基于labview的氧化锌避雷器在线监测系统的研究与设计

硕士学位论文论文题目基于LABVIEW的氧化锌避雷器在线监测系统的研究与设计ONLINEMONITORINGSYSTEMOFMETALOXIDEARRESTERBASEDONLABVIEW作者姓名郝致远专业高电压与绝缘技术指导教师姓名专业技术职务原创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名日期关于学位论文使用授权的声明本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。保密论文在解密后应遵守此规定论文作者签名导师签名日期目录摘要1ABSTRACT2第一章绪论311开展MOA在线监测的意义4111氧化锌避雷器的优点5112MOA在电力系统中存在的问题6113开展MOA在线监测的意义612MOA在线监测的研究现状713虚拟仪器概述281214本课题的研究思路13第二章氧化锌避雷器在线监测的原理1421MOA在线监测原理1422谐波分析法监测氧化锌避雷器阻性电流的原理1523谐波分析法中主要存在的问题371724小节20第三章MOA在线监测系统的硬件设计2231虚拟仪器简介22311虚拟仪器的构成及分类3922312虚拟仪器的特点2332系统的总体结构2433系统硬件总体框图2534传感器26341电流传感器27342电压传感器2835信号调理电路设计29351模拟滤波电路设计2936数据采集卡30361数据采集卡设置3137工控机3338小结34第四章系统软件设计3541软件的总体设计方案概述3542开发软件选择36421LABVIEW简介及特点443743主界面设计3844数据采集模块4045数据处理模块40451数据处理程序设计40452数据波形实时显示4346数据存储模块与查询模块43461MICROSOFTOFFICEACCESS2007数据库44462LABVIEW访问数据库45463LABVIEW利用LABSQL访问数据库46464数据库存储与查询模块设计4847数据网络查询模块52471MICROSOFTVISUALSTUDIONET及其网络编程53472IIS55473数据网络查询模块设计5748小节61第五章实际测试6251本章小结63第六章结论和展望6461结论6462展望65参考文献66致谢69附录70摘要氧化锌避雷器MOA以其保护特性好、通流容量大、动作可靠及维护简便等优点，成为保护交流电气设备免受雷电过电压和操作过电压损害的重要设备。然而MOA长期遭受天气、温度、雷击、操作过电压及内部受潮等因素的作用趋于老化，严重时可能导致保护功能失效，影响电力系统的安全运行。因此，为预防MOA的运行事故，对其绝缘状况进行在线监测意义重大。本文在分析MOA绝缘在线监测技术现状的基础上，并针对金属氧化锌避雷器MOA绝缘在线监测的总体原理是对阻性电流进行在线监测，关键是要从阻容共生的总泄漏电流中分离出微弱的阻性电流这一特点，设计了一种基于虚拟仪器技术和LABVIEW软件的绝缘在线监测系统，完成了MOA绝缘在线监测系统的硬件和监测软件的设计、制作及整个系统的实际调试工作。在分析比较几种MOA在线绝缘在线监测方法原理和优缺点的基础上，选择了用谐波分析法监测MOA阻性泄漏电流的方法，其可利用软件技术分离出阻性电流的基波分量及各次谐波分量，并利用二者间的增减关系判断引起MOA性能下降的原因是阀片老化还是受潮，从而完整有效地反映MOA的运行状况。并分析了谐波分析法的主要误差产生的原因，以及提出了解决办法。而后本文根据MOA绝缘在线监测系统的特性，设计了系统的软硬件方案。在完成传感器选择、数据采集卡选型、信号预处理电路设计的基础上，搭建了系统硬件平台；采用谐波分折法求出基波阻性电流，并利用ACCESS2007数据库实现系统的数据管理；然后在利用IIS建立服务器和基于NET的网络编程，实现了监测数据的网络查询；最后，基于LABVIEW软件平台，完成了系统的软件设计。经过系统调试及现场实测数据表明，本文设计的在线监测系统能够有效监测MOA阻性泄漏电流，具有较高的精度和稳定性。ABSTRACTTHEMETALOXIDEARRESTERMOAISIMPORTANTOVERVOLTAGEPROTECTIONDEVICETHEYAREWIDELYUSEDINELECTRICPOWERSYSTEMDUETOTHEIREXCELLENTNONLINEARANDHIGHSURGEABSORBINGCAPABILITYBUTSOMEOFMOAWILLDETERIORATEGRADUALLYUNDEROPERATINGVOLTAGEANDSOMEOFTHEMWILLBEMOISTENEDBECAUSEOFSTRUCTUREPROBLEMSTHETWOFAULTSCANLEADTOINCREASINGOFLEAKAGECURRENTOFTHEARRESTERS,EVENTOACCIDENTOFPOWERSYSTEMWHENTHEYARESEVERERESISTIVEFIRSTHARMONICCURRENTANDHIGHHARMONICCURRENTARETHETWOFAULTEIGENVECTORREFLECTINGMOASPERFORMANCESOTHEKEYPOINTOFMOAINSULATIONONLINEMONITORINGISHOWTOACQUIRETHETWOKINDSOFCURRENTSACCORDINGTOTHEFEATUREANDREQUIREMENTSOFTHEMEASUREMENTOFCONDUCTIVELEAKAGECURRENT,THISPAPERPROPOSEDTHEPRINCIPLEOFTHEONLINEMONITORINGOFMOAINSULATIONANDITSIMPLEMENT,APPLYINGTHEDIGITALPROCESSINGPROGRAMMINGWHICHUTILIZESLABVIEWTOACQUIRETHERESISTIVELEAKAGECURRENT,THENACQUIRETHERESISTIVEFIRSTHARMONICCURRENTANDHIGHHARMONICCURRENTBASEDONLABVIEW,THEPAPERALSOACCOMPLISHESTHEDESIGNOFTHEWHOLESYSTEMOFMOAINSULATIONMONITORING,INCLUDINGTHESYSTEMHARDWAREANDTHEMONITORINGSOFTWAREONTHISTHESIS,FIRSTLY,SOFTWAREANDHARDWARESCHEMESAREDESIGNEDBASEDUPONTHECHARACTERISTICSOFONLINEINSULATIONMONITORINGSYSTEMOFMOA；HARDWAREPLATFORMISBUILDEDAFTERSENSORSCHOOSING，DATAACQUISITIONCARDSELECTINGANDSIGNALPREPROCESSINGCIRCUITSDEVISINGFINISHED；SECONDLY,FUNDAMENTALRESISTIVECURRENTISESTABLISHEDASTHEMONITORINGDATA,WHICHARECALCULATEDBYHARMONICANALYSISANDMANAGEDBYACCESS2007DATABASE；THENNETWORKQUERYOFMONITORINGDATAISESTABLISHEDBASEDONIISANDWEBPROGRAMMINGWHICHISBASEDONNETLASTLY,SOFTWAREISDESIGNEDBYLABVIEWFINALLY,THELEAKAGECURRENTOFMOAHASBEENACTUALLYMONITOREDBYTHESYSTEMTHERESULTSSHOWTHATTHESYSTEMHASACCURATEMEASUREMENTANDSTABLEOPERATIONWHICHMEANSTHESYSTEMHASAGOODVALUEINUSEKEYWORDSMETALOXIDEARRESTERONLINEMONITORINGLABVIEW第一章绪论电力系统是一个由众多发电，输电，变电，配电，用电设备连接而成的大系统，这些设备的可靠性及运行状况直接决定整个系统的稳定和安全，也决定供电质量和供电可靠性。电力设备在运行中受到电，热，机械，环境等因素的作用，其性能将逐渐劣化，直至造成故障，引起供电中断。检修是保证电力设备健康运行的必要手段，它关系着设备的利用率，事故率，使用寿命，人力，物力，财力的消耗，以及电力企业的整体效益等诸多问题。电力系统正向超高压，大电网，大容量，自动化方向迈进，随着电压等级的提高，有关电气设备设备绝缘问题就显得越来越重要。无论是大型关键设备如发电机，变压器，还是小型设备如电容器，避雷器，绝缘子等，一旦发生故障，将引起局部甚至片区停电，影响国民经济生产，破坏社会的正常秩序，造成很大的损失。大量资料表明造成故障的原因是设备绝缘的劣化。所以，做好电气设备的检修工作，及早发现事故隐患并及时予以排除，使其始终以良好的状态投入运行，具有十分重要的意义12。目前广泛采用定期检查与维修的制度，称为预防性维修制度，电力工业部专门为此制定了电力设备预防性试验规程（DL/T5961996）。传统的检修模式多是在设备停电的条件下进行，但是有以下缺点31需要停电进行，测试周期较长。而很多重要的电力设备，轻易不能停止运行；2无法对运行中电力设备的绝缘进行跟踪测试，不能及时发现设备内部的故障隐患；3定期的试验维修有时候事不必要的，反而浪费了人力和物力；4停电后设备状态（如作用电压，温度等）和运行过程中不符，且停电作介质损耗，泄露等预防性试验时，试验施加的电压远远低于运行电压，对某些缺陷的反应也不够灵敏，从而影响判断准确度，可能出现预防性试验合格，而在运行中发生故障的现象；5周期性进行。检修具有一定的盲目性，但电力设备仍然可能在试验间隔期间发生故障。计划检修体制具有严重的缺陷，存在着维修不足或维修过剩以及盲目维修的现象，这使得国家每年在设备维修方面耗资巨大，且不能满足电力工业发展的要求。对电气设备的检修，大约经历了事故后检修，预知性检修，预防性计划检修，现在则进入了预知性的状态检修。随着传感器，计算机技术的迅猛发展，兴起了以在线监测（状态监测）和故障诊断为基础的状态维修。设备在线监测的重要特征是监测系统几乎不使用预防性试验的仪器，4而是利用各种高灵敏度的传感器及测量手段对反映设备运行状态的物理量，化学量，电气量进行检测，以判断设备是否处于正常状态。