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山东大学硕士学位论文 电气设备的绝缘在线监测与状态检修 摘要： 本文首先阐述了状态检修技术和电气设备的绝缘在线监测技术的研究发展兴 起背景，接着对电气设备在线监测技术的发展阶段、基本原理、组成技术、应用技 术进行了分析讨论，重点对组成技术传感器技术、通信技术、数据处理技 术、数据分析技术进行了研究，然后列举了分散式电气设备的绝缘在线监测系统 和集中式电气设备的绝缘在线监测系统实际工程应用例子，对在线监测系统应用 现状和运行经验进行了介绍，指出了在线监测技术的发展方向。 在线监测技术的研究应用目的是实现状态检修，所以本文对状态检修的背景、 概念及意义进行了阐述，重点对实施状态检修的两个关键环节设备分析评 估技术和状态检修管理系统进行了研究，指出实施设备状态检修既是技术方面的 发展进步，也是是对现行检修管理体制的改革，是一项复杂的系统工程，而我国 又尚处于探索阶段，因此，实施设备状态检修既要有长远目标、总体构想，又要 扎实稳妥、分步实施。 状态检修是基于电气设备绝缘的实际工作状态而确定的一种检修方式，实施 电气设备绝缘在线监测则成为实施状态检修的必不可少的关键可行的技术手段， 要想对电气设备实行状态检修，电气设备的状态监测( 特别是连续状态监测) 是 基础。文章分析了这一新技术的应用需要进一步深入研究解决的若干技术问题， 指出电气设备绝缘在线监测是实现电气设备从“计划检修”向“状态检修”过渡 的惟一技术手段，具有广阔的发展前景和巨大的社会效益。 关键词：电气设备；绝缘；在线监测；计划检修；状态检修 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t ： t h i sp a p e rs t a t e st h eb a c k g r b u n do fs t u d y i n ga n dd e v e l o p i n gt h e i n s u l a t i n go n l i n em o n i t o r i n g ，t e c h n o l o g yo fo v e r h a u l i n gt e c h n o l o g ya n d e l e c t r i ce q u i p m e n to ft h es t a t e d t h e ni ta n a l y s e st h ed e v e l o p i n gs t a g e ， b a s i cp r i n c i p l e ，m a k eu pt e c h n o l o g y ，a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y o ft h e e l e c t r i ce q u i p m e n ta n a l y s e s ，i tm a i n l ys t u d i e st h em a k i n gu pt e c h n o l o g y - - t e c h n o l o g y o ft h e s e n s o r ， c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，t r e a t m e n t t e c h n o l o g yo ft h ed a t a ，d a t aa n a l y s i st e c h n o l o g yh a v ec a r r i e do nr e s e a r c h t h ep a p e re n u m e r a t e si n s u l a t i n go n l i n em o n i t o r i n gs y s t e m g e t t i n g c e n t r a l i z e di n s u l a t i n go n l i n em o n i t o r i n gs y s t e ma c t u a lp r o j e c to fe l e c t r i c t h ee x a m p l eo fe l e c t r i ce q u i p m e n to fd i s p e r s i n ge t c t h ep a p e ra l s om a k e s a ni n t r o d u c t i o nt ot h ec u r r e n ta p p l i c a t i o ns i t u a t i o n so fo n l i n em o n i t o r i n g s y s t e ma n do p e r a t i o ne x p e r i e n c e ：a n di tp o i n t e do u t t b ed e v e l o p i n g d i r e c t i o no ft h eo n l i n em o n i t o r i n gt e c h n o l o g y t h ep u r p o