（通信与信息系统专业论文）基于gprs的氧化锌避雷器远程监测系统的研究.pdf

摘要 无间隙的氧化锌避雷器( m o a ) 实际运行中，在内部老化和受潮后，阻性电 流会大幅度增加，会使其阀片温度升高，一旦系统中有过电压产生，将会使避雷 器产生热崩溃，甚至使避雷器爆炸，从而使避雷器失去保护作用。因而，为确保 避雷器正常发挥作用，需要实时检测避雷器性能状态。 目前国内外大多采用在现场就地检测避雷器状态的方法，这样需要检测人员定 期到现场进行查看，为了在线实时了解避雷器状态，需要把检测数据传输到线路 管理中心，国内有人提出采用光纤传输的方法，光纤传输可以解决数据远距离传 输的问题，但在避雷器运行现场铺设光纤比较麻烦，为了克服有线传输方式存在 的弊端，提出一种基于g p r s 远程监测避雷器状态的新方法。 利用该方法设计的监测系统主要包括现场采集部分、g p r s 透传模块传输部分 和远程监测中心系统管理部分，现场采集部分以a t 8 9 c 5 2 单片机为核心处理器， 对避雷器的阻性电流进行实时检测；g p r s 透传模块中以w 7 7 e 5 8 单片机控制 m c 3 5 i 无线模块实现数据的无线传输；远程监测中心采用v b 和s q ls e r v e r 开发 了信息管理系统软件，现场采集结果通过g p r s 发送到监测中心数据库中形成数 据报表，在监测中心可以通过远程实时对避雷器状态进行监测和对历史数据进行 查询分析，达到保证电力系统稳定运行的目的。 论文最后对m o a 远程在线监测系统进行了分析和评价，对系统的进一步改进 作出了展望。 关键词：氧化锌避雷器，泄漏电流，阻性电流，g p r s 无线通信，客户端服务器 a b s t r a c t d u r i n gg a p l e s sm e t a lo x i d ea r r e s t e r ( m o a ) a c t u r a lo p e r a t i o n ，i n t e r i o ra g i n ga n d d a m p i n gm a yc a u s er e s i s t i v ec u r r e n tt oi n c r e a s e ，z n oe l e m e n tt e m p e r a t u r ew i l lr i s e ， m o am a yt u r nt ot h e r m a lr u n a w a ya n de v e ne x p l o s i o nw h e no v e r v o l t a g ea p p e a r s i n o r d e rt oe n s u r em o ar u nn o r m a l l y , t h es t a t eo f m o an e e d st ob ed e t e c t e d n o wt h em e t h o do fd e t e c t i n gm o as t a t eo nt h es p o ti sw i d e l yu s e di n t e r i o r l ya n d o v e r s e a s ，i n s p e c t o r ss h o u l de x a m i n ea tc e r t a i nt i m e i no r d e rt ok n o wt h es t a t eo fm o a ， m e a s u r i n gr e s u kn e e d st o b es e n dt om a n a g e m e n tc e n t e r t h em e t h o do ff i b e r t r a n s m i s s i o nw a nb r o u g h tf o r w a r d ，i ti sag o o dw a yf o rl o n g d i s t a n c ed a t at r a n s m i s s i o n ， n e v e r t h e l e s s t r o u b l e s o m et ol a yf i b e r t oc o n q u e rt h ed e f e c to f t h i st r a n s m i s s i o nm e t h o d ， an e wm e t h o do fm o n i t o r i n go fm e t a l o x i d ea r r e s t e r si nl o n gd i s t a n c ew a sp r e s e n t e d i nt h i sp a p e r t h eo n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do ng p r so f m o aw a sd e v e l o p e d t h em o n i t o r i n g s y s t e mc o n s i s t so fo n - s p o tc o l