在线监测在不影响设备运行的条件下，对设备的状况连续或定时进行的监测，通常自动进行，故可以避免上述的常规预防性维修制度的缺点5。绝缘在线监测系统是将传感器技术，计算机技术，高电压技术和电子技术相结合的产物，于是虚拟仪器技术应运而生。虚拟仪器技术综合运用了计算机技术、数字信号处理技术、标准总线技术和软件工程方法，结合相应硬件开发的虚拟仪器大大突破传统仪器在数据处理、显示、传送、存储等方面的限制，使用户可以方便地对其进行维护、扩展、升级等，代表了测量仪器与自动测试系统未来的发展方向，采用虚拟仪器技术来开发和研制仪器仪表，是今后仪器仪表的发展趋势。基于虚拟仪器的绝缘在线检测装置，可以利用计算机的高速处理能力对电力系统进行实时监控，快速准确地将所测得数据进行分析并将结果直观的地显示给决策者，且具有用户界面友好，易升级，涉及硬件少，可长时间存储数据，便于实现监测网络化等优点，有助于实现对电气设备绝缘监测的计算机化、网络化、智能化和集成化6。综上所述，由于虚拟仪器在电气设备绝缘测量中的优越性，将虚拟仪器技术应用于绝缘的检测，这不仅可以为电力公司提供有关绝缘监测指标的数据，以作为对设备绝缘进行管理的参照和依据，对设备绝缘的检测和管理产生积极的影响。11开展MOA在线监测的意义避雷器主要用于限制由线路传来的雷电过电压或由操作引起的内部过电压，是保证电力系统安全运行的重要保护设备之一，它的正常运行对保证系统的安全供电起着重要作用。传统的避雷器是由放电间隙和碳化硅阀片电阻构成。20世纪70年代至80年代间，一种新型的，无间隙的以氧化锌为阀片原料的氧化锌避雷器问世7。与传统的避雷器相比较，氧化锌避雷器优点突出，适用于多种特殊需要，成为世界上避雷器发展的主要方向，已经逐渐取代了传统的带间隙避雷器。111氧化锌避雷器的优点氧化锌避雷器是由非线性电阻阀片叠装而成。其金属氧化物阀片在正常工作电压下，通过的阻性电流很小，一般约为1015A，接近绝缘状态8。金属氧化物避雷器电阻片伏安特性曲线如图11所示UKV级IMA级图11金属氧化物避雷器电阻片伏安特性曲线如图11所示，氧化锌避雷器具有非常优越的非线性伏安特性，可以取消串联火花间隙，实现避雷器无间隙无续流，且造价低廉，因而在国内外电力系统中各电压等级电网中得到了广泛应用。其主要具有以下优点91非线性系数值很小。在金属氧化物阀片中通过1MA10KA这个范围内电流时，值一般在002006之间。在额定电压作用下，通过的电流极小，因此可以做成无间隙避雷器。2保护性能好。它不需要间隙动作，电压一旦升高，即可迅速吸收过电压能量，抑制过电压的发展；有良好的陡度响应特性；无间隙的氧化锌避雷器的性能几乎不受温度，湿度，气压，污秽等环境条件的影响，因而性能稳定。3金属氧化物避雷器基本无续流，动作负载轻，耐重复动作能力强。伏安特性是对称的，没有极性问题，可制成直流避雷器。4通流容量大。同碳化硅阀片比较，氧化锌避雷器单位面积的通流能力大445倍。5结构简单，尺寸小，易于大批量生产，造价低。112MOA在电力系统中存在的问题虽然氧化锌与碳化硅避雷器相比具有很多优点，各种性能也有了很大的改善，但在投入电力系统运行之后，也出现了这样或是那样的问题，归纳起来主要有以下几个方面10。1氧化锌避雷器内部受潮或内部绝缘支架绝缘性能不良，会使工频电流增加，功耗加剧，严重时可导致内部放电。2氧化锌避雷器受到冲击电压的作用，氧化锌阀片也会在冲击电压能量的作用下发生老化。3由于氧化锌避雷器取消了串联间隙，在电网电压作用下，一定有泄漏电流流过氧化锌阀片，电流中的有功分量将使阀片发热，从而引起氧化锌避雷器伏安特性的变化，这是一个正反馈的过程，长期作用的结果将导致氧化锌阀片的老化，直到出现热击穿。4氧化锌避雷器时常受到雨、雪、凝露及灰尘的污染，由于氧化锌避雷器内外电位不同而使内部氧化锌阀片与外部瓷套之间产生较大的电位差，导致径向放电现象的发生，严重时可能损坏避雷器。当氧化锌避雷器由于受潮，电位分布不均，运行不当，老化等原因发生故障时，避雷器本身将造成损坏甚至爆炸，同时其它电气设备将失去过电压保护，影响电力系统的安全运行11。因此，国内外从氧化锌避雷器投运起就十分重视其运行工况的检测。113开展MOA在线监测的意义根据电力设备预防性试验规程（DL/T5961996）规定，每年或雷雨季节前要对MOA进行预防性试验，其主要项目是测量绝缘电阻，直流1MA下的电压U1MA以及75U1MA下的电流和运行电压下的交流泄露电流。当氧化锌存在内部受潮和阀片老化等缺陷时，一般通过此预防性试验就可以检查出来，但氧化锌阀片为非线性电阻元件，在系统电压或其他因素的长期作用下会产生劣化，以至于常规的预防性试验在停电试验时没有发现任何问题，而在正常工作电压下或泄放雷电流时突然发生故障，导致大规模停电事故12。这说明常规测试有一定的缺陷，原因如下1一般预防性试验的时间间隔较长，而MOA的性能变化到一定程度会加剧，造成事故不可预测。常规的预防性试验对在试验周期内发生的事故无能为力，从而难以避免事故的发生。2需要停电。被测设备要退出运行状态，势必影响系统的正常的运行。尤其在单母线接线方式下避雷器的停电预防性试验势必将母线以及全部的馈线停电，十分不方便，影响正常的生产和生活。3试验所知的电压和实际运行的电压不一致，不能真实的反映设备的实际绝缘状况。