（高电压与绝缘技术专业论文）基于虚拟仪器的高压环境室监测系统的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 环境室是对高压电气设备在复杂大气条件下绝缘特性研究必不可少的大型试 验设备。本文将虚拟仪器技术应用于高压环境室监测系统研制中，以l a b v i e w 为 软件开发平台，以计算机为核心，配上传感器、信号调理模块、数据采集卡等硬件 设备和相应软件，成功地研制出了适合高电压试验要求的高压环境室监测系统和电 容型设备介质损耗因数的虚拟数字化测量系统，此系统操作简单、应用灵活、功能 完善。并通过试验测量证明了此监测系统和介损虚拟测量系统的有效性，为进行复 杂大气条件对高压电气设备绝缘特性影响的研究做好了准备。 关键词：高压环境室，监测系统，电容型设各，介质损耗因数，虚拟仪器 a b s t r a c t f o rs t u d y i n gt h ei n s u l a r i v ec h a r a c t e ro f h i g hv o l t a g ee l e c t r i c a le q u i p m e n ti nc o m p l i c a t e d a i re n v i r o n m e n t , e n v i r o n m e n tr o o mi s n e c e s s a r yt e s te q u i p m e n t i nt h i sp a p e r , v i r t u a l i n s t r u m e n tt e c h n o l o g yi sa p p l i e dt om o n i t o r i n gs y s t e mo fh i g h - v o l t a g ee n v i r o n m e n tr o o m ， a n dw i t hl a b v i e wa ss o f t w a r ep l a t f o r m , u s i n gh a r d w a r ee q u i p m e n ta ss e n s o r , s i e i l a l c o n d i t i o n i n gm o d u l e ，d a qc a r da n dc o r r e s p o n d i n gs o f t w a r eo nt h eb a s i so ft h ec o m p u t e r m o n i t o r i n gs y s t e mo fe n v i r o n m e n tr o o mf o rs a t i s f y i n gh i g h v o l t a g ee x p e r i m e n tr e q u i r e m e n t s a n dm e a s u r e m e n ts y s t e mo fc a p a c i t i v ee q u i p m e n td i e l e c t r i cl o s st a n g e n ta r ed e v e l o p e d ， w h i c ho p e r a t ee a s y , a p p l y i n gf l e x i b i l i t ya n ds t r o n gf u n c t i o n ap r a c t i c a lm e a s u r e m e n t e x a m p l ei sg i v e n t op r o v et h e i ra v a i l a b i l i t y t h ew o r kp e r f o r m e di nt h i sp a p e rw i l lb eo fs o m e v a l u ef o rf u r t h e rr e s