l e c t i o nm o d u l e ，g p r st r a n s p a r e n t t r a n s m i s s i o nm o d u l e 1 0 n g - d i s t a n c em o n i t o r i n gc e n t e r t h ed e s i g no fh a r d w a r ea n d s o f t w a r eo fa t 8 9 c 5 2m i c r o p r o c e s s o ra c c o r d i n gt ot h ed a t ac o l l e c t i o na n dp r o c e s s i n g m o d u l ew a si n t r o d u c e dg p r st r a n s p a r e n tt r a n s m i s s i o nm o d u l ew a sd e v e l o p e db v m c 3 5 im o d u l ea n dw 7 7 e 5 8m i c r o p r o c e s s o r t h es o f t w a r eo f i n f o r m a t i o nm a n a 譬e m e n t s v s t e mw a sd e v e l o p e dw i t hv i s u a lb a s i ca n ds q ls e r v e rb a s e do nt h er e s e a r c ho f g p r sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y d a t a r e p o r tc a nb ef o r m e di n t h i ss y s t e m t h es t a t eo f m o ac a nb ei n s p e c t e dc o n v e n i e n t l ya n da c c u r a t e l ye l e c t r i cp o w e rs y s t e m c a ni l i ai nt h er e l i a b l es t a t e i nt h ee n do ft h ep a p e r , t h es y s t e mw a se v a l u a t e d ，f u r t h e rd e v e l o p m e n ti nm o a m o n i t o r i n gs y s t e mw a sd e s c r i b e d k e yw o r d s ： m e t a l o x i d ea r r e s t e r s ，l e a k a g ec u r r e n t ，r e s i s t i v ec u r r e n t ，g p r sw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n ，c l i e n t s e r v e r 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： j 蔓三兰重上。占年3 月矽日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者c 签孙莲! 堑骂川年3 月。日 河海大学t 学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 发( 变) 电站，输电线路是雷击灾害的高发区，而无论是直击雷还是感应雷， 都可能给区内设施造成损坏。因此，电力系统的高压线路送至用户自备变压器前， 应该装设一套完善的防雷保护装置。在实际运行中，无间隙的氧化锌避雷器( m o a ) 在运行电压下会有阻性泄漏电流流过，其电阻阀片上会产生热量，从而使电阻阀 片温度升高，正常情况下，由于发热量较小，在一个较低的温度下避雷器的散热 与发热能保持平衡而不影响避雷器的正常工作，但随着工作时间的延长，温度的 升高会使避雷器的电阻阀片老化，同时，由于环境条件的影响，避雷器的阀片会 受潮及劣化，从而使正常工作条件下通过电阻片的阻性泄漏电流增加或瓷套闪络 电压降低，一旦系统中有过电压产生，通过m o a 内阀片的电流迅速增大，而损坏 的阀片热容量承受能力有限，将会使避雷器产生热崩溃，甚至使避雷器爆炸，从 而使避雷器失去保护作用。因而，为确保避雷器正常发挥作用，需要定期检测避 雷器性能状态。 目前国内氧化锌避雷器的监测方法主要有：总泄漏电流法、阻性电流三次谐 波法、基波法和常规补偿法等。国际上，采用双“a t ”法和基于温度的测量法实 现m o a 的总泄漏电流监澳0 技术已问世。氧化锌避雷器在运行电压下，通过的泄漏 电流的大小可阻反映其性能的优劣，研究发现氧化锌避雷器的总泄漏电流值的大 小不能完全反映氧化锌避雷器的绝缘状况( 例如，当阻性电流峰值由5 0 u a 增大到 2 5 0 1 x a 时，全电流的增大可能只有百分之几) ，而其阻性泄漏电流峰值的大小是表 征绝缘特性优劣的重要指标。