s eo fr e s e a r c h i n gt h eo n l i n em o n i t o r i n gt e c h n o l o g yi st o r e a l i z et h eo v e r h a u l i n go ft h es t a t e ，s ot h i sp a p e re x p l a i n st h eb a c k g r o u n d ， c o n c e p ta n dm e a n i n gi nw h i c ht h i st e x to v e r h a u l e dt ot h es t a t eh a v eb e e n e x p l a i n e d i te m p h a s i z e so nt h et w ok e yl i n k so fu s i n gt h ew o r k i n gs t a t e 一e v i c ea n a l y s e sa s s e s st e c h n o l o g ya n ds t a t eo v e r h a u la d m i n i s t r a t i v e s y s t e mg o e so nt ob er e s e a r c h e d i tp o i n t so u ta n di m p l e m e n t st h ee q u i p m e n t s t a t et h a to v e r h a u lst h ed e v e l o p m e n ta n dp r o g r e s st h a ta r et h et e c h n o l o g y i t i st ot h ec u r r e n tr e f o r mo fo v e r h a u l i n gm a n a g e m e n ts y s t e mt o o ，i ti s ac o m p l i c a t e ds y s t e me n g i n e e r i n g ，y e to u rc o u n t r yi ss t i l la tt h es t a g e o fe x p l o r i n g ，s o ，i m p l e m e n t i n gt h ee q u i p m e n ts t a t ea l r e a d yt oo v e r h a u lh a s al o n g r a n g eo b j e c t i v e ，o v e r a l li d e a ，s t u r d ya n ds a f ea n di m p l e m e n t i n gs t e p b ys t e pa g a i n i t i so nt h eb a s i so fe l e c t r i ce q u i p m e n ti n s u l a t i n ga c t u a lw o r k i n g s t a t ea n dak i n do fw a yo fo v e r h a u l i n gc o n f i r m e df o rs t a t en o tt oo v e r h a u l ， i m p l e m e n t t h ee l e c t r i c e q u i p m e n ta n dm o n i t o r a n db e c o m ee s s e n t i a l t e c h n o l o g i c a lm e a n sw i t hf e a s i b l ek e yt h a t t h e s t a t ei so v e r h a u l e d i n s u l t i n g l yo n l i n e 。i fw ew a n tt oo v e r h a u lt h es t a t et ot h ee l e c t r i c e q u i p m e n t i ti saf o u n d a t i o nt h a tt h es t a t eo ft h ee l e c t r i ce q u i p m e n ti s m o n i t o r e d ( e s p e c i a l l yt h ec o n t i n u o u ss t a t ei sm o n i t o r e d ) t h i sa r t i c l ea n a l y s e ss o m et e c h n o l o g i c a lp r o b l e m so fu s i n gt h en e w t e c h n o l o g y t or e s e a r c ha n ds o l v et h i s a p p l i c a t i o n n e e ds e v e r a l t e c h n 0 1 0 9 i c a lp r o b l e m st h a tr e s e a r c ha n ds o l v et h o r o u g h l yf u r t h e r ， i t p o i n t so u te l e c t r i ce q u i p m e n tt ob ei n s u l a t i n gt oi si tr e a l i z ee l e c t r i c e q u i p m e n td e v e l o p sf r o m p l a no v e r h a u l “t o t h es t a t ei so v e r h a u l e d 。 