e a r c ho nt h ei n s u l a t i v ec h a r a c t e ro fh i g hv o l t a g ee l e c t r i c a le q u i p m e n ti n c o m p l i c a t e da i re n v i r o n m e n t ， z h a n gy u h u a ( h i g hv o l t a g ea n d i n s u l a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f l uf a n g c h e n g k e yw o r d s ：h i g h - v o l t a g ee n v i r o n m e n tr o o m ， m o n i t o r i n gs y s t e m ，c a p a c i t i v e e q u i p m e n t ，d i e l e c t r i cl o s st a n g e n t v i r t u a li n s t r u m e n t 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于虚拟仪器的高压环境室监测系统的研 究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志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。 学位论文作者签名：日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景和意义 第一章绪论 我国幅员辽阔、山川纵横、地理气候条件变化极大，三分之二的面积属于高海 拔地区。每年冬季和初春季节，南北冷暖气流交汇，雾气凝滞，由于气象成因和地 形条件极其复杂，使得气候坏境复杂，东西不同，南北有别，局部地区还受“微地 形”、“微气候”的影响。同时我国一次能源和经济发展在区域分布上极不均衡， 煤炭基地在北部，丰富的水力资源主要集中在西部、西南部，而经济发展较快的负 荷中心主要集中在东南沿海省市与近海地区。西部十省( 自治区、直辖市) 水能资源 理论蕴藏量约5 5 7 亿千瓦，占全国的8 2 ，可开发水能资源约2 7 4 3 亿千瓦，占全国 的7 2 。目前开发程度还不到8 ，低于全国平均的水电开发程度，更低于世界水能 资源平均2 2 的开发程度 1 1 。中国煤炭累计探明储量约为1 0 0 0 0 亿吨，华北( 不含内 蒙古东部) 占4 5 9 、西北地区占3 0 、东北地区( 含内蒙古东部) 占7 3 ，其中，山 西、内蒙古、陕西三省( 区) 集中了全国储量的6 0 以上的煤炭资源【1 1 。这种能源资 源分布和经济发展区域不平衡的特点，宏观上决定了“全国联网、西电东送、南北互 供”必然成为中国最大范围内资源优化配置的基本取向，是中国电力工业发展的必然 选择。因此为了加快我国经济建设步伐，改善电网布局，需尽快开发西部和北部电 力资源，用超高压、远距离输电方式将电能西电东送。西电东送是指开发贵州、云 南、广西、四川、内蒙占、山西、陕西等西部省区的电力资源，将其输送到电力紧 缺的广东、上海、江苏、浙江和京、津、唐地区。全国联网和西电东送使得超高压、 大容量、远距离的输电系统正在形成，这些输电线路走廊和变电站选址不可避免穿 越低气压( 高海拔) 、覆冰、湿污等共存的各种复杂环境地区，这些地区经纬跨度大， 地形、地貌类型复杂多样，区内气候条件差异显著，西北干旱少雨、西南温湿多雨、 青藏高原寒冷。这些复杂的地域环境和气候特征使得高压电气设备绝缘特性发生显 著变化，严重影响其电气特性，如 2 1 ：电晕起始电压降低，运行温度升高，绝缘强度 降低，外绝缘放电电压降低等。