电力设备预防性试验规程( d l r 5 6 9 1 9 9 6 ) 要求1 1 】： m o a 应在运行电压下测量全电流和阻性电流，因为m o a 内部受潮，在运行电压 下通过的全电流会增大；如果m o a 阀片的非线性性能恶化，拐点电压降低，运行 电压下阻性电流分量增大的幅度会更大。由于受运行方式的限制，往往m o a 很难 及时停电进行试验，且定期试验的时间间隔也较长，因此，通过带电测试来监视 m o a 的性能状态尤为重要。 目前国内外大多是在现场就地检测避雷器性能状态，这样需要检测人员到现场 进行定期检测，不能实时监测。为了在线实时监测避雷器性能状态，需要把检测 数据传输到线路管理中心，国内有人提出采用光纤传输的方法，光纤传输可以解 决数据传输问题，但在避雷器运行现场铺设光纤比较麻烦，为了克服有线方式传 输的弊端，提出了一种基于g p r s 监测避雷器性能状态的新方法，该方法可以通 过g p r s 网络实时监测氧化锌避雷器的状态，以便及时排除故障。随着无线网络 町海大学工学砸士学位论文第一章绪论 的发展，网络化的远程氧化锌避雷器在线监测成为可能，并将成为重要的一种方 法。 1 2 课题来源 本课题是常州市科协科技项目，该项目要求建立一套氧化锌避雷器的远程监测 系统，能够准确记录m o a 的现场阳性泄漏电流情况和雷击次数，可以通过远程检 测阳性泄漏电流，及时判断m o a 的运行状况，并可以查询历史记录信息，保障电 力系统的稳定运行、有效的减少重大事故的发生。 1 3 目前国内外m o a 监测方法研究现状 目前国内氧化锌避雷器的监测方法主要有：总泄漏电流法、三次谐波法、基 次谐波法和补偿法等，国外主要采用双“a t ”法和基于温度的测量法实现对氧化 锌避雷器性能状态的监测3 。 1 3 1 监测总泄漏电流法 总泄漏电流监测法是假定m o a 泄撮电漉的容性分量基本保持不变，可简单地 认为其总电流的增加能在一定程度上反映阻性电流分量的增长情况，目前使用的 力法是测量接地引线上，通过的泄漏全电流，其原理如图1 1 所示。 图1 1 测量总泄漏电流原理图 此种方法适用于受潮劣化的判断，对老化尤其是早期老化不灵敏。例如，当 阻性电流峰值由5 0 p a 增大到2 5 0 p a 时，全电流的增大可能只有百分之几。由于 灵敏度差，目前很少采用此种方法。 灵敏度差，目前很少采用此种方法。 河海大学_ t 学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 2 补偿法测阻性电流 补偿法的原理是根据并联电路中电容流过的电流与其母线两端的电压相位差 相差u 2 的特点，将以去掉与母线电压成州2 相位差的电流分量作为去掉容性电流， 从而获得阻性电流。补偿法测量误差较小，所用仪器测量时需要引入补偿信号， 此补偿信号经过相位、幅值处理，再和取自避雷器的泄漏电流相减后，方能得到 阻性分量，但是测量时必须借用p t 二次绕组引入电网电压信号，而电网电压含有 谐波成份，谐波电压与基波电压初相不同时，电网电压波形也是一个奇谐函数波 形，造成监测结果误差。 1 3 3 基次谐波法检测阻性电流 基次谐波分析法的主要原理为在正弦波电压的作用下，m o a 的阻值电流中只 有基波电流作功产生功耗，另外，无论谐波电压如何，阻性基波电流都是一个定 值，因此全电流经数字谐波分析，提取基波进行阻性电流分解，即可得到阻性电 流的基波，根据阻性电流基波所占比例的变化来判断m o a 的工作状况，其测量原 理如图1 2 所示。 图1 2 基次谐波法测量原理图 基次谐波法测量时用p t 测量电网电压信号，用一个c t 直接钳在避雷器的接 地线上，经相应的计算可以测得泄漏电流基波值。基波法有其本身的精确性，有 效的抑制了电网电压中的谐波干扰，基波的功耗也能够反映m o a 的状态。但是实 际运行经验和实验结果表明，阻性电流的基次谐波在一些情况下能灵敏地反映 m o a 的状态，而阻性电流的高次谐波是受电网电压的高次谐波影响的，因此必须 研究在电网电压谐波影晌下的阻性电流基波及其高次谐波的变化，采取相应的方 法去除阻性电流中的高次谐波。 河海大学工学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 4 三次谐波法 三次谐波法( 又被称为零序电流法) 工作原理为从避雷器总泄漏电流中检测 出三次谐波阻性电流分量i r 3 ，其测量原理如图l 一3 所示。 i r 图1 3 三次谐波法原理图 此方法实施简便，但当i o 有变化时，不宜判断出哪一相出现异常。另外，系 统电压中若含有谐波分量，则电容电流也将含有三次谐波，与i f 3 叠加后将使测量 到的i o 比实际阻性电流的三次谐波分量增大很多，产生错觉。 1 3 5 双“a t ”法 双“a t ”法主要是监测m o a 的阻性泄漏电流，其工作原理是，一个a t 传感 器采样正常泄漏电流，另一个a t 测量在过电压情况下冲击大电流的峰值以记录 m o a 动作次数，并根据相应的参考电流值来区分m o a 动作原因( 如区分雷击或操 作过电压等) ，信号经a d 转换后进行数字信号处理，用光纤所取电压信号来判断 电网谐波对测量泄漏电流阻性分量的影响，为了区别泄漏电流的增大是否为温度 引起，设嚣了一个温度传感器取m o a 附近环境温度，工作原理如图1 - 4 所示。 