灰密表征。目前對(duì)污穢絕緣子導(dǎo)致污閃的研究主要集中在ESDD上，對(duì)NSDD導(dǎo)致污閃的研究比較少。為此，本文提出了一種基于BH1750FVI光強(qiáng)傳感器測(cè)量灰密（NSDD）的新方法，試驗(yàn)結(jié)果表明該方法能有效的劃分污穢的等級(jí)，為高壓線路的調(diào)爬和清掃工作提供了一項(xiàng)重要的依據(jù)，同時(shí)也對(duì)高壓工程絕緣子的選型及污穢外絕緣設(shè)計(jì)以及線路的可靠運(yùn)行具有相當(dāng)大的重知道意義。

2 試驗(yàn)裝置的搭建

2.1 平臺(tái)的搭建

此次項(xiàng)目要求是完成絕緣子中間層上下面灰密測(cè)量，從而達(dá)到判斷絕緣子污染程度的目的。

我們搭建的這個(gè)平臺(tái)分為上下兩個(gè)部分，上半部分是激光發(fā)射端，下半部分為光強(qiáng)傳感器接收端。主要工作原理是：上半部分的激光發(fā)射端產(chǎn)生一束激光穿透玻璃樣片的上、下表面進(jìn)入下半部分的光強(qiáng)傳感器接收端。初始絕緣子沒(méi)有放置玻璃樣片的下半部分光強(qiáng)傳感器接收端記錄了一個(gè)激光光強(qiáng)的初值。隨著玻璃樣片表面灰密的變化，光強(qiáng)傳感器接收端的值也在不斷的變化。通過(guò)比較這個(gè)隨灰密程度變化而不斷變化的的光強(qiáng)衰減值，我們就能得到玻璃樣片的灰密程度。

2.2 激光發(fā)射端的設(shè)計(jì)

激光發(fā)射端我們采用的是650nm 20mw 激光模組。激光光強(qiáng)一般較強(qiáng)，為了使激光發(fā)出的光的光強(qiáng)不至于超出光強(qiáng)傳感器的最大值，我們還自己重新設(shè)計(jì)改良了激光的發(fā)光電路。

改良后的電路可以很方便的改變激光發(fā)出的光的光強(qiáng)，使其初始值不至于超出光強(qiáng)傳感器的采集范圍。同時(shí)為了達(dá)到減少整體系統(tǒng)電路的功耗，我們用MCU的來(lái)控制激光管的開(kāi)關(guān)。只有開(kāi)始測(cè)量時(shí)才將其開(kāi)啟，平時(shí)則為關(guān)閉狀態(tài)。

2.3 光強(qiáng)傳感器接收端的設(shè)計(jì)

光強(qiáng)傳感器接收端，我們采用的是BH1750FVI。BH1750FVI是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路。這種集成電路可以根據(jù)收集的光線強(qiáng)度數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整液晶或者鍵盤(pán)背景燈的亮度。利用它的高分辨率可以探測(cè)較大范圍的光強(qiáng)度變化。

2.4 總體電路和監(jiān)控平臺(tái)的設(shè)計(jì)

總體電路我們采用STC89C51的MCU完成主控工作。其主要工作原理是：MCU控制激光管的開(kāi)關(guān)，從而控制系統(tǒng)是否開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。當(dāng)激光管關(guān)閉時(shí)。系統(tǒng)處于低功耗狀態(tài)，減少系統(tǒng)對(duì)電量的消耗，從而延長(zhǎng)該系統(tǒng)的續(xù)航時(shí)間，使其更加節(jié)能、耐用。為了更加方便的測(cè)量，得到灰密變化與光強(qiáng)值之間的關(guān)系我們還設(shè)計(jì)了專門的監(jiān)控平臺(tái)。通過(guò)監(jiān)控平臺(tái)我們可以實(shí)時(shí)的看到光強(qiáng)值的變化，接下來(lái)我們要做的就是改變絕緣子中間層上下表面的灰密，然后通過(guò)監(jiān)控平臺(tái)獲得該變化對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)值變化，得到一個(gè)相應(yīng)的關(guān)系即可。