这给高压输交电设备的绝缘选择、防闪络对策研究 和保障安全运行带来许多新的技术问题和理论问题，引起了科研、设计及运行部门 的高度重视。大气参数对电气设备绝缘的影响是一个极其复杂而又急需开展的研究 课题，自然界中的气候影响因素很多而且复杂，为了真实的模拟自然界复杂大气环 境，研究复杂大气条件对电气设备的影响，人工环境室成为必不可少的大型试验设 备。我校为了对高压电气设备( 特别是对电容型设备) 在复杂大气条件下绝缘特性的 研究，需要建立一个全面的，能满足温度、湿度和气压都能精确调节的人工环境室， 根据实际的试验需要来调节温度、湿度和气压以模拟高压电气设备所处的复杂大气 华北电力大学硕士学位论文 环境。 人工环境室就是在一个小空间范围内以各种模拟手段，人为地制造出与自然界 和特殊条件下的环境气候条件( 比如：温度、湿度、大气压力等因素) 相似的密闭空 间，现在广泛应用在科研、工业、现代农业、医药、冶金、化工、林业、环境科学 及生物遗传工程等领域。人工环境室研究有许多优点【3 】- 1 不用考虑季节的改变。2 大气状况能被精确的模拟、控制。3 试验室研究有利于模拟复杂的大气环境。4 而 且能分开单个被控气象参数的作用与若干气象参数组合之间的相互作用。特别是能 为研究者提供了可能的试验条件和机会探索当前不清楚的某些原因，相互作用及影 响，并以严格的精度去验证试验结果，以及进一步发现未来可能发展的某些问题。 人工环境室是一个复杂系统，能够在任意时候模拟复杂的气候条件，它主要的 气象参数是温度、湿度和气压，并且存在温度、湿度、气压多参数相互藕合问题【4 】， 如温度的变化则会引起湿度的变化，湿度的变化也会引起温度的变化，同时温度和 湿度的变化也会引起空气密度的变化从而引大气压力的变化。人工环境室是用来进 行三大气象参数( 温度、湿度、气压) 综合对设备绝缘影响的试验研究，而由于环境 温度、湿度、气压的交互影响，为此，在高电压试验时需要一个便于统一集中和同 时观测记录，并进行实时量化显示和大量数据的有规律存储的监测系统。在以往测 量过程中，通常使用温度计、湿度表、压力表等和输出模拟量的电测量仪表来测量 数据，是由人工读取和记录模拟仪表上的温湿度压力值，这种方法虽然成本较低， 但测量精度低，由于模拟式仪表指针、角位移指示的读数误差等原因，往往会加入 外界和人为因素的影响，人为误差大，并且每个参数测点的位置分布不同，不便统 一观测记录，观测不方便，实时性差，费时费力，效率低下。而且在高电压测量中 的高电压等级，使得人工难以近距离的直接读数。以l a b v l e w 为开发平台，利用虚 拟仪器与测试硬件间沟通的灵活性及软件方便简捷的特点，将各种设备的数据采 集、分析、处理和数据管理的功能用同一台计算机来处理。以计算机为核心，配上 传感器、数据采集卡、信号调理模块和配以相应软件组成监测系统。该监测系统将 虚拟仪器技术应用于环境室参数测量中，将气象参数( 温度、湿度、气压) 和试验电 气参数( 电压、电流) 进行实时监测，并进行量化显示和大量数据的有规律存储。将 不同的仪器结合在一起，方便管理使用、简化工作程序、降低成本并提高工作效率。 不仅为试验的控制和集中观测记录提供了方便，而且响应速度快、测量精度高，更 重要的是提供了数据采集和读数的精确度和实时性，从而增加了试验的准确性。该 监测系统的研究具有重要的理论意义和实用价值。 1 2 课题研究现状 1 2 1 人工环境室在电力系统中应用的现状 2 华北电力大学硕士学位论文 人工环境室最早应用于农业，用人工的办法模拟一年四季的气候变化情况，创 造一个人工气象环境，模拟一个适合生物生长的气候条件。人工环境室( 人工气候 装置) 产生于二战期间，最初主要用于农业生产。1 9 4 9 年借助于工程技术的发展， 美国人温特( w i s t f w ) 在加利福尼亚巴萨笛纳建成了世界上第一个人工环境室( 巴萨 笛纳人工气候室【5 1 ) ，它是推动世界各国发展人工气候装置的先导，其它如荷兰瓦赫 宁根、日本北海道、前苏联的莫斯科、澳大利亚堪培拉、法国g i g y v e t t e 等地都较 早地发展了人工环境室，对推动和加速农业的科学研究起到了明显的作用。 