图1 - 4 双“a t ”法在线监测原理 双“a t ”法依靠强大的支持软件来实现在线监测功能，同时考虑了来自电网 的谐波和温度的影响，实现功能较强大，在线监测完善。但经济性不够好，对于 目海大学t 学硕士学位论文 第一章绪论 高压m o a 来说，一般可运行约2 0 年，其长期稳定性还有待时间检验。 1 3 6 基于温度的测量法 温度监测法是一种全新方法，简单、实用。主要受m o a 能量吸收能力和老 化或受潮导致的能量损耗的影响。正常运行条件下，吸收能量损耗，温度变化很 小，出现过电压时，温度可能暂时会有所上升，但会慢慢恢复。在老化或受潮时， 温度会逐步上升，测量温度不是一种了解运行状态的直接方法，但温度是影响 m o a 运行状态参数的综合结果，在持续运行电压下m o a 的过热直接与能量损失 相关，而与运行电压的质量及外界干扰等无直接关系。将温度传感器放在避雷器 内部，使避雷器的密封较困难，且一个温度传感器并不能获得j 下确的指示避雷器 温度信号。德国开发了声表面波( s a w ) 温度传感器，无需电源，其在线监测系统 的原理如图1 - 5 所示，由振荡器发出高频信号( 频率3 0 m h z 3 g h z ) ，再由放在阀 片间的s a w 传感器接收该信号，并反射出带有温度信息的信号，再由现场接收装 置收集该高频信号，经数字信号处理，参照环境温度后得到相关的温度信号波形。 输入至 m o a 信号 、 反射信号 图1 5 基于温度法监测原理 这种无源s a w 传感器一般做成类似阀片形状，放在m o a 中部的阀片之间。 其发射和接收信号为特高频，受现场干扰很少，且对污秽较严重地区运行的m o a ， 可监测到m o a 表面污秽泄漏电流等导致的过热，便于对其局部加强防污措施。该 法对于正在制造且准备安装在线监测的m o a 很有用途，但对于已投入电网安全运 行的m o a 无法应用。 现在国外m o a 检测产品利用多种软硬件手段，运用f f t 算法实现精确测量， 便携式l c m ( 泄漏电流监视器) 技术较为成熟，应用也较为广泛；应用l a b v i e w 等软件构建g u i ( 图形用户界面) 使得长期实时监控更加方便。 1 4 系统方案的设计 在系统的具体方案选择时，从三个方面确定整体的设计方案5 】【6 】1 7 】： ( 一) 前述的几种方法中，总泄漏电流法灵敏度较差，结果不够准确；补偿法和 河海大学工学硕士学位论文第一章绪论 三次谐波法易受电网谐波的影响，温度测量法主要用于正准备安装的避雷器，而 基次谐波法能够较好的实现检测工作。基次谐波法主要优点：l 利用数学谐波分 析方法从总泄漏电流中分离出阻性电流的基波值；2 能够有效的抑制电网电压中 的谐波干扰；3 基波的功耗反映了避雷器的状况；4 容易排除相问干扰对测量结 果的影响。 ( 二) 比较定期停电检测和长期在线监测，定期停电检测不能够及时判断避雷器 的状况，有时在停电试验时未能发现问题，可能在正常运行电压下几个月后突然 出事故，在线监测的方法能够及时的发现并解决问题，在正常情况下检测人员也 能够根据数据及其变化趋势进行判断，因此在线实时检测避雷器性能，是目前公 认的较好的检测方法，可咀及时了解避雷器的性能状态。 ( 三) 数据传输方式的选择【8 1 ( 1 ) 有线方式有线方式主要包括双绞线方式、光纤方式、同轴电缆等。采用双 绞线通信一般为总线结构，如r s 4 8 5 1 4 2 2 总线，这是目前使用最为广泛的一种通 讯方式，其价格低廉，通讯速率和通讯距离都能很好地满足一般远程传输的要求。 光纤通信是6 0 年代兴起、7 0 年代得到迅速发展的种新技术，它是以光导纤维( 简 称光纤) 为传输媒介、以光波为载波的信息传输方式，光纤具有极宽的频带、极小 的损耗和很强的抗电磁干扰的能力，光纤可以取代现在的对称电缆、同轴电缆等 多种传输电缆，是种很好的传输方式，但以上几种有线方式必须铺设线缆，给 具体应用带来不便。 ( 2 ) 无线方式主要提出g p r s 方式，它具有上网连接速度快和收费低廉等特点， 是理想的无线通信方式，g p r s 不按时间计费，按流量计费，因此，g p r s 服务一 经推出，便受到各界的青睐，逐渐成为远程传输系统的最佳方案之一。g p r s 与现 有的g s m 语音系统最根本的区别是g s m 是一种分组交换系统，因此，g p r s 特 别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据 量传输，这一特点正适合大多数移动互联的应用。 两种方式经过比较可以知道，有线方式对于不具备介入条件的现场来说，前 期工作量较大，而无线的方式成本较低，工程期限较短。 通过以上几种方案的比较分析，本设计前端阻性电流检测综合考虑国内外各 种方法的优缺点，选择基次谐波法并结合双“a t ”法的设计思路进行测量阻性泄 漏电流的检测，并通过g p r s 无线的方式把测量数据远程传输到远程监测管理中 心，即提出了一种基于g p r s 远程无线传输实时监测避雷器性能的新方法。 