因此，对氧化锌避雷器进行在线监测与带电测试，并由此来确定是否停电进行试验，能够有效发现氧化锌避雷器受潮和老化等缺陷；或者，用在线监测所测的数据，通过“纵比”，即于同一设备连续监测的数据相比，可进一步判断属于何种潜伏性故障。故对氧化锌避雷器开展在线监测是保护电力设备的必然要求。与预防性试验相比，在线监测具有以下优点13141监测的是氧化锌避雷器的运行状态，预报相对准确；2减少停电或停运损失，节约氧化锌避雷器检修费用，降低氧化锌避雷器全寿命周期成本；3能够预测已有故障隐患对氧化锌避雷器其他零部件的影响与作用，可以消除氧化锌避雷器已有故障诱发的二次性损坏。12MOA在线监测的研究现状根据大量的有关文献和资料，国内外在氧化锌避雷器在线监测中的信号调理和转换等方面已经做了大量的研究和试验，有力的推动了这一领域的发展。但是根据目前的现场应用结果来看，虽然监测装置种类很多，原理也不尽相同，但是仍然存在不少问题，主要表现为绝缘监测系统运行不可靠，监测数据不准确，系统故障率高等。在氧化锌避雷器在线监测中，我们通常可以通过流过避雷器的全电流，阻性基波电流，阻性高次谐波电流，容性电流等判断氧化锌避雷器的状态。而在MOA的在线监测中，最基本的特征量是总泄漏电流IX，又称全电流。总泄漏电流可以分为阻性泄漏电流IR和容性泄漏电流IC两部分。容性电流分量是标准正弦波，只消耗无功功率，不会使阀片发热。而阻性电流分量是非正弦波，不仅含有基波，而且含有高次谐波，并且消耗有功功率使阀片发热1516。所以电力部门普遍采用监测氧化锌避雷器的阻性电流，来诊断其绝缘状况。由于氧化锌阀片具有很大的介电常数（R10002000），因此，在正常工作电压下流过阀片的主要是容性电流。氧化锌避雷器在线监测要解决的关键技术是，如何从容性电流为主的全电流中分离出微弱的阻性电流。对MOA运行工况的监测方法研究时间比较长，检测方法也有多种，基本都以测泄漏电流为基础。根据国内外目前采用的测试方法，可归纳为下面几种1718191总泄漏电流法这种方法是直接在氧化锌避雷器接地端串接交流毫安表，以此测量总泄漏电流的变化。现在有些新式的计数器也集成了交流毫安表，也可以显示MOA的全电流大小。总泄漏电流的基本思想是基于阻性电流IR的增长可以在一定程度上通过全电流IX的增加反映出来。这种方法简单，容易实现。但是MOA在正常运行时，MOA的容性电流远大于阻性电流，而且两者的基波又成90度相位角，所以即使阻性电流增加很多，测得的全电流有效值或平均值也没有较大的变化。但是此时MOA绝缘可能已经受潮或已经老化。因此，这种方法太粗糙，灵敏度较低，不宜广泛采用。实际上，仅是一种无高精度仪器时的简单观测方法。因此目前极少用此方法。2零序电流法由于氧化锌电阻片的非线性特性，其阻性电流波形IR是非正弦波，因此其中包含有基波IR1，三次谐波电流IR3和五次谐波电流IR5等高次谐波分量。若在避雷器的三相总接地线上监测三相总电流，则IC，IR1因三相平衡而抵消，故测得的是三次谐波的三倍值，即I03IR3。由于IR和IR3之间有一定的比例关系，故还可得出总的阻性电流的大小（峰值）。当避雷器正常运行时，IR3较小。当一相或几相避雷器故障时，三相电流不平衡，I0会显著增加，且含有基波分量。该方法的特点是简单，但无法区分是哪一项发生故障。此外，当系统电源本身还有谐波分量时会出现IC3，该电流分量与IR1叠加后使I0比实际阻性电流值要大，造成误判。3补偿法测量阻性电流补偿法测量阻性电流是在测量电流的同时检测系统的电压信号，借以消除总泄漏电流中的容性电流。代表性检测装置是日本LCD4型泄漏电流检测仪。补偿法认为导致阀片发热而产生有功损耗的原因是阻性电流分量，所以是以外加容性电流来去掉与母线电压成相位差的容性电流分量从而获得阻性电流的方2法，如图12所示。ESESIRIXIC图12泄漏电流向量图用同相的PT检测电压信号，进入差分移相电路向前移相为，使SE90SE之与总电流中的容性分量同相。当仪器自动调节到使与大小相同XICI0SGCI时（是仪器的放大增益），差动放大器的输出为0110XSXCRIGEII该装置可以测量总泄漏电流、阻性电流分量及功率损耗，有较好的测量效果。补偿法测量原理简单，测量精度能满足工程要求，使用也很方便。但这种方法只有在总泄漏电流中的阻性电流与容性电流成相位差时才可以得到反应2阀片老化的真实结果。但在现场监测时，三相避雷器是一字型排列。各相避雷器阀片除了承受本相电压外，还通过相间杂散电容的耦合受到相邻电压的作用。在相邻电压的作用下，由于B相的影响，使得A，C相的的相位将分别移后XI和移前35度，其峰值也略有减小，的数则分别出现明显的增大和减小。而RIB相由于A，C相影响，的相位和值基本不变，这就是所谓的三相不平衡。XI当三相不平衡现象较为严重时，将影响对避雷器绝缘状况的诊断。另外补偿法从PT上取电压信号，可能存在着相移；电网电压有谐波时，也要影响其测量的精度20。4三次谐波法上海电动工具研究所生产的SD8901型氧化锌避雷器泄露电流测试仪采用了三次谐波法原理。该装置采用电流传感器（通常用高磁导率的坡莫合金作磁心，并附有良好的金属屏蔽）在避雷器的接地线上直接测量总电流；由有效XI检波器和指示电表读取总电流值。通过中心频率F0为150HZ的带通滤波器，XI峰值检波器和指示电表检测阻性电流的三次谐波分量21。