随着电力系统向大容量、大电网、高电压和远距离输电发展，人工环境室开始成 为了电力系统科研的重要设备，国内外都在这方面作了大量的有益探索。多年来，世 界上许多国家特别是美国、俄罗斯和日本等国为了研究高海拔地区( 低气压) 、污湿环 境下或覆冰条件下大气参数对电气设备绝缘强度的影响建立了规模不等的环境室。美 国沃特卢电力与计算机工程大学在做合成避雷器盐雾试验时采用了在一个木制的框 架上用聚碳酸酯板做了个尺寸为1 8 m 宽1 8 m 高1 8 m 长的简易气候室【6 】。我国人 工环境室在电力系统中的应用，虽然起步较晚，但发展较快。根据西南、西北高原地 区电力建设的需要，我国先后在西安、昆明等地建立了用于绝缘研究的人工环境室【7 1 。 为了研究高海拔低温度等复杂大气条件对绝缘予串污闪规律及其它绝缘的影响，武汉 大学、清华大学、重庆大学、电科院、武高所等科研院所也建立了规模不等的人工环 境室，并作了富有成效的工作。8 0 年代，在武汉水利电力大学高压试验室建立了大型 入工覆冰装置，由制冷压缩机、蒸发器、冷冻塔、转盘组成。冷冻塔的高度为6 7 3 m ， 能容纳3 0 片x p - 1 6 型绝缘子( 盘径2 5 5 ，高度1 5 5 ) 或x p 2 1 型绝缘子( 盘径2 8 0 ，高度1 7 0 ) 组成的长绝缘子串，冷风由蒸发器的鼓风机吹出，经冷冻塔的4 根管柱上升，由顶端 进入冷冻塔的腹腔，再返回蒸发器，组成封闭的冷风循环系统。通过封闭的冷风循环 系统塔内温度可自动控制，最低可达零下2 0 。在冷冻塔一侧的不同高度位置上设有 喷水嘴，向塔内均匀喷入过冷水雾，使绝缘子串覆冰。冷冻塔上部悬吊有转盘，当结 冰过程中开动冷冻塔上部悬吊绝缘子串的转盘，使绝缘子在塔中以1 r r a i n 的转速缓慢 旋转，均匀接受水雾获得的是沿圆周均匀分布的覆冰【8 1 。中国电科院为了研究高海拔 条件下覆冰的1 5 片以下绝缘子串工频污闪特性建了一个圆柱形绝缘材料人工气候室， 长4 m ，可安全承受0 4 个大气压差( 内部气压相当于海拔4 0 0 0 m ) ，室体采用透明材料， 试验时可清楚地看到被试绝缘子串在气候室内的放电发展过程【7 1 。武汉高压研究所为 了能进行百万伏级特高压输变电设备绝缘人工污秽试验研究工作，建立了国内规模最 大的人工污秽试验室【9 】，雾室净空尺寸2 4 x 2 4 x 2 6 ( 高) m ，北墙装有长1 7 m 的穿墙套管， 引进的8 5 0 k v 套管向雾室引入高压试验电源。重庆大学高电压与电工新技术教育部重 点试验室的多功能人工气候室i lo 】，是内径2 m 、内长3 g m 的圆柱形低温低气压人工气 候室。人工气候室主要由包括制冷系统、抽真空系统、喷雾系统以及风速调节系统等 四部分组成。室内的最低温度可达3 6 士1o c ，可以满足对绝缘子等电气设备进行人工 3 华北电力大学硕士学位论文 覆冰的要求：最低气压可达3 4 6 k p a ，可以用来模拟海拔7 0 0 0 m 及以下的高寒山区的大 气条件。人工气候室内还安装有三个按国际电工委员会( i e c ) 推荐制作的标准喷头， 用来在人工气候室内喷雾并形成覆冰的环境条件，气候室内的吹风装置既可以模拟风 速，又可用来使室内温度及雾粒分布均匀，试验电源从气候室一侧装设的1 1 0 k v 穿墙 瓷套管引入。其它科研院所的人工环境室为我校的人工环境室的建立提供很好的参考 和经验。 目前，虽然国内外研究者大量将人工环境室引入电力系统科研中，并对气象参 数对电气设备绝缘的影响作了富有成效的工作，但是由于气象参数多因素的相互制 约，导致模拟试验数据的分散性大，要得到普遍规律就十分困难，因此，还需要进 行大量的人工模拟自然环境的试验研究。