1 5 课题研究的主要内容 课题研究的主要内容包括现场采集部分、g p r s 透传模块和远程监测中心系统 河海大学t 学硕士学位论文第一章绪论 管理三个部分进行。现场采集部分主要是对小电流互感器采集的电流信号进行处 理，去除谐波分量，并结合p t 采集的电压相位信息计算出阻性电流值，同时能够 记录雷击的次数信息并在现场用液晶显示测量结果；g p r s 透传模块的设计主要是 用w 7 7 e 5 8 单片机控制m c 3 5 i 模块把现场采集数据远程传输到远程监测中心；远 程监测中心完成对g p r s 发送数据的接收和客户端对服务器数据库的实时数据和 历史记录进行查询分析，从而判断m o a 状况，系统总体结构如图1 - 6 所示。 图1 6 系统总体结构 通过充分调研并翻阅大量资料，针对课题设计要求确定了研究总体思路及技 术开发路线： ( 1 ) 根据氧化锌避雷器的工作原理及避雷器实际性能检测的具体要求，确定了 现场采集部分具体方法。 ( 2 ) 熟悉局域网通信和g p r s 网络和传输功能以及t c p i p 协议模型。 ( 3 ) 设计和调试现场采集部分的硬件电路，设计调试g p r s 透传模块。 ( 4 ) 开发设计远程监测中心的信息管理系统软件。 河海大学工学硕士学位论文第二章氧化锌避雷器阻性电流测量原理 第二章氧化锌避雷器阻性电流测量原理 研究和设计氧化锌避雷器的在线监测系统必须了解避雷器的结构和电气特性。 本章首先介绍了避雷器的结构和电气特性，对比了故障前后氧化锌避雷器的性能 差异，从而得出其检测的原理和方法，并对避雷器在谐波干扰情况下的泄漏电流 和避雷器故障前后的电流和电压之间相位关系的变化进行了仿真。 2 1 氧化锌避雷器的结构及电气特性 氧化锌避雷器主要由氧化锌阀片、压力释放装置、瓷套等组成。氧化锌阀片 以氧化锌为主体，添加少量其它金属氧化物，是在1 0 0 0 。c 以上的高温下烧结而成 的电阻。不同额定电压等级的避雷器选用不同形状的若干阀片，组装时在瓷套内 叠加而成，结构简单方便。 m o a 阀片的主要成分是z n o ，这种阀片具有极好的非线性保护特性，其晶介 层的相对介电常数可达5 0 0 2 0 0 0 ，使阀片具有相当大的电容量，在运行中流过阀 片的电流主要是电容电流。在工频电压下，z n o 阀片的等值电路如图2 - 1 所示，图 中r c 为氧化锌晶粒本体的电阻；c 为晶介层的固有电容；r 为晶介层电阻。当系 统的额定电压作用在氧化锌阀片上时，它具有极大的电阻，只有微安数量级的电 流流过，而一旦出现过压，氧化锌阀片的电阻就会变的很小，强大的雷电流可以 顺利的通过，而不产生很高的残压。这样就限制了过电压的幅值，保护了电气设 备的绝缘，当电压恢复正常时，氧化锌阀片又恢复到高阻状态，相当于一绝缘体p 1 。 r c 图2 - 1 氧化锌避雷器的等值电路 m o a 起到过电压保护的非线性电阻器的作用。对于高能耗的应用场所，它由 几柱金属氧化物阀片并联在同一个瓷套中。每柱金属氧化物阀片的非线性伏安特 性用指数函数数学模型可用下式表示： 河海人学工学硕士学位论文 第二章氧化锌避雷器阻性电流测量原理 笋咄( ) 亩( 2 - 1 ) 式中，u 。f 、i r e f 分别为参考电压与电流；k 。与a i 为第i ( i = l ，2 ，3 分别对应伏 安特性的小电流区、非线性区和饱和区) 段曲线的系数。 而通常伏安特性也可以表示为： = c i 。 ( 2 2 ) 式中，c 为阀片电阻的材料系数；0 【为阀片的非线性系数，小于1 ，c t 越小， 非线性的程度越大。其伏安特性如图2 - 2 。 厂 i 一 图2 2m o a 阀片伏安特性 比较两式可知，前者电压与电流采用对数形式，其基准值分别为参考电压与电 流。参考电压是当避雷器通过参考电流时避雷器上的电压，其值通常与避雷器的 额定电压接近或相等。避雷器上电压大于参考电压时，电流将随电压的升高而迅 速增大，实现电压限制，所以参考电压又称起始工作电压，通常以通过l m a 工频 电流阻性分量峰值时避雷器端电压的峰值u i i i l a 为参考电压。( 2 - 1 ) 式中1 a i 即为非 线性系数，每柱金属氧化物阀片的保护电压u 。o n 由i 一通常为5 0 0 a 或1 k a ) 确定， 可由( 2 一1 ) 式得出在不同的特性区的相对值的对数关系，如图2 3 所示。参数k 和旺根据m o a 制造厂家提供的平均伏安特性确定，不随保护电压而变，通过增加 每柱串联的氧化锌电阻片数量，得到所要求的保护电压。 l 8 ( u u7 9 ) 一 一：! k f l g ( i j l 图2 3 电流电压的对数关系分析 目前大多数m o a 不再串有间隙，这样在运行期间总有电流流过m o a 阀片 河海大学工学硕士学位论文 第二章氧化锌避雷器阻性电流测量原理 阀片也会因直接承受工频电压产生劣化现象或者避雷器结构不良、密封不严等原 因引起避雷器电阻特性的变化及泄露电流的增加( 特别是阻性电流的急剧增加) 。 