通常经过修正3RI（因为和有一定的比例关系）使电表直接指示阻性电流。并通过射极XI3R跟随器和外接示波器可直接观察总电流的波形。XI该方法的特点是较简单，与补偿法相比无需引入电压信号。但是作为在线监测的诊断判据，重点在作纵向比较，即观察各电流的变化趋势，因此对修正的准确度影响不大。还由于由于各厂生产的阀片以及同一厂生产的不同规格的阀片的特性不尽相同，导致三次谐波峰值与阻性电流峰值之间的函数关系3RIRI不一样，而且与的函数关系又是随阀片的老化而变化的3RI因此，三次谐波法既不具有通用性，也不能比较客观地反应MOA的实际运行工况，它只能局限于同一产品在同一试验条件下的纵向比较。同时电网谐波也是影响检测结果可靠性和重复性的主要原因。5谐波分析法监测阻性电流在正弦交流电压作用下，由于电阻片的非线性特性而使阻性电流分量含有三次，五次谐波分量。从电路理论可知，只有同频率的电压，电流才能消耗功率，不同频率的电压，电流不会消耗功率，这正是三角函数的正交特性所决定的。由此可知，使电阻片发热做功的仅是阻性电流中的基波分量，不同避RI1RI雷器的尽管相同，但若不同，其发热情况也就不同。故实际上才是氧RI1RI化锌避雷器劣化的关键指标。另外，当电网中含有谐波时，会从幅值和相位两方面影响阻性电流测量值，故谐波状况不同，阻性电流（峰值）的测量结果会相差很大，如果只是监测，则可避免谐波对测量的影响，即不论电压电压所1RI含谐波量如何，总是一个定值22。1RI为此可采用全数字化测量和谐波分析技术从总泄漏电流中分离出，同时1RI也可以用软件计算出由于相间杂散电容的耦合，造成两个边相避雷器底部泄漏电流相位发生变化的位移角，以便进行修正。谐波分析法的主要特点是“以软代硬”，使监测系统所用的硬件大为减少，避免了由于硬件性能不良对监测带来的影响，可提高监测系统的可靠性23。该分析法除传感器A/D转换和计算等误差外，主要是的准确性带来的误差。012012AC其中是与之间的相位角。1ACIC谐波分析法和常规的补偿法相比，对监测总的泄漏电流，基波阻性电流和测量结果是一致的。但当电压中含有高次谐波时，谐波分析法更能准确，灵敏地反映阻性电流中的高次谐波分量。6高次谐波计算法24高次谐波法是对常规补偿法的改进，其基本思想是只需从MOA取总泄漏电流，经过单片机分析计算得到阻性电流将从MOA取到的总泄漏电流同时送入减法单元和逻辑分析单元逻辑分析单元对总泄漏电流信号进行分析，计算出容性电流和阻性电流的相位差，由自动信号生成单元生成容性电流信号初值，并送入减法单元与总泄漏电流作差分运算。后面的处理与常规补偿法相同，最后可得到阻性电流25。这种方法的优点是测试人员可避开电压互感器的接线操作，使在线监测操作更简便，增强了电力系统在线测试的安全性；采用了单片机系统，智能化程度较高。但其准确性取决于系统电压高次谐波的含量。7波点方法测试泄漏电流26波点方法通过分析电压和泄漏电流的波形而得到阻性电流的一个周期内的值。它适用于便携式的MOA泄漏电流测试，但其可靠性尚需进一步验证。8光电技术在避雷器泄漏电流在线监测中的应用27避雷器在正常情况下泄漏电流很小，其接地端的电位也是地电位。但是当她遭雷击动作时，由于接地线在瞬时间会流过极大的电流，从而导致地电位的抬高。因此在在线监测中必须解决好监测设备的接地问题，否则极有可能由于雷击导致电子设备的永久性损坏。如果在电流取样端与检测处理端之间采用光电隔离技术，就可以有效地解决这个问题。总之，上面的几种方法都有一定的局限性，总是或多或少地受电网电压谐波和相间干扰等因素的影响。因此，消除或减少相间电容电流的干扰，消除谐波电压和PT相移等因素的干扰，使测得的阻性电流更加真实地反映各相MOA的运行状况成为必要，而且根据现场工程实际选择合理、实用，可靠的方法成为MOA在线监测及诊断系统的主要任务。13虚拟仪器概述28虚拟仪器（VIRTUALINSTRUMENT）是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略的说，这种结合有两种方式。一种方式将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器的功能也越来越强大，目前已经出现含有嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机，以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器的功能。虚拟仪器主要是指这种方式。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个系统的关键，任何一个用户都可以通过改写软件的办法，方便的改变和增减仪器系统的功能，即“软件就是仪器”。虚拟仪器技术的出现，打破了传统仪器由厂家定义功能，用户无法改变的固定模式，用户可以随心所欲的根据自己的需求，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用需求29。虚拟仪器作为21世纪的仪器，具有编程灵活、可自定义、数据处理和分析功能强大、开发周期短等优点，推动着测控技术的革命，在电力系统测量、控制方面有广阔的应用前景。