3 試驗(yàn)方法

根據(jù)自己搭建的檢測(cè)平臺(tái)和監(jiān)控平臺(tái)我們可以很方便完成灰密變化對(duì)光強(qiáng)值影響的測(cè)量。鑒于目前市場(chǎng)上沒(méi)有灰密測(cè)量對(duì)應(yīng)的樣片出售。所以灰密測(cè)量的樣片都是我們自己制作標(biāo)定。

3.1 玻璃樣片的制作與標(biāo)定方法

截取一組同面積同厚度材質(zhì)的玻璃樣片備用，制定好硅藻土用量表。按硅藻土用量表用分析天平稱取一定量的硅藻土溶于規(guī)定體積的中。然后將其均勻的涂抹于準(zhǔn)備好的玻璃樣片上。重復(fù)以上步驟制定好一系列的灰密測(cè)量樣片。

3.2 光強(qiáng)衰減值的測(cè)量步驟

開(kāi)啟激光管，調(diào)節(jié)到合適光強(qiáng)初值，記下初值。取第一等級(jí)灰密測(cè)量樣片至于激光發(fā)射端和光強(qiáng)傳感器接收端之間，待讀數(shù)穩(wěn)定，記下此時(shí)對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)值。用初值減去這個(gè)值得到對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)衰減值。在每片樣片的合適位置選取五個(gè)測(cè)量點(diǎn)，依次測(cè)量并記錄其光強(qiáng)衰減值，最后計(jì)算出其平均值，提高可信度。依次類推，測(cè)完所有灰密樣片。

4 樣片灰密度的測(cè)量

在每份玻璃樣片的兩塊玻璃的合適位置均截取一個(gè)10*8cm2的區(qū)域并做上記號(hào)。開(kāi)啟電子天平，調(diào)平后校準(zhǔn)置零，放入試紙，去皮后取出。用干燥小毛刷將指定區(qū)域的硅藻土小心刷在試紙上，再放入天平，待讀數(shù)穩(wěn)定后，將數(shù)據(jù)讀取并記錄下來(lái)。將稱得的質(zhì)量除以其對(duì)應(yīng)的表面積即為該樣片的灰密度。依次類推，測(cè)完所有灰密樣片。建模得出樣片灰密度與光強(qiáng)衰減值的函數(shù)關(guān)系。

圖1 數(shù)據(jù)記錄表

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)處理

5.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如圖1所示

5.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及結(jié)論

通過(guò)matlab曲線擬合得出樣片灰密度與光強(qiáng)衰減值的函數(shù)曲線：

圖2 MATLAB曲線擬合圖

可以看出，光強(qiáng)衰減值和樣品灰密度大致成一次函數(shù)關(guān)系。并得到擬合函數(shù)關(guān)系式：y=107400*x+2416（y為光強(qiáng)衰減值，x為樣品灰密度）。

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于BH1750FVI光強(qiáng)傳感器測(cè)量灰密（NSDD）的新方法，試驗(yàn)結(jié)果表明：在其他因素不變，只改變改變灰密的情況下，隨著灰密（NSDD）的增大，光強(qiáng)傳感器采得的值逐漸減小，通過(guò)采得的一系列數(shù)據(jù)與初值進(jìn)行比較，建模得出了灰密與光強(qiáng)值對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系，該關(guān)系的建立有效分析出了絕緣子的灰密（NSDD），明確的劃分污穢的等級(jí)。對(duì)了解絕緣子的積污情況，從而確定它是否能承受各種不利因素有相當(dāng)大的指導(dǎo)意義。同時(shí)也為指導(dǎo)線路調(diào)爬和清掃工作提供了重要依據(jù)。該方法物理意義明確、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，有較高的實(shí)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。

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彭警，出生年月：1992年3月，籍貫：湖北省黃梅縣，學(xué)歷：在讀碩士，研究方向：嵌入式。

Design of insulator ash density measurement system based on BH1750FVI

Peng Jing,Wu Shi Lin
（Wuhan Textile University,430000）

By measuring the surface of the external insulation of the high voltage equipment,it can know the pollution situation of the line insulator,and determine whether it can withstand the impact of various unfavorable factors.This paper presents a method of measuring the gray density based on the BH1750FVI light intensity sensor.

ash dense;Insulator;high voltage measurement;pollution;Light intensity sensor