并且将虚拟仪器技术引入到环境室的参数 测量中，对气象参数( 温湿度、气压) 和试验参数( 电压、电流) 进行同时实时监测， 增加了试验的准确性，更有助于认清大气参数对电气设备绝缘特性的影响。 1 2 2 虚拟仪器的研究现状 随着科学技术的发展，对许多物理量，如温度、湿度、气压等，使用传统测量 方法己经不能满足现代化科学研究和生产的需要。因此都将它们设法通过一定的传 感器变换成电信号，然后利用一套比较成熟的电子学方法来进行测量。这也就使得 电子测量技术在很多领域得到了应用。在现代科学技术中具有不可替代的重要作 用。电子测量仪器发展至今，大体可分为四代：模拟仪器、数字化仪器、智能仪器 和虚拟仪器。8 0 年代末，随着微电子技术与计算机技术的飞速发展，测试技术与计 算机深层次的结合引起测试仪器领域里一场新的革命，一种全新的仪器结构概念导 致新一代仪器一虚拟仪器的出现。 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ，简称v i ) 的概念，是美国国家仪器公司( n a t i o n a l i n s t r u m e n t sc o r p 简称n i ) 于1 9 8 6 年提出的，是对传统仪器概念的重大突破，是现代 计算机技术、仪器技术及其它新技术完美结合的产物。虚拟仪器技术的提出与发展， 是自动测试与电子测量仪器技术发展的一个重要方向，并将逐步取代传统的测试仪 器而成为测试仪器的主流【l “。虚拟仪器技术的优势在于用户可自定义仪器的功能和 结构，且构建容易，转换灵活，更重要的是它可以通过各种不同的接口总线，组建 不同规模的自测试系统。因此应用领域十分广阔。 虚拟仪器通常是由计算机、一定的硬件和应用软件三部分构成。在虚拟仪器整 个系统中，软件是实现功能和性能的，硬件仅仅是为了解决信号数据的采集输入和 输出的，计算机则是对采集的数据进行处理并将处理后的数据送入终端。虚拟仪器 的发展过程有两条线：( 1 ) 适合大型高精度集成系统的g p i b v x i p x i 总线方式。 g p i b 于1 9 7 8 年问世，v x i 于1 9 8 7 年问世，p x i 于1 9 9 7 年问世。( 2 ) 适合于普及型 的廉价系统，有广阔应用发展前景的p c 插卡一并口式一串口u s b 方式。p c 插卡 4 华北电力大学硕士学位论文 式于8 0 年代初问世，并行口方式于1 9 9 5 年问世，串口u s b 方式于1 9 9 9 年问世。 从构成方式讲，有以d a q 板和信号调理部分为硬件来组成的p c d a q 测试系统， 以g p i b ( 通用接口总线) 、v x i ( v m e 标准总线在仪器领域的扩展) 、p x i ( p c i 标 准总线在仪器领域的扩展) 、串行总线和现场总线等标准总线仪器为硬件方式组成 的g p i b 系统，以及v x i 系统、p x i 系统、串行总线系统、现场总线系统等i l 2 。 目前，虚拟仪器在那些发达国家中设计、生产、使用已经十分普及。美国是虚 拟仪器的诞生国，也是全球最大的虚拟仪器研究、制造地，其生产虚拟仪器的主要 厂家有n i 公司、h p 公司和t e k r o n i x 公司等。在美国，虚拟仪器系统及其图形编程 语言。已成为各大学理工科学生的一门必修课程。而在我国虚拟仪器的开发、生产、 使用正在起步。在我国应用的虚拟仪器开发平台主要有美国n i 公司的 l a b v l e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n tw o r k b e n c h ) 及其相应组件和h p 公司的 h p v e e 和h p i t g ；t e k t r o n i x 公司的e z - t e s t 和t e k - t n s 等，其中l a b v i e w 系列 产品在我国使用比较广泛。l a b v l e w 是基于图形化编程语言o 的虚拟仪器开发环 境，使用它开发虚拟仪器最大的好处就是可以提高开发效率。