t h eo n l yt e c h n o l o g i c a l m e a n st oc a r r yo u tt h et r a n s i t i o n 1t om o n i t o r o n l i n e ，i th a sw i d ed e v e l o p m e n tp r o s p e c ta n di tc a nb r i n ge n o r m o u ss o c i a l b e n e f i t 山东大学硕士学位论文 原创性声明和关于论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文，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： 萼谭； 日期：2 0 0 5 年4 月2 7 日 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) 做作者躲肄审乏导师 论文作者签名：二笨、妒乏导师日期：2 0 0 5 年4 月2 7 日 山东大学硕士学位论文 0引言 一种新的绝缘监测技术一电气设备绝缘在线监测技术，已成为国内外高电 压技术工作者关注的研究热点，随之出现的电气设备的“状态检修”概念也在电 力系统中引起广泛重视。在近年来召开的历届国际高压学术年会( i s h ) 及亚洲绝 缘诊断会议e ( a c e i d ) ，有关电气设备绝缘在线检测与状态检修方面的论文都占有 相当大的比例。在我国，各种形式的绝缘在线监钡4 装置及系统已相继进电网投入运 行，并在电力系统中捕捉到了些典型故障，为在线监测这新技术积累着非常重 要的运行经验和监测数据，推动其不断完善和向更高水平方向发展。运行结果表明， 采用这一新技术不仅能够及时发现电气设备的早期绝缘缺陷，防止突发性事故发 生，同时也可以减少不必要的停电检修，避免传统试验对电气设备由于“过度检 修”所造成的巨大损失，有效地延长设备的使用寿命，学位从而使设备检修实现 优化配置。在线监测技术的日益完善为电气设备实行“状态检修”创造了十分有 利的条件。 1 电气设备绝缘在线监测技术的发展阶段 绝缘在线监测技术的发展，大体经历了以下3 个阶段： ( 1 ) 带电测试阶段 这阶段起始于7 0 年代左右。当时人们仅仅是为了不停电而对电气设备的某 些绝缘参数( 主要是泄露电流) 进行直接测量。设备简单，测试项目少，测试的灵 敏度较差，所以应用范围较小，未得到普及应用。 ( 2 ) 专用传感器测试阶段 从8 0 年代开始，出现各种专用的带电i 煲牺吣皤，使在线监测技术从传统的模 拟量测试走向数字化钡惶，摆脱将仪器直接接入测试回路的传统测量模式，取而代 之的是使用传感器将被测量的参数直接转换成电气信号；同时还出现些其他通过 非电量测量来反映绝缘状况的测试仪器，如远红外装置、超声装置等。这一时代具 有代表性的测试仪器是日本的i _ c d - 4 形避雷器泄露电流测试仪。 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 微机多功能绝缘在线监测阶段 从9 0 年代开始，随着计算机技术的推广使用，出现以计算机处理技术为核心 的微机多功能绝缘在线监测系统。利用计算机技术、先进的传感器技术和数字波形 采集与处理等高新技术，实现更多的绝缘参数( 如介质损失正切值t g6 ，试品c x 、 泄露电流i 、局部放电等) 在线监测。这种在线监测可以实时连续地巡回监测各被 测量，因此，监测内容丰富，信息量大，处理速度快，可以对监测参数实时显示、 储存、打印、远传和越限嘏警，实现了绝缘在线监测的自动化，代表了当今绝缘在 线监测的发展方向。到目前为止，大量的在线监测的技术已经在电力系统设备缺陷 检测中得到广泛应用，积累了一定的经验，并在检测设备的绝缘性能中发挥了重要 的作用。 在国内，在线监测技术的开发与应用始于上世纪8 0 年代。由于受当时整体技 术水平的限制，如电子元件的可靠性不高，计算朝应用刚刚起步，当时的在线监测 技术水平较低。8 0 年代末曾在国内掀起了第个应用高潮，后来由于种种原因又 慢熳冷了下来，到9 0 年代中期处于个低落时期，但是一些厂家和科研院校并没 有放松对该项技术的研究，各地的供电部门也陆续引入在线监测技术。到2 0 0 0 年 后，随着在线监测技术的不断成熟及客观的需要，在线监测技术又开始重新被大家 所重视，目前，在国内很多地区都开展了这项工作。 