u 图2 4 工频电压下m o a 向量变化图 在正常运行电压作用下，m o a 的阻性电流一般约为数十微安的微小电流，而 电容电流可在几百微安以上：所以在正常运行情况下，阻性电流仅占全电流的 5 2 0 ，在正常运行电压下，m o a 运行参数可简化为一个非线性电阻和一个恒 等值电容。性能正常的m o a ，其电流主要是全电流i ；当m o a 劣化或受潮时， 全电流i 将增大，此时，阻性电流i r 反映最灵敏。当阻性电流从i r 增大到l r l 时， 全电流i 电将增大到i l ，容性电流1 c 也将增大到i c l ，但阻性电流i r 的增加量远大 于容性电流i c 的增加量，此时，电流电压夹角由将减小到巾。，其变化关系如图2 - 4 所示。当运行中的m o a 受潮或劣化时，阻性电流将增大，全电流、容性电流也将 增大，电压和电流夹角将减d j ”1 。 2 2 阻性电流测量原理及仿真 ( 一) 测量原理分析 由前面的分析可以得出，流过避雷器的泄漏全电流为流过电容的电流和流过 非线性电阻的电流矢量和，有 i i = t + ，r( 2 - 3 ) 这里有如下关系： i r = i l c o s ( 2 - 4 ) c = i l s i n 庐 ( 2 - 5 ) 如果在金属氧化物阀片的两端加上正弦电压的时候，容性电流将比电压超前 9 0 0 ，阻性电流则与电压同相，但其中包含有奇次谐波分量，为奇谐函数。 电容c 为线性电容，一般情况下固定不变，其电压和电流的关系如下式： f ，= c 掣 ( 2 6 ) d f 非线性电阻r 的电压与通过的电流关系如下式 河海大学工学硕上学位论文 第二章氧化锌避雷器阻性电流测量原理 1 月2 k u【2 7 ) 在选取测量方法的同时，要考虑到电网电压对m o a 功耗的影响： 1 设电网电压只含有基波分量： ”= u xs i n t a t ( 2 8 ) 由于阀片的非线性特性，其阻性电流含有高次谐波分量： k = f l + f 2 + - - - - + = ，1 s i n c o t + 1 3 s i n ( 3 耐+ 九) + + lxs i n ( n r o t + 丸) ( 2 - 9 ) 而阀片的功耗为： 二 p = i u i 月= i u s i n o g t 【i l s i n c o t + 1 3xs i n ( 3 0 t + 九) + + j 。s i n ( n o j t + 丸) 】 ii ( 2 - 1 0 、 根据正交定理可知，上式中除第一项以外，其余的各项积分均为零，故在只 含有基波电压的作用下，阻性电流中只有基波分量做功，高次谐波分量并不做功。 2 当电网中存在高次谐波分量的时候，高次谐波阻性电流分量所产生的功耗较小。 如对三次谐波电压来说，有： 叱2 ( 1 2 m l ，而且f r 3 i ，所以， b 埘。时，高于国。的信号不易通过，即滤除掉了频率大于5 0 h z 的信号成 u 。“一a 矿u 。= 之u ( 3 7 ) 3 2 4a ；d 转换电路 事实上，外界信息许多都是模拟信号，只有将它们转换为数字信号，才能为 数字设备所用。所以a d 转换器是采集系统的核心。其性能好坏直接影响到采集系 统乃至整个工作系统的性能。它的指标如采集速率和采集精度都直接的制约着整 个采集系统所能达到的标准。 完整的a d c 的工作过程包括采样、量化、编码三部分。采样是获取某个特点 的输入信号，使信号在时间上离散。采样控制方式即是a d c 的控制方式包括三种： 河海入学工学硕士学位论文第三章现场采集部分设计 查询方式、中断方式和d m a 方式，其数据传输速度依次提高，但硬件开销依次增 大。具体选择要根据待采集信号的特点。量化的作用是使信号在幅度上离散。它 的指标用量化器的位数来衡量。根据不同的量化舍入方式( 截断式、舍入式) ，量化 引起的误差也有区别，a d c 一般采用二进制编码，编码方式分为单极性( o v + 5 v ) 和双极性( 一5 v _ + 5 v ) 两种，它们又包含多种形式，血i b c d 码、二进制补码等。a d 转换器的精度用采样位数来衡量，a d 转换器从结构上可以分为串联型和并联型， 串联型m d 转换器实现简单精度高但一般转换速率不高，包括下面几种类型： 1 ) 逐次逼近型 这种类型基于逐次逼近寄存器( s a r ) ，采用一个比较器对输入电压和一个n 位 数模转换器( d a c ) 的输出进行比较，数模转换器的输出用作参考电压。 2 ) 过采样型 这种转换器又称为一转换器，其原理类似于数据编码中的增量调制。它 由一个一调制器以及连接于后的数字滤波器构成在，并包括一个时钟单元为上 述器件定时。窄带信号输入过采样型转换器后，用l b i t 量化，采样频率很高，数字 滤波器处理后降低，分辨率可以达到很高( 3 1 6 位) 。 3 ) 积分型 积分型a d c 又称为双斜率或多斜率数据转换器。这是最常用的a d c ，典型结 构包括两部分：一部分电路采样并量化输入电压，产生一个时域脉冲序列；另一 部分是一个计数器，将序列转换为数字量输出。