目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言和开发环境是美国NI公司的LABVIEW。虚拟仪器通常由硬件设备与接口、设备驱动软件、测试功能软件和虚拟仪器面板等组成。常见的虚拟仪器组建方案如图13所示。整个系统的核心在于软件部分，计算机为软件的运行提供了硬件支持。被测信号调理电路数据采集板卡数据处理虚拟仪器面板图13虚拟仪器的构成14本课题的研究思路MOA绝缘在线监测系统投入运行后应不影响变电站电气设备的正常运行，系统能自动地连续进行监测，数据处理和诊断分析、具有较好的抗干扰能力和合理的监测灵敏度、监测结果具有较好的有效性和可靠性、能及时准确反映MOA的运行状况并指导检修工作。本文就MOA泄漏电流阻性分量的在线监测进行了研究，同时结合生产现场实际，探索以高档微机为核心，简化硬件电路，运用软件分析技术，以“软”代“硬”的在线监测方法。故需运用数字化测量和分析技术，把丰富的软件技术用于MOA的在线监测中。本文研究的主要研究工作为1研究一种工程中实用的MOA在线监测方法，以及相应MOA在线监测系统的实施方案的设计；2分析MOA在线监测方法的误差原因，制定相应的改进措施；3MOA绝缘在线监测系统的设计和研究，包括硬件设计和软件设计；4MOA在线监测系统的实际测试。第二章氧化锌避雷器在线监测的原理在交流作用下，避雷器的总泄漏电流全电流包含阻性电流（有功分量和容性电流无功分量。在正常运行情况下，流过避雷器的电流主要为容性电流，阻性电流只占很小一部分，约为1020左右。但当阀片老化、避雷器受潮、内部绝缘部件受损以及表面严重污秽时，容性电流变化不大，而阻性电流却大大增加，所以目前对氧化锌避雷器主要进行阻性电流的在线监测，而监测阻性电流的关键是要从阻容共生的总电流中分离出微弱的阻性电流。为此可采用全数字化测量和谐波分析技术从总泄漏电流中分离出阻性电流，同时也可以用软件计算出由于相间杂散电容的耦合，造成两个边相避雷器1RI底部泄漏电流相位发生变化的位移角，以便进行修正30。21MOA在线监测原理因氧化锌避雷器无串联间隙，在持续运行电压作用下，由氧化锌阀片组成的芯片柱要长期通过工作电流，即总泄漏电流。严格说来，总泄漏电流是指流过氧化锌避雷器内部阀片柱的泄漏电流，但测得的氧化锌避雷器总泄漏电流包括瓷套泄漏电流、绝缘杆泄漏电流及阀片柱泄漏电流三部分31。阀片柱泄漏电流不会发生突变，而由污秽或内部受潮引起的瓷套泄漏电流或绝缘杆泄漏电流比流过氧化锌避雷器内部阀片柱的泄漏电流小得多。由于氧化锌避雷器芯片柱是由若干非线性的阀片串联而成的，通过氧化锌避雷器的总泄漏电流是非正弦的，因此不能用线性电路原理来求总泄漏电流。为此，国内外常用阻容并联电路来近似等效模拟氧化锌避雷器非线性阀片元件,如图21A32。BUSUXIXIRXRNICXRXCXBUSUXIRXICXRXCXIXAB图21氧化锌避雷器阀片芯柱的等效电路RN是ZNO晶体本体的固有电阻，电阻率为110；RX是晶体介质层电CM阻，电阻率为。它是非线性的，随外施电压大小而变化；CX是103CMZNO晶体介质电容，相对介电系数为10002000。由于RXRN，可略去RN的影响，如图21B所示。流过氧化锌避雷器的总泄漏电流IX可分为阻性电流IRX与容性电流ICX两部分。导致阀片发热的有功损耗是阻性电流分量。因为RX为非线性电阻，流过的阻性电流不但有基波，而且还含有三次、五次及更高次谐波；只有阻性电流的基波才产生功率损耗。虽然总泄漏电流以容性电流为主，阻性电流仅占其总泄漏电流的1020左右，但容性电流的变化很小，相对阻性电流随时间的变化量，容性电流的变化量可忽略不计。因此对氧化锌避雷器泄漏电流的监测应以阻性电流为主。22谐波分析法监测氧化锌避雷器阻性电流的原理一般而言，使氧化锌避雷器绝缘性能下降的因素主要有两个氧化锌阀片老化和受潮。氧化锌阀片老化使其非线性特性变差，主要表现为在系统正常运行电压下阻性电流高次谐波分量显著增大，而阻性电流的基波分量相对增加较小；受潮的主要表现为在正常运行电压下阻性电流基波分量显著增大，而阻性电流的高次谐波分量增加相对较小。这样，对MOA阻性电流的监测，如果只监测其阻性电流基波分量或只监测其阻性电流高次谐波分量，都不能完整、有效地反映其运行状况。因此利用数字采样分析即谐波分析法对MOA的电压、电流波形数据进行分析、计算，得出其阻性电流基波值和各次谐波值及变化，在消除相间干扰及外界干扰的基础上，加以纵向比较和综合判断，才能实现对MOA的全面监测，确保MOA的安全运行。谐波分析法的侧量原理是，首先由传感器获得流过MOA的电流信号和MOA运行电压信号，利用波形采集装置将此时域波形同步地转换为数字化离散信号，然后利用计算机将两个离散数字波形信号经离散傅里叶变换或快速傅里叶变换（FFT），求出电压、电流的各次谐波相角，进而从总泄漏电流中分离出阻性电流基波值和阻性电流各次谐波值3334。如图21B所示，设UX为MOA运行电压，IX为其泄漏电流。电力系统的电压、电流均满足狄里赫利条件，因此UX、IX均可以分解为傅里叶级数35362101SNXKMKUT2201IXKKIIT式中电压的直流分量，电流的直流分量，0U0I电压的各次谐波幅值，电流的各次谐波幅值，KMKM电压的各次谐波相角，电流的各次谐波相角，1,234由于，而一般认为，在小电流区电容变化很小，因此XCDUCITT有。