据统计，使用l a b v i e w 开发虚拟仪器比使用基于文本的语言开发效率可以提高很多，程序的执行速度却几 乎不受影响，同时它在信号处理等方面的强大功能是组态软件不可比的1 1 3 】。1 9 9 6 年以来，我国清华大学、重庆大学、西安交通大学、西安电子科技大学以及中科泛 华电子科技公司等高校和公司，在研究和开发虚拟仪器产品和虚拟仪器设计平台以 及消化吸收美国n i 公司、h p 公司等产品方面作了大量工作，取得了较好的进展i t “。 目前国内已有十几家企业在研制p c 虚拟仪器，有上百种系列实用产品面市，并开 始在军事、航天、通信、医疗、电力、石油勘探、铁路、电工技术等领域普及应用。 目前大部分厂家生产的虚拟仪器基本以计算机加数模转换及软件应用，其研制的产 品已包括示波器、频谱分析仪、频率计、波形发生器、波形记录仪、噪声测试分析 仪、小波变换信号分析仪等。但也有些开发比较早的厂家开始将虚拟仪器在某些行 业开始批量应用 1 5 1 据专家预测，到2 0 1 0 年我国将有5 0 的仪器为虚拟仪器，据 “国际自动化仪表”杂志预测2 l 世纪前1 0 年虚拟仪器的生产厂家将超过千家，品 种将达数千种，市场潜力巨大。 今后虚拟仪器技术将在总线和驱动程序的标准化、硬件软件模块化、编程平台 的图形化和硬件模块的即插即用等几个方面得到进一步的发展，它可以取代测量技 术传统领域的各类仪器。虚拟仪器在组成和改变仪器的功能和技术性能方面具有灵 活性与经济性，因而特别适应于当代科学技术迅速发展和科学研究不断深化所提出 的更高更新的测量课题和测量需求。虚拟仪器技术将会在科学技术的诸多领域得到 更加广泛应用。 1 3 课题来源及本文研究内容 华北电力大学硕士学位论文 本文的研究课题源于华北电力大学十五“2 1 1 工程”建设项目：电力设备在线 监测与故障诊断的研究。 本论文致力于建设一个用于高电压试验的温度、湿度、气压都能精确调节的高 压人工环境室。并根据设备结构、控制设备、传感器的具体情况，研制适合高电压 试验要求的监测系统。同时，在此监测系统的基础上，通过对电容型设备绝缘特性 的分析，开发电容型设备介质损耗因素的虚拟数字化测量系统。 鉴于以上考虑，本论文主要进行以下几方面的研究工作： 1 参与人工气候室的建设。建立一个较全面的，用于高电压试验的温度、湿 度、气压都能精确调节的高压人工环境室。以使该环境室能够根据实际的高压试验 需要来调节温度、湿度、气压以满足模拟湿沉降以及覆冰、低气压( 高海拔地区) 共 存的复杂大气环境的试验要求。 2 根据设备结构和特点、传感器的具体情况，组建适合高电压试验要求的高 压环境室监测系统的硬件平台。选购适合于本环境室的温度、湿度、气压传感器和 高速数据采集卡，并制做用于高电压试验( 如电容型设备介损测量) 的电流与电压传 感器，对高压环境室的主要参数如温度、湿度、气压、电压、电流等数据进行采集、 处理，并输入计算机。 3 开发高压环境室监测系统的软件系统。以l a b v i e w 为开发平台，采用高速 数据采集卡采集主要参量，通过l a b v i e w 开发应用程序和虚拟仪器面板，对环境 室的主要参数温度、湿度、气压、电压、电流等进行实时准确的监测，并直观地显 示在计算机屏幕上，也可根据需要以数据文件形存入磁盘，供各种计算使用。整个 测量过程通过计算机显示屏的中文界面人机对话，用键盘操作完成，测量值、结果 根据需要以多种方式输出。不仅为试验的控制和观测提供方便，更重要的是提供数 据采集和读数的精确度和实时性，从而增加试验的准确性。 4 在高压环境室监测系统的基础上，开发电容型设备介损的虚拟测量系统。 为了研究复杂大气条件对电容型设备绝缘的影响，通过对电容型设备绝缘特性的分 析，开发电容型设备介质损耗因数的虚拟测量系统，并以此电容型设备介损测量系 统对1 0 k v 套管的介损进行测量，通过试验证明此测量系统的可靠性。