综上所述，国内从“绝缘在线监澳0 系统”研制至今已有近2 0 年的历史，从早 期的“过零比较法测量原理”到现在的“频谱分析法测量原理”，从原先的“无源 电流传感器”至i 觑在的“有源零磁通传感器”，从原来的“巡检式测量结构”到目 前的“分布式就地测量结构”，以及从“绝对值判断法”到目前的“相对比较判断 法”，每一次的改进都不是种简单的形式上的变化，更不是一种为争取市场而变 换的花样，它是随着各种技术的不断发展和进步、对以往运行经验的不断总结的结 果。绝缘在线监测技术发展的高级阶段将是全自动在线监测系统与专家诊断系统的 完美结合，从而构成智能化绝缘在线监测与诊断系统，并纳入到整个电网的综合自 动化系统中。 2 电气设备的绝缘在线监测系统基本原理 2 电气设备的绝缘在线监测的基本原理是在电气设备处于运行状态下，利用其 山东大学硕士学位论文 工作电压来监测设备绝缘的各种特征参数，因此可以有效地反映电气设备绝缘的实 际状况，从而对设备绝缘状况作出比较准确的判断。 目前我国运行的绝缘在线监测装置大体可以分为2 大类，集中式微机在线监 测装置和分散式在线监测装置。前者是将被测信号通过电缆引入设在中央控制室的 微机在线监测屏进行集中监测，并迅速完成对监测数据的处理与分析。其突出优点 是，可以对所有被测设备实施定时或巡回自动监测，运行方式灵活、易于扩展、监 测容量大、便于建立专家诊断系统，实现变电站的综合自动化。分散式则是利用专 用的测试仪器，从固定安装在电气设备附近的专用传感器取得信号，就地进行测 量。其优点是结构简单，价格较低，易于更新，便于推广；缺点是测试工作仍然需 要人工操作，不能纳入变电站的整个自动化系统。 2 1 电气设备的绝缘 为了保证电气设备乃至整个电力系统的安全、可靠运行，必须保证各种电气 设备的绝缘( 包括绝缘材料和绝缘结构) ，使之具有一定的电气强度，并且使绝缘 在运行过程中保持良好的状态。但是由于种种原因，电气设备的绝缘往往是整个电 力系统中的薄弱环节，绝缘故障通常是引发电力系统事故的首要原因。 电气设备的绝缘在长期运行过程中会发生一系列物理变化( 例如固体介质软 化或熔解等形态变化、低分子化合物及增塑剂的挥发等) 和化学变化( 例如氧化、 电解、电离、生成新物质等) ，致使其电气、机械及其它性能逐渐劣化( 例如电导 和介质损耗增大、变脆等) ，这样绝缘遭到破坏。电气设备的使用寿命一般取决于 绝缘的寿命，促使绝缘破坏的原因很多，主要有热、电和机械力的作用，此外还有 水分( 潮气) 、氧化、各种射线、微生物等因素的作用。它们往往同时存在、彼此 影响、相互加强，从而加速绝缘的损坏过程。 绝缘故障大多因内部存在缺陷而引起，有些绝缘缺陷是在设备制造过程中产 生或潜存下来的，还有一些绝缘缺陷则是在设备运行过程中在外界影响因素的作用 下形成的。就其存在的形态而言，绝缘缺陷可分为两类： ( 1 ) 集中性缺陷，例如绝缘子瓷瓶内的裂缝、发电机定子绝缘因挤压磨损而出 现的局部破裂、电缆绝缘层内存在的气泡等。 ( 2 ) 分散性缺陷，例如电机、变压器等设备的内部绝缘受潮、老化、变质等。 当绝缘内部出现缺陷后，就会在它们的电气特性e 反映出来，我们就可以通过在线 山东大学硕士学位论文 测量这些特性的变化来发现隐藏着的缺陷，然后采取措施消除隐患掣 2 2 电气设备的绝缘在线监测项目 由于电气设备种类繁多，结构各异，其绝缘在线监测的项目各有不同。根据 传感器的特f 生和不同设备的特点，下面对我国电气设备绝缘在线监测的项目进行介 绍。 2 2 i 静止类设备在线监测项目 设备名称在线监测参量 变压器 油中h 2 、c o 、c h 4 、c 2 h 2 、c 2 h 4 、c 2 h 6 六种溶解气体含量、总烃 含量及故障类型的判断 高、中、低压侧套管绝缘介损、等值电容、末屏泄漏电流值、变 压器铁芯接地电流i 及是否有多点接地的判断 氧化锌避雷器总泄漏电流值、阻性电流有效值、阻l 生电流正峰值、负峰值、阻 ( m o a ) 性电流峰讪孥值、功率损耗 电压互感器 原边对副边的泄漏电流值( 原边对副边的主绝缘) ( p t ) 电流互感器末屏泄漏电流值、电容值、介损值 ( c t ) 耦合电容器末屏泄漏电流值、电容值、介损值 ( o c ) 电容式压变末屏泄漏电流值、电容值、介损值 ( c v t ) 变电站支柱污泄漏电流 秽 某线路电压或 某线路暂、动态电压或电流谐波 电流 g i s 组合电器 s f 6 气体、局部放电等 l 、避雷器的监测说明 目前变电站使用的氧化锌避雷器绝大部分不再有串联间隙，m o a 运行期间总 有一定的泄漏电流通过阀片，加速阀片老化；而受潮和老化是m a 阀片劣化的主要 原因。检测m o a 泄漏全电流和阻性电流值能有效地反应m o a 的绝缘状况，在线电流 测量反映整体严重受潮现象，早期老化时阻l 生电流增加较多，全电流变化则不明显。 4 山东大学硕士学位论文 在正常运行隋况下，流过避雷器的主要电流为容性电流，阻性电流只占有很小的一 部分，约为1 0 _ 2 0 9 6 左右。阻隆分量主要包括：瓷套内、外表面的沿面泄漏，阀片 沿面泄漏及其本身的非线性电阻分量，绝缘支撑件的泄漏等。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，容性电流变化不多，而阻 生电流却 大大增加。