积分型a d c 的核心是一个积分器， 利用它的充放电时间来实现计数器计数，并作为量化输出。这类a d c 速率低，但 结构简单并具有抑制高频噪声和5 0 h z i 频噪声的能力。 并联型一般指得是直接转换型( 闪电式) ，它具有最高的转换速度但是它的采样 精度不高。 a 1 ) s 7 4 c e 嚣溉1 2 1 8 蜘完成撮作 l0 l0 l0 l0 l0 0 。 0 $0 君劝1 2 波“罅，换 0十 启动8 瞧“礴# 换 ii 4 1 2 使数字最鞴出 0o口齑8 位数字量输出 uolf 彘8 位数字璧输出 $光操作 $ 无操作 图3 - 6 a d 5 7 4 引脚图及操作功能表 a d 5 7 4 a 是美国a n a l o gd e v i c e 公 生产的1 2 高速逐次逼近型模数变换器片 内自备时钟基准源，转换时间为2 5 儿s ，转换精度为o 0 5 ，数字量输出具有三态缓 鼋| 晒 濡嚣臀慧黑嚣警 铃盯器铃斟拍技赳柏”埔撼 2 a4s6丁鑫，托 制礴艄脒i=：删一州一一一 河海大学工学硕士学位论文 第三章现场采集部分设计 冲器，可直接与微机的总线接口，又可直接采用双极性模拟信号输入，有着广泛 的应用场合。a d 5 7 4 a 的供电电源为士1 5 v ，逻辑电源为十5 v 。另外，a d 5 7 4 a 与 c m o s 及t t l 兼容，因而可构成简单的数据采集最小系统。它的转化速度很快，每 个测黾的结果可以进行很多次采样、滤波，从而保证论了系统的精度和稳定性。 设计中采用a d 5 7 4 是出于如下考虑： a d 5 7 4 片内自带高精度参考电压和时钟，因此无需外部c l o c k 时钟就可以全 速工作，减少了外部电路的数量，简化了电路，而且a d 5 7 4 完成1 次全1 2 位转 换最多需要2 5 p s ，较之老a d 系列芯片更加快速。其输出带有三态控制，故输出 可以直接挂在数据总线上。较之8 位a d 芯片精度更高，线性误差为：l 2 l s b 。 全泄漏电流的a d 转换电路的设计见图3 7 ，a d 5 7 4 的片选端接锁存器的0 8 端， 端接锁存器的q 2 端，尺f 接锁存器的q 1 端，8 9 c 5 2 的厩和丽经与非门与 a d 5 7 4 的c e 端相接，因此，a d 5 7 4 启动1 2 位a d 转换的地址为f f 7 c h 。读高8 位数 据的地址为f f 7 d h ：读低4 位数据的地址为f f 7 f h 。1 2 8 接地表示8 9 c 5 2 要分两次 从a d 5 7 4 读出a d 转换的1 2 位数字量【2 1 1 。 图3 7a d 转换电路 3 2 5 电压相位信号滤波电路 系统需要在p t 侧电压相位信号进行滤波，另外一路要在全电流端进行滤波， 在前面的i v 电路中实现。这里主要针对t v 转换后的电压相位信号进行处理。 滤波器有不同的分类方法，根据有源或无源滤波可以分为有源滤波和无源滤 波电路两种，根据滤波阶数又可以分为一阶、二阶、三阶等滤波器，而根据 河海大学工学硕士学位论文 第三章现场采集部分设计 载波信号的通过方式可以有低通滤波、带通滤波、高通滤波三种。 低通滤波器是一个通过低频信号而衰减或抑制高频信号的部件。理想的滤波 器是不可能实现的。但用电路元件可以制作出接近理想特性的实用滤波器。它的 传递函数可以表示成两个多项式的比： h ：型： k ( s ) ! 坐兰：! 型= ! 兰：! ! 兰! ! b s “+ 6 h l s ”q + + 6 l s + 6 0 ( 3 8 ) 其中a 、b 为实常数，m ，n = l ，2 ，3 ，( m n ) 。分母多项式的幂次n 即为滤波 器的阶数，低通滤波器的幅频特性如图3 8 所示。由于n 阶巴特沃斯低通滤波器是一 种全极点滤波器，则对于上式除a d b 所有分子项系数a 均为零，则传递函数变成一 常数与多项式之比： 部) = 器= 矿再 h t j u ) ( 3 - 9 ) 图3 8 巴特沃斯低通滤波器的幅频特性 根据给定的技术要求确定了相应的转移函数，并实现了巴特沃斯二阶有源低 通滤波器电路，如图3 - 9 所示： 图3 - 9 滤波电路 滤波器对幅频响应的要求是：在小于截止频率m 。的范围内，具有最平幅度的 响应，而在。6 0 。后，幅频响应迅速下降。 河海大学工学硕士学位论文 第三章现场采集部分设计 设r 1 6 = r 1 4 = r ，c 1 7 = c 1 8 = c ，计算巴特沃斯二阶低通滤波器的参数，此电路 耶) - 篇2 虿a 历o3 恙q l o ) 甜。掣国。 ” 令s = ju ，则二阶有源低通滤波器的幅频响应和相频响应分别为： l h ( j f o ) l = a o 印。2 f 们等 ( 3 - 1 1 ) a r g 砌= - a r c t a n 南 ( 3 - 1 2 ) 式中： 4 = 知= 1 + 而r 1 5 ( 3 - 1 3 ) 由。2 面1 ，q 2 瓦1 ( 3 - 1 4 ) 其中u 。为特征角频率，而q 称为等效品质因数。 由巴特沃斯滤波器频率响应特性可知，3 d b 时的截止角频率。= 。