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章高压环境室的简介 2 1 高压环境室整体结构 2 1 1 环境室的结构 环境室本体既要能承受较大的气压差，又要对被试品周围的局部空间电磁场分 布无明显的改变，同时还必须保证在试验期间不发生对环境室本体或传感器等的放 电现象。本设计的基本点是首先要使环境室尽可能地小，这是因为在试验时环境室 内外的压力差很大，空间尺度的少许增加就会对材料的厚度或强度提出更高的要 求。留意一下已有的环境室，不难发现其内部空间远大于放电的活动范围，造成宝 贵的内部空间未能充分利用的原因在于环境室的金属结构。金属结构使得内部空间 受控于试品与室壁间的绝缘距离，若采用绝缘材料建造环境室，则此绝缘距离可大 大增加，内部空间利用率将显著提高，这样环境室可做到尽可能的小。其次影响空 间利用率的因素是环境室的形状。大多电气设备是长形的，因此圆柱形的环境室是 最佳的外形选择，这样既可使绝缘距离大，也能节省材料。最后环境室的尺寸在材 料和形状选定后尺度的确定实际上就成为最后一个问题。对于选定的圆柱形与绝缘 材料环境室来说，造价与圆柱直径成比例，选大了投资也是可观的，选小了就无法 实现预定目标，目前没有任何现成的经验可以参考。总之尺度既要尽可能地小，又 要保证环境室的引入不致于对置于其内的试品的高电压试验过程产生明显影响。 按以上设计思路研制成的环境室的外形为圆柱形罐体，罐体制作采用绝缘材料玻璃 钢，内径直径d - - 2 m ，高h = 4 0 m 。玻璃钢罐体内、外表面及引线支架喷涂r t v 涂料。 为了方便出入开有大门，大门高1 5 m ，宽o 7 5 m ，严格密封而且保温。环境室内顶上的 高压金属钩能够承重1 5 0 k g ，罐底不锈钢板能够承重2 吨不变形。考虑到绝热性、承重 能力和不可移动，环境室留有观察窗3 个，呈圆形，圆心距地面高度分别为2 0 m 、2 0 m 、 1 0 m ，直径3 0 c m 。高压线在环境室顶端通过硅橡胶外套套管进入环境室，传感器信号 与照明线在底部通过预留的信号线端子进入环境室，预留的信号线端子是铜材质并且彼 此互相绝缘，试验时的地线与传感器的地线通过不同的地线端子与试验室地线相连。环 境室的结构示意图如图2 1 所示： 7 华北电力大学硕士学位论文 正面示童啊 2 1 2 环境室的参数 图2 - 1 人工环境室示意图 蒜水音 本环境室是为了模拟低气压( 高海拔) 、覆冰、湿污等共存的复杂环境，所以环 境室的温度、湿度、气压都应精确可调。本环境室温度的可调范围为：- - 4 0 + 8 0 ， 湿度的可调范围为：o 1 0 0 r h ，气压的可调范围为：5 0 k p a 1 0 1 k p 。环境室的气 密性和保温性很好，在全封闭状态保压6 d , 时气压变化小于5 ，内外温差1 0 0 时1 小时温度变化小于5 。 2 2 高压环境室的组成部分 2 2 1 制冷与制热系统 1 制冷系统。本系统采用单机双级压缩机及风冷冷凝器等组成的制冷机组。机 组配有活塞式制冷压缩机一台，拥有三个低压级和一个高压级，双级压缩的特点是 在两个压缩阶段之间设有中间冷却器，使低压级的排气压力高于高压级的吸气压 力，能够更好的满足蒸发温度低、冷凝温度高的要求，双级压缩机制冷量大，效率 高。制冷系统开启时，完成双级压缩的制冷剂经过节流装置进入到承压空气处理器 中的表冷段蒸发吸热，冷却空气，使循环的空气温度达到环境室的设定值。 2 制热系统。当环境室内需要较高温度时，停止运行制冷机组，开启电加热器 加热油箱，预热导热油，循环泵启动，通过管道将导热油送入到加热盘管中，使空 气加热，若温度继续上升超过设定温度则启动专为恒温设置的小制冷机，从而达到 环境室的设定温度，以达到控制温度的目的。 2 2 2 加湿与减湿系统 1 加湿。当环境室内环境要求有较高湿度时，开启超声波加湿器，蒸汽通过喷 雾管排出使室内达到设定的湿度值。 8 华北电力大学硕士学位论文 2 减湿。