0DT由式（21）得泄漏电流的容性分量231COSXCCKKDUIITT其中，。CKKMIU令为第K次谐波阻性电流幅值，可以认为阻性泄漏电流和容性泄漏电流R同次谐波的相角差为，而第K次谐波电压与第K次谐波阻性电流同相，所2以，阻性电流2401SINRRKKIIT因为，将式22、23、24带入其中并化简有XRCII2500111SNSINCOSKMKRKKCKKITITIT将式25两边同乘以，并对两边在一周内取定积分，有SINT0011SINSINSINSINTTKMKNRKKNITTDTITTDT2601COSITCKKNITTDT根据三角函数的乘积在一个周期内定积分的正交特性，0SINITMXDMN0SICS0TX对式26，仅当KN时，对应项的定积分不为零，可化简得200SISISINTTKMKKRKKITTDTITDT由三角函数的积化和差公式可化简上式得0011COSCOS2COS22TTKMKKRKKITTITDT再由三角函数正交特性可得00S2TTKMRKKIIDTT即COS22KMKRKTII又上式得COSINSI2KKKKKRKTI所以27COSINIRKMKKMKKKKII同理，将式25两边同乘以，并在同一周期内取定积分，依SNT据三角函数正交特性，仅当KN时，定积分有不为零项，化简后可得28SINCOSISICOCKMKKMKKKKII因此，将UX、IX展开成傅里叶级数，运用FFT分解得各次谐波后，按式24、27计算，就可求得MOA的基波阻性泄漏电流、各次谐波阻性泄漏电流和总阻性泄漏电流。23谐波分析法中主要存在的问题37根据式27，计算基波和各次谐波阻性电流时，需要测得基波和各次谐波全电流以及各次谐波电压和电流的相角差，而当三相MOA同时带电运行性，存在的相间干扰会导致各相MOA的各次谐波电流的相位出现误差。所以在谐波分析法中，谐波电流的相位误差会导致谐波电压和电流的相角差出现较大误差。而这种误差是谐波分析法中阻性电流计算误差的主要原因。当三相MOA按一字排列同时带电运行时，各相MOA之间存在杂散电容，通过相间杂散电容各相MOA之间就有了电气联系，即各相MOA不仅受到自身相电压的作用，同时还通过相间杂散电容而受到邻相电压的作用，他们之间的距离和电压等级决定了这种作用的大小。这使MOA底部泄漏电流与单独一相运行时相比会发生幅值和相位变化。AUBUCUABCBCARRRCBIAICIBABIIII图21三相避雷器等效电路图图21所示为一字形排列的三相避雷器组的简化等效电路图。图中，和AR为A相避雷器的等效电阻和电容，和为B相避雷器的等效电阻和电容，CBRC和为A相避雷器的等效电阻和电容；，为各相高压RACB端对邻相地端空间等效杂散电容。在正常情况下，可认为A，B，C各相的阻性电流和总电流是相同的，再考虑三相避雷器组结构上的对称性，可认为，。于是可得到通过ABCABCABBCAU和产生的电流为（领先约），通过和产生的电流为RIU87BR（领先约），通过和产生的电流为（领先约）；IU87RIC87通过产生的电流为（领先），通过和产生的电流为AB“AA90A（领先），通过产生的电流为（领先）；即，“B90CB“C90“ABII，。，的幅值相“III“CIIBI“IB“C等，相角差。它们的矢量关系如图22所示。12BIAUBUCUAICIBIAIC0012图22等效电路各参数向量图图中，由于受到的影响，其幅值变化虽然不大，但相位角由位置延AI“BIAI迟了（一般为，图中为了表达清楚，没有按比例画），成为，将会对035其阻性分量产生较大的影响。同样，由于受的影响，其幅值虽然也变RAICI“BI化不大，但是相位角由位置领先了，成为，也将会对其阻性分量产CI0RCI生较大的影响。受（和合成矢量）的影响，但由于和相位角B“A“I“ACIB接近，所以只是幅度略为降低，而相位角没有多大变化。因此A，C相180I空间电容电流对B相的影响可以忽略不计。通过傅里叶分析算法（见21），可以得到，AUBCAIBCI，以及与之间的相位角，则ABCAICC290120A修正后避雷器的阻性电流分量如下A相阻性电流2100COSRAAIB相阻性电流211BBC相阻性电流2120SRCCIA相阻性电流峰值2132AMRAIB相阻性电流峰值214RBBIC相阻性电流峰值215CMRIA相阻性电流修正前为，此值显然大于实际值；为此将前COSRAAIAI移一个相角，则，即可使误差大为减小。因为，00故不可能将相间干扰引起的误差完全消除。同理，C相阻性电流修正前为，此值也显然不等于实际值；为此需要后移一个相角，则COSRCICI0，即可使误差大为减小。同样，因为，故也不可能0I将相间干扰引起的误差完全消除。现在常用的解决相间干扰的处理方法1除干扰电流法当A相MOA外施电压为零，其它两相施加正常运行电压时，测得干扰电流为，同时与间的相位角；当三相同时施加正常GAIGAIU运行电压时，测得总电流，那么真实阻性电流。同理可求出0AGAII与。这种方法需要在现场对某相停电，不适合在线监测。0BIC2移相法在变电站停电时，加外施电压分别测量三相MOA的阻性与容性分量，然后在运行情况下再测量，这时来自母线PT的二次电压先经过移相后再输入测试系统，调节移相阻容移相器角度，使测量值与外施电压时所测相同，记下所移角度及各电流值，以此为基准，以后均在相同相移条件下测量。