，根据滤 波器的频率范围的需要1 5 0 i - i z ，系统的截止频率应为f 。= 5 0 i - i z ， 有： m 。= 2 矾5 丽1 ( 3 - 1 5 ) 取c = 00 4 7 心， 则r = 6 7 7 3 k f ! ，令s = s 6 3 。，当n = 2 时，查表可以得到： 日( 踮志，q = l x 2 ，r ，_ o 5 8 皑。 经计算可以得出r 1 3 = 2 1 4 8 2 k f ! ，r 1 5 = 3 6 63 9 k f ! 最后选用的滤波器电路的电阻器和电容器的参数为：r 1 3 = 2 1 48 2 k f 2 ， r 1 5 = 3 6 63 9k q ，r 1 6 = r 1 4 = r = 6 77 3k q ，c 1 7 = c 1 8 = 0 0 4 7 u f 3 2 6 相位采集 一、相位采集的方法【2 3 目前采集相位的方法很多，大致可分为模拟方法和数字方法两类，模拟方法 是先对多个相位差脉冲进行积分，然后计算这多个相位差脉冲的宽度，再取平均 值求相位，这种方法精度较高，但是电路复杂，而且对元器件要求很高。数字方 法是赢接用计数脉冲对相位差脉冲进行填充，然后计算计数脉冲个数，再取平均 阿海大学工学硕士学位论文 第三章现场采集部分设计 值求相位，因此，计数脉冲频率越高，测量精度越高。对于具体实现的方法，有 利用矢量法、相乘器法、二极管鉴别法及取样混频法等，还有利用计算机组成的 测试系统。实际中可以根据具体条件采用不同的方法。下面是几种常用的相位采 集方法。 ( 一) 波形变换法 此方法考虑到电网电压由于非线性因素( 如负荷) 而出现的畸变，对信号需要进 行滤波，以使其采样信号接近正弦波。然后通过波形变换成为矩形波，若将两个 矩形波进行异或处理，则输出脉宽即对应相位差，如图3 1 0 所示。测出脉冲的宽 度，则可求出对应的相位差。 u l m 莶 i u 。霉二1 0 4 # = 0 。 ： u 2 斗二= ； 相位羞盛一百一 1 _ 芒 图3 一1 0 波形变换相位采集原理图 ( 二) 相关分析法 相关法是两同频率正弦信号的互相关函数零时刻值与其相位差是余弦成正比 的原理得到相位差。由于噪声信号常常与有效信号相关性很小，因此该方法有很 好的噪声抑制能力。 相位的检测首先是信号周期的检测，通常信号周期的测量是根据频率的高低， 分别采用高频信号测频率( 取频率的倒数) 和低频信号测周期的方法，这里是考虑直 接测周期的方法。 精确地测量信号的周期，是提高测量相位精度的重要基础。 影响相位测量精度的因素主要有： ( 1 ) 信号振幅的波动； ( 2 ) 混入信号的躁声。 ( 三) 过零法 过零法原理是通过计算两个或多个同频信号过零时间差，再将时间差转换为 相位差，如图3 1 l 所示。 河海大学上学硕士学位论文第三章现场采集部分设计 缓蹙鬻 图3 1 1 过零法采集原理图 判断两个信号过零点时刻t l 与t 2 的时问间隔t ，可以将时间转化为相位差， 信号采样周期为t ，n 为两信号过零点时刻t l 与t 2 间采样点数，信号周期为t 。 相位差的计算公式为： p = 2 ，r h t t = 2 ，r m t or 3 - 1 6 ) ( 四) 快速相位采集方法 该采集方法的基本原理是利用正弦波的正半周和负半周的对称性，正弦信号 之间的相位差可以在l 4 信号周期内被检测出来。其中，双极性锯齿波的频率是正 弦信号频率的两倍，中心点对准输入正弦电压信号的零点。通过其幅度对应于输 入正弦电流信号在半周内的过零点的变化可以线性地反应相位变化，如图3 1 2 所 示。并通过采样保持电路把矩齿波在该点的幅值转换成直流电压输出。 ，一 图3 1 2 快速相位检测方法 二、泄漏电流和电压之间相位差的采集【2 4 1 1 2 5 1 相位差输入是一矩形波信号，只要测出矩形波信号的占空比，就可算出信号的 平均值，因而得出相位差，经单片机计算可以得出相位角的余弦值。占空比的采 集类似于频率的检测，需要测出矩形波的高电平宽度和周期的比值，如图3 1 3 。 电路使用单片机内部的计数器对脉冲长度进行计数，当相位差是高电平时，计 数器开始计数，否则停止计数。利用中断来测量整个周期的值。设单片机时钟频 率是f s ，相位差信号的频率是f ，周期t = 1 f ，相位差信号脉冲宽度为t ，那么， 对于信号周期t ，单片机的计数脉冲个数为n = t t ( 1 f s ) ，则t = n f s ；相位差信号 脉度t ，有，nt = t o f s ) ，则t = nt f s 。那么，相角m 为： n t = 三3 6 0 0 ：皂3 6 0 。：生3 6 0 。 ( 3 1 7 ) j i ? h n 只 河海大学工学硕士学位论文 第三章现场采集部分设计 从上式可见，最后的相角完全取决于单片机的计数脉冲个数nt 以及n 。当 信号频率f 及时钟频率f s 都已经确定的情况下，那么n 也是确定的，因此相角中 完全取决于n t 。在时钟频率f s 较高的情况下，根据n t = tx f s 知计数脉冲n t 也会比较多，这样对相位差信号脉宽t 的采样点数也较多，同时采集系统中采 用了分频来增加脉冲采样点数，从而保证了测量的精度。