避雷器事故主要原因是阻性电流增大后，损耗增加，引起热击穿。所以 测量交流泄漏电流及其有功分量是现场检测避雷器的主要方法，预防性试验规程也 将氧化锌避雷器( m o a ) “运行中泄漏电流”的测量列 预试项目。 2 、c v t 、耦合电容器、电流互感器、套管等容陛设备说明： 首先简单介绍一下介质损耗的概念，电介质就是绝缘材料。任何绝缘材料在 电压作用下，总会流过一定的电流，所以都有能量损耗。把在电压作用下电介质产 生的切损耗称为介质损耗或介质损失。如果电介质损耗过大，会使电介贡温度生 高，促使材料发生老化( 发脆、分解等) ，如果介质温度不断上升，甚至会使电介 质熔化、烧焦，丧失绝缘能力，导致热击穿，因此电介质损耗的大小是衡量绝缘介 质电性能的项重要指标。 介质损失角：若设总电流与电压之间的夹角为咖，由角的余角为6 ，我们称6 为 介质损失角，而称6 的正切为介质损失因数，记为t a n6 ，并用它来反映介质损耗 的大小。由于绝缘介质的损耗与t a n6 成正比，而t a n6 的值与绝缘体的形状和尺 寸无关，因此t a n6 和电容量c 是表征电容型电气设备绝缘状况的特性参数。通 过实时或周期性监测t a n6 和电容量c 的大小及变化趋势作为系统判断设备绝缘陛 能的依据。测量c v t 、耦合电容器、电流互感器、套管等容性设备介贡损失角正切 值是一项灵敏度很高的试验项目，它可以发现电气设备绝缘整体受潮、绝缘劣化以 及局部缺陷。绝缘受潮缺陷占电容型设备缺陷的8 5 4 ，这是由于电容型结构是通 过电容分布强串哟压的，其绝缘利用系数较高，一旦绝缘受潮往往会引起绝缘介质 损耗增加，导致击穿。绝缘最终击穿的发展速度非常快，然而绝缘劣化般具有以 下些基本特征： ( 1 ) 绝缘介质损耗值会增加，由此以及其他原因产生的热量最终可能导致绝缘 的热击穿。测量绝缘损失角正切值( t a n6 ) 可以检测介质损耗的变化。 ( 2 ) 绝缘中可能伴随有局部放电和树枝状电的发生。放电量很大的局放通常只 是在有雷电或者操作过电压存在以及绝缘损坏的过程中才出现，通过t a n6 测量可 以反映由此产生的介质损耗。 ( 3 ) 绝缘特性受温度变化的影响较大。绝缘温度系数决定于绝缘本身的型式、 山东大学硕士学位论文 大小和绝缘状况，对于特定的电压等级和绝缘设计，由于绝缘劣化导致温度系数的 增加，t a n6 值的温度非线性和灵敏度都会增加。因而，影响绝缘温度的所有因数 ( 介质损耗、环境温度、负载变化等) 对于老化的绝缘t a n6 值的影响都更加显著。 对于具有电容式绝缘的设备，通过其介电特性的检测可以发现尚处于比较早期发展 阶段的缺陷。研究表明，在缺陷发展的起始阶段，钡惶电流增加率和测量介质损耗 正切值变化所得的结果致，都具有很高的灵敏度；在缺陷发展的后期阶段，测量 电流增加现象和电容变化的情况一致，更容易发现缺陷的发展情况 3 、变压器测试主要项目说明： 变压器在运行中由于种种原因产生的内部故障，如局部过热、放电、绝缘纸 老化等都会导致绝缘油劣化和产生一定量的气体溶解于油中，不同的故障引起油分 解所产生的气体组分也不尽相同，从而可通过分析油中气体组分的含量来判断变压 器的内部故障或潜伏性故障。而色谱分析就是一个分析油中气体含量的最主要的手 段。 变压器油色谱分析，就是利用专用的气相色谱分析仪器，根据对绝缘油介质 中的气体进行定量定性的分析，分析电气设备的潜伏性异常故障。附：各种故障下 油和绝缘材料放出的主要气体成分 氢气( h 2 j “ 甲烷( c h 4 ) ； 乙烯( c 2 h 4 ) 乙炔( c 2 h 2 ) 。 氧化碳( c o ) 4 ；二氧化碳( c 0 2 ) ； “4 ”表示油中含有该气体。 油中溶解气体的注意值： 气体组分含量( p p m ) 总烃 乙炔 氢气 1 5 0 5 1 5 0 6 山东大学硕士学位论文 2 2 2 动作设备的监测项目及简要说明 序号设备名称监测项目技术指标 l 开关断口的时间、周期、弹跳等时 间参数，测试行程，超程，速 度，反弹，线圈电流等参数 2刀闸 绝缘电阻，合闸直阻，三相同 期 3 主变调压装接触直阻，桥接电阻 置 根掘断路器开断电流与开断次数、辅助电路线圈电流及机械振动特性等状态 信，鼠进行综合判断，以诊断其电寿命状态和常规机械故障，对于少油或多油、s f 6 及真空三大类不同电压等级的断路器，同时对一个变电站所有断路器的触头电寿 命、主要机械故障、辅助电路、气体温度湿度等进行实时监测与诊断，实时给出明 确的状态信息 2 3 原理帷图 由于不同电气设备的绝缘在线监测项目不同，因此要求采用各种不同形式的 传感器，将被测量信号( 电量和非电量) 抽取出来，转换成检测装置可以检测的信 号，并通过电缆送入检测装置。现代的检测装置大都采用数字化测量或微机处理系 统，因此要求对被测信号必须进行a d 转换，般是通过数字波形采集装置来完成。 当然，为了提高系统的抗干扰性能，对输入信号往往还要用光电耦合器进行隔离， 有的甚至采用光纤传输进行光电隔离。上面为一微栅绝缘在线监测系统简图。 山东大学硕士学位论文 3 在线监测系统组成技术研究 传感器是在线监测系统的入口器件，也是关键器件，其性能的优劣将直接影 响测量精度。所以要求传感器灵敏、可靠、线形度好，能够无失真地转换被测信号。 