此法需保证MOA本体电流不变方有效，且须外加移相器，对高次谐波引起的耦合电流无法消除，移相器中的容性元件加大了取自PT侧的电压信号的延迟。3双CT法用两个小电流传感器同时侧取MOA两边相的泄漏电流，由于相间电容的对称影响，所取两相电流相位差为，求得后，将基波0120电压相位移动，作了这种校正处理，即可基本消除相间干扰。024小节1提出MOA阀片芯柱的等效电路，分析了MOA绝缘在线监测的总体原理是对阻性电流进行在线监测，关键是要从阻容共生的总泄漏电流中分离出微弱的阻性电流。2系统讲解了利用谐波分析法监测MOA阻性电流的原理，可以利用软件技术分离出阻性电流的基波分量及各次谐波分量，并利用二者间的增减关系判断引起MOA性能下降的原因是阀片老化还是受潮，从而完整有效地反映MOA的运行状况。3分析了谐波分析法中误差形成的主要原因，即相间干扰所导致的的0准确性带来的误差。并提出了解决办法。因为A、C相的相应参数不可能完全相同，改进的办法也是通过在线和停电时分别测定、和、，以1,XI,XC1,XAI,XC确定需要修正的相位移和。同时作为诊断判据，重点在于数据的变化和12前后的比较。从这个意义上考虑，不必对准确度提过高要求，而更重要的是数据的重复性和可靠性好。第三章MOA在线监测系统的硬件设计31虚拟仪器简介虚拟仪器（VIRTUALINSTRUMENTS，简称VI）的概念是由美国国家仪器（NATIONALINSTRUMENTS，简称NI）公司首先提出的，是对仪器概念的重大突破38。其概念可以具体描述为1171虚拟仪器是利用现有的PC计算机、加上特殊设计的仪器硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能。又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价的新型仪器。它是随着计算机技术、现代测量技术发展起来的新型高科技产品，代表着当今仪器发展的新方向。311虚拟仪器的构成及分类39虚拟仪器由计算机、仪器硬件和应用软件三大部分构成。通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机融合为一体，把计算机强大的数据处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，实现对数据的分析和处理。1计算机一般为一台PC工作站，它是硬件平台的核心。2仪器硬件仪器硬件主要指I/O接口设备。I/O接口设备主要完成被测输入信号的采集、放大、模/数转换。不同的总线有其相应的I/O接口硬件设备，如利用PC总线的数据采集卡，板（DAQ）、GPIB总线仪器、VXI总线仪器模块、串口总线仪器等。虚拟仪器的构成方式主要有五种类型，如图31所示。被测信号PCDAQGPIB串口仪器VXI模块PXI模块计算机图31虚拟仪器的构成框图PCDAQ系统1PCDAQ系统是以数据采集卡、信号调理电路以及计算机为仪器硬件平台组成的卡式虚拟仪器系统。这种系统采用PCI或ISA计算机本身的总线，将数据采集卡/板DAQ插入计算机的PCI或ISA插槽中。GPIB系统2GPIB系统是以GPIB标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。VXI系统3VXI系统是以VXI标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。PXI系统4PXI系统是以PXI标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。串口系统5串口系统是以SERIAL标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。无论上述那种VI系统，都是通过应用软件将仪器硬件与计算机硬件资源结合起来的。其中，PCDAQ测量系统是构成VI最基本的方式，也是最廉价的方式。3应用软件应用软件主要是指开发虚拟仪器的软件工具，目前的虚拟仪器软件开发工具主要有以下两类基于传统的文本编程语言，如LABWINDOWS/CVI、VISUALBASIC、VISUALC等；1基于图形化编程语言，如LABVIEW和HPVEE等。2312虚拟仪器的特点1虚拟仪器是一种功能意义上而非物理意义上的仪器。VI通过硬件接口和仪器驱动实现了与测控设备的硬件通信，将信号采集、分析与处理等结为一体。虚拟仪器体现了“软件就是仪器”的现代仪器发展观念；2虚拟仪器具有图形化用户界面，体现“所见即所得”的思想。传统仪器的控制面板在各种虚拟仪器中都有可被相应设置选项和结果输出控制的软面板所取代；3虚拟仪器采用了模块化结构，系统具有良好的开放性和可扩展性。虚拟仪器软件的开发是基于模块化的设计思想，并大量运用动态链接库、类库和函数库，代码具有良好的可重复性。一个VI往往由多个VI组成，这样，在软件组织的树形图结构中，该VI是根结点，其它VL是子节点。一个VI既可以作为虚拟仪器系统中主控模块，又可以为其它VI所调用，这由此VI在整个系统中的具体功能来决定；4虚拟仪器的更新速度快、可维护性好，用户可定制其结构和功能。由于它的核心是软件程序，在一定的开发环境下，用