当环境室内湿度过高或需要进行减湿操作时，加湿器自动关闭，低温 机组启动制冷，湿空气流经低温表面( 表冷段) ，使空气温度降至露点温度以下， 湿空气中的水气凝结而析出，并附着在承压空气处理器的表冷器上。 2 2 3 气压调节系统 由于环境室内部环境有时要模拟出低于标准大气压状态，需要采取抽真空操 作。开启水环真空泵，同时自动进行压力控制监测，当环境室内真空度达到设定值 时，真空泵停止运行，当室内压力低于设定的下限值时，真空泵自动启动运行。真 空系统具有抽真空时间较短的特点，使环境室的真空度满足使用要求。 2 2 4 控制系统 本环境室设有集中控制控制台，采用温度、湿度、气压各子系统、各部件分别 独立控制的方式，不考虑联合控制和自动控制。集中控制的总控制台，可以对系统 运行情况进行显示并可进行实时、多点控制。另外压缩机、真空泵有保护，防止过 热、过冷、过低气压等情况。环境室控制系统的示意图如图2 。2 所示。 空调箱 徽电脑控制台 图2 - 2 人工环境室控制系统示意图 本控制系统能够控制环境室内温度、湿度、气压等状况，保证室内环境能够达 到设计要求。能够显示当前风机和制冷机组、真空泵组运行、停止或故障状态。在 制冷工况下，通过控制程序输入相应的信号，来控制制冷机组运行，使环境室内的 温度维持在所设定的范围内。在制热工况下，制冷机组停止工作，导热油箱内的加 热器开启，循环泵运行，置于环境室内的加热盘管工作，加热室内空气。在加湿工 况下，置于环境室外的超声波加湿器运行，由湿度控制单元对加湿过程进行控制。 控制系统还有完整的故障诊断和报警功能，可提示设备发生故障的位置和类别。 2 3 本章小结 建立一个较全面的，用于高电压试验的温度、湿度、气压都能精确调节的高压 人工环境室。以使该环境室能够根据实际的高压试验需要调节温度、湿度、气压来 9 华北电力大学硕士学位论文 模拟湿沉降以及覆冰、低气压( 高海拔地区) 共存的复杂大气环境。本章介绍了环境 室的结构及组成环境室的各功能部分，此高压环境室温度能够从4 0 8 0 c 精确可调， 湿度从o - 1 0 0 r h 精确可调，气压从5 0 k p a l o l k p a 精确可调，能够满足对复杂 的地域环境和气候特征影响高压电气设备绝缘特性及其它电气特性发生显著变化 的研究。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 第三章基于虚拟仪器的监测系统的硬件组成 3 1 虚拟仪器技术 随着电子仪器技术和计算机技术的飞速发展，测试技术与计算机深层次的结合 引起测试仪器领域里的一场新的革命，一种全新的仪器结构概念导致新一代仪器一 一虚拟仪器的出现，它的出现在人类的测试技术的发展中引起了一次飞跃，它标志 着仪器仪表发展中个新的阶段的到来。 3 1 1 虚拟仪器的基本概念 所谓虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ) ，就是在以计算机为核心的硬件平台上，其 功能由用户设计和定义，由计算机软件和多种功能模块组成的，具有虚拟面板，其 测试功能由测试软件实现的一种仪器系统【1 1 】。它是依赖软件，通过计算机来控制测 试硬件，对被测对象进行数据采集、分析、存储、显示，组建自己所需要的仪器， 国际上把这类新型的仪器称为“虚拟式仪器”。其实质是利用计算机显示器的显示 功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果，利用计算机强大 的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，利用i o 接口设备完成信号的采集 测量与调理，从而完成各种侧试功能的一种计算机测试系统。使用者用鼠标或键盘 操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器一样。因此，虚拟仪器的出现，使测 量仪器与计算机的界限模糊了。