被测信号不同，所采用的传感器形式不同。目前进行电流电压变换的传感器大多 采用坡莫合金或铁氧体磁心的电流互感器形式，这种传感器的最大优点是结构简 单，安装方便，并将传感器信号与一次侧进行有效的电气隔离。缺点是镌心材料的 稳定性较差，信号变换的线形度有限。现在，大规模集成电路技术和微机械加工技 术的迅猛发展，为传感器向集成化、智能化方向发展奠定了基础，集成智能传感器 在应用领域成为传感器发展的总体趋势，下面对各种常用的传感器迸行逐一分析研 究。 3 l 1 普通穿芯电流传感器 电流传感器是绝缘在线监测系统的关键部件，直接影响各种参数的测量精度 及稳定性，为保证信号取样的安全陛，现场通常要求采用穿心结构的电流传感器。 如果把传感器设计成串接式结构，例如采用多匝输入的传感器或者采用电容分压的 取样结构，虽然会给整个设计带来方便，但任何一个环节出现问题，都有可能导致 一次设备的接地开路，甚至把故障电压引入到主控室。 无源穿心结构电流传感器具有简单、可靠等优点，早期被广泛使用，但由于 被测电流信号通常为毫安级，且又必须采用穿心结构，其精度通常难以满足介损测 量的要求。采用硬件补偿或软件修正的方式，虽然可以调整传感器的误差，使其在 某段测量范围内的相对精度得到提高，但却很难保证这种相对精度的稳定性，因为 精度及稳定性是密不可分的两个概念，评价个传感器的测量精度是否满足要求， 首先要考虑其误差的稳定性，具体说来就是考核测量误差是否受温度变化的影响， 山东大学硕士学位论文 是否可以互换使用。 3 1 2 零磁通技术传感器 采用有源零磁通设计技术，是提高小电流传感器检测精度的惟途径，但由 于“零磁通技术”是一种传感器的工作原理而不是一种设计方案，具体实施起来 还是有相当的难度，并不意味着只要采取零磁逮工作原理，传感器的精度就一定能 够得到保证。许多绝缘监测系统中所使用的电流传感器，尽管采用较大尺寸的铁芯 介面和较小的穿心孔径，并且采用了有源零嗷通的工作原理，但仍然无法解决传感 器的互换使用性问题，需要根据预试数据在现场进行修正，即使测量精度暂时得到 改善，稳定性问题却很值得怀疑。 3 1 3 自补偿式零磁通电流传感器 除了选用导磁率较高、损耗较小的坡莫合金作铁芯外，还采用了独特的深度 负反馈补偿技术，能够对铁芯的激磁磁势全自动跟踪补偿，保持铁芯在每一时刻都 工作在接近理想的零磁通状态，具有很高的测量精度和较好的稳定性。传感器的穿 心孔径为q ) 3 0 m m ，测量7 0pa 7 0 0 m a 范围内的工频电流信号时，相位误差均不超 过0 0 1 。，具有优良的温度稳定性和抗电磁干扰能力。传感器按照标准化工艺 生产，不需要进行误差修正或补偿，整个绝缘在线监测系统中所用的电流传感器均 可互换使用，且不需要在现场进行修正，较好地解决了电容型设备末屏电流信号的 精确取样问题，并且简化了现场调试工作：” 3 1 4 光纤传感器 光纤传感器的特点是：轻巧、耐用、稳定性高和抗干扰能力强。鉴于变电设备 的绝缘老化程度与设备内部的热状态密切相关，且测得的热点温度的准确性很大程 度e 取决于温度传感器的位置，所以在光纤传感器的使用研究上有以下几方面： ( 1 ) 使用低成本的光纤维探头和基于微处理器的信号模块及相关过程控制软 件设计套光纤点测温良系统，准确度达0 5 度，对一容量为2 5 k v a 的变压器试验 结果表明，司准确地对在范围为( o ，1 3 0 度) 的热点温度进行监测： 9 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 使用光纤传感器测量变电设备油中的糠醛浓度( f f a ) ，便于对变压器中 绝缘纸的老化程度进行估计。此传感器可嵌入到便携式测量仪器或与变压器糟连的 在线监测系统中，实现了对f f a 的连续监测 ( 3 ) 使用光纤传感器来监测变压器的局放水平，该系统由传感器探头、光电 信号单元和光纤连接单元组成。由于光信号仅为密封空腔长度的函数，故此传感器 的抗干扰能力强，可有效对变压器油中的局放水平进行监测和定位。 ( 4 ) 使用光纤声音传感器对变压器油中的局放进行监测和定位，在频率为 5 0 3 0 0 k h z 对此传感器进行了实验，实验结论和理论计算结果不同，认为产生差异 的原因是理论建模时忽略了谐振影响。 需要指出的是：光纤传感器价格昂贵，这与研究开发状态监测系统的初襄 降低运行成本相矛盾，且光纤传感器对现场安装要求极其严格，应用受到限制，目 前主要用于实验室研究中。 3 1 5 传感器新技术集成智能传感器的研究热点及发展方向 为了提离状态监测水平，对各种新型传感器的研究成了个新的研究热点，电 子自动化产业的迅速发展与进步促使传感器技术、特别是集成智能传感器技术日趋 活跃发展，近年来随着半导体技术的迅猛发展，国外些著名的公司和高等院校正 在大力开展有关集成智能传感器的研制，国内一些著名的高校和研究所也积极跟 进，集成智能传感器技术取得了令人瞩目的发展。 集成智能传感器采用微机械匀口工技术和大规模集成电路工艺技术，利用硅作 为基本材料来制作敏感元件、信号调制电路、以及微处理器单元，并把它们集成在 一块芯片上构成。这样，使智能传感器达到了微型化和结构一体化，从而提高了精 度和稳定性。 3 1 5 1 集成智能传感器研究四大热点 i 、物理转化机理 由于集成智能传感器可以很容易对非线性的传递函数进行校正，得到一个线 性度非常好的输出结果，从而消除了非线性传递对传感器直用的制约，所以些科 研工作者正在对这些稳定性好、精确度高、灵敏度高的转换机理或材料进行研究。 比如，谐振式传感器具有高稳定性、高精度、准数字化输出等许多优点，但传统的 传感器频率信号检测需要较复杂的设备，限制了谐振式传感器的应用和发展，现在 l o 山东大学顾士学位论文 利用同一硅片上集成的智能检测电路，可以迅速提取频率信号，使 导 皆振式微机械 传感器成为国际上传感器领域的个研究热点。 2 数据融合理论 数据融合是集成智能传感器理论的重要领域，也是各国研究的热点，数据融 合技术，简言之，即对多个传感器或多源信雠行综合处理，从而得到更为准确、 可靠的结论。对于多个传感器组成的阵列，数据融合技术能够充分发挥各个传感器 的特点，利用其互补性、冗余陛，提高测量信息的精度和可靠性，延长系统的使用 寿命。 数据融合是一种数据综合和处理技术，是许多传统学科和新技术的集成和应 用，如通信、模式识别、决策论、不确定性理论、信号处理、估计理论、最优化技 术、计算柳科学、人工智能和神经网络等。近年来，不少学者又将遗传算法、小波 分析技术、虚拟技术引入数据融合技术中。 3 c m 0 s 工艺兼容 目酊，国外在研究二次集成技术的同时，集成智能传感器在工艺上的研究热 点集中在研制与例o s 工艺兼容的各种传感器结构及制造工艺流程，探求在制造工 艺和微机械加工技术上有所突破。 利用口螨工艺兼容的集成湿度传感器将敏感电容和处理电路集成在块硅片 上，通过c o v e n t o r 模拟得到全量程总的敏感湿敏电容变化值，同时提高了可靠性 并降低了成本，随着微机械自旺技术的逐步发展，使得以s 工艺技术制造的集 成湿度传感器已经成为当前研究的热点。图像传感器在例0 s 工艺兼容基础上使得 其动态范围扩展技术有所进步 4 传感器的微型化 集成智能传感器的微型化决不仅仅是尺, - j - 上的缩微与减少，而是一种具有新 机理、新结构、新作用和新功能的高科技微型系统，并在智能程度e 与先进科技融 合。其微型化主要基于以下发展趋势：尺寸上的缩微和性质上的增强性；各要素的 集成化和用途上的多样化；功能上的系统化、智能化和结构上的复合性。 3 1 5 2 智能传感器的发展方向 ( 1 ) 向微型化发展 ( 2 ) 应用新的物理现象、化学反应、生物效应作为传感器原理 ( 3 ) 使用新型材料 ( 4 ) 向微功耗及无源化发展 山东大学预士学位论文 ( 5 ) 采用新的加工技术( 如化学微腐技术、微机械加工j 支= 术) ( 6 ) 向高可靠眭、宽温度范围发展。 3 1 5 3 我国集成智能传感器发展不足之处 目前集成电路技术发展非常迅速，但我国由于国有资金和技术等方面的不足， 同国外的差距还很大，国外集成电路的主流工艺正由0 3 5pm 向0 1 8um 推进， 而我国还是在1um - 3um 的工艺线上占主导地位，在未来的1 0 年2 0 年内，我国 “1 将难在集成电路带4 i 告领域同国外大公司抗衡：” 集成智能传感器是较新的发展领域，具有广阔的市场空间，它主要利用集成 电路的工艺和微机贼加工技术取得研究进展，但我国比国外集成电路的主流工艺要 落后到两代以上。如果我国把集成智能传感器的研制和生产作为半导体工艺的主要 发展方向之，就可以在现在的集成电路工艺线和微机械加工的优势基础上另辟蹊 径，使集成智能传感器的研制与生产具有一定功能模块化能力，为传感器产业的集 成化智能化发展积累新的技术，并拓展应用领域的广泛眭，使其成为未来传感器发 展的主流。 3 2 绝缘在线监测系统中的通信技术研究 3 2 1 数字波形采集系统概述 数字波形采集系统将被测信号转换成数字波形后，实现对数字波形的处理， 如进行傅立叶变换，将时域函数变为频域函数，从而得到更多的特征量，如幅值、 频率、谐波等，以利于对被测信号进行分析判断。整个采集应当在计算机的程序控 制下进行。为了满足测量精度，必须要求采集装置具有一定的采样速度和a d 转换 精度( 位数) ，以及适当的通道数。为了采集不同的信号，尚需数字波形采集系统 具有对被测信号的自动增益功能，以适应对强弱不同信号的采集。为了采集高频的 局部放电信号，还要求采集系统具有相当高的采样速率，应当不低于t o m 次s ；同 时数字波形采集存在着幅值误差，当采集正弦信号电压时，还存在相角误差，因此 为了提高采集精度，应设法提高提高采集信号幅值a d 转换器位数。 山东大学硕士学位论丈 3 2 2 上下位机间的通信 上下位机见的通信包括并口和串口两种( 见2 3 节原理框图) ，计算机通过并 1 3 决定多路选通开关中哪一路被选通；通过串1 3 设置数字波形采集装置的采样参 数，控制采样以及传输采样得到的数据量，下面从这两方面进行分析研究 3 2 2 1 计算机与多路选通开关间的并口通信 变电站绝缘在线监测系统可监测数十台绝缘设备，而本系统的数据波形采集 装置同一时间只对其中固定数目的通道进行a d 转换，故需在传感器和数字波形采 集装置之间加入多路选通开关，计算机通过并口控制其对各设备进行选通和切换。 在实际运行中，绝缘设备的被测信号和电压标准信号可同时被选通送入数据 波形采集装置进行a d 转换，由其间的相位差算得t a n5 及避雷器阻性电流等监测 量。根据现在通用的多路选择开关的设计，该装置可根据实际需要由多个模块组成， 分别实现3 2 路选l 路。每个模块由两片a d 7 5 0 6 、一片a d 7 5 0 1 和一片7 4 l 3 7 3 组成。 其中a 1 ) 7 5 0 6 是1 6 选一的模拟多路转换器，包括个1 6 路模拟开关阵列、个用 于通道选择的数字译码电路和个输入控制，a d 7 5 0 6 是由4 位地址为a 肚- a 3 的输 入控制1 6 路通道的选通。a d 7 5 0 1 是8 选1 的模拟多路转换器，由3 位地址a o - a 2 的输入控制8 路通道的选通。外部传感器来的多路信号从a d 7 5 0 6 的输入脚输入， 分别由地址位进行i 是通。7 4 l 3 7 3 是8 位d 型锁存器，用于锁存计算机发出的地址 信号，使计算机在测量过程中地址保持不变。 上位机通过并行端口向多路选通开关传送( 8 位) 数据以实现对其控制，需 使用如下函数( 1 ：_ o u p ( u n s i g n e ds h o r tp o r t ，i n td a t a b y t e ) ，其中第一个参数 为目标端口地址，第二个为要传送的数据。 3 2 2 2 计算机与数据波形采集装置间的串口通信 系统数据波形采集装置最多可4 路同时输入( 见下图) ，每路由一片a t 8 9 c 5 l 控制，可实现前置放大、低通滤波、浮点放大、a d 转换功能，4 个通道结构相同 可同时或单独工作，根据计算机指令决定哪一个通道工作，计算机与数据波形采集 装置问的通信实质上是计算机和单片机a t 8 9 c 5 l 间的通信。单片机采用查询发送、 中断接受的通信方式 山东大学硕士学位论文 上位机负责数据采集和处理，在1 v i n 3 2 环境下，上下位机之间的串口通信方 式有两种方法，一种用洒c o i i n ，另种用w i n 3 2 a p i 函数。前者是微软公司提供的 简化w i n d o w s 下串行通信编程的a c t i v e x 控件，通过它可容易的操作串口，但它的 源地址代码是不公开的，所有修改必须在它的外面，故代码的重尉i 生及灵活拦獭差； 而用a p i 函数编写的则扩展余地大，易添加一些特定功能。 3 2 3 蓝牙技术简介 蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术是种近距离无线通信标准，由爱立信、英特尔、诺基 亚、东芝和i b m 等五大公司组成的特殊利益集团( s i g ，s p e c i a li n t e r e s t sg r o u p ) 于1 9 9 8 年5 月联合制定。s i g 推出蓝牙技术的目的在于实现最高数据传输速率为1 m b s ( 有效传输速率为7 2 1 k b s ) 、最大传输距离为l o m 的无线通信，并形成世界统 一的近距离无线通信标准。蓝牙技术可提岗鼬自：本、低功耗的无线接入方式，被认 为是近年来无线数据通信领域的重大进展之一，其程序写在个9 m m x 9 m m 的微芯 片中。 蓝牙系统一般由四个功能单元组成：天线单元、链路控制( 固件) 单元、链路 管理( 软中挣单元和蓝牙软件( 协议) 单元。 1 、底层协议 底层协议作为蓝牙技术应用的基础，有着十分重要的作用。以目前的技术水 平，部分协议功能可以由个小型芯片来完成，这些功能主要包括： r a d i o r f ：进行频带的信道定义和信号的发送与接收； 1 4 山东大学硕士学位论文 b a s e b a n d ：实现基带部分协议和其它底层链路功能： l i n km a n a g e r ( l m ：用于链路的建立和管理； l 2 c a p ：是l o g i c a ll i n kc o n t r o la n da d a p t a t i o np r o t o c o l 的缩写，实现 高层协议复用、包的组装和拆分等功能； s d p ：是s e r v i c ed i s c o v e rp r o t o c o l 的缩写，发现并识别底层设备所能 黾供 的服务，以便高层应用调用。 2 、高层应用协议 高层应用协议主要包括以下几仲应用协议： r f c o 删：是e r s i 码0 7 1 0 标准的个子集； t c p i po v e rb l u e t o o t h ：通过这个协议可以支持t c p i p 服务； i r o b e xo v e rb l u e t o o t h ：这个协议提供了蓝牙与红外传输的兼容性； f i l e st r a n s f e ro v e rb l u e t o o t h ：通过这个协议可以支持f t p 服务。 值得注意的是，还有种高层应用协议可以支持w a p ( w i r e l e s sa p p l i c a t i o n p r o t o c 0 1 ) 应用，通过它可以有效实旋食广域范围内的移动网络。 根据上面的讨论，总的来讲，个完整的蓝牙应用解决方案是由软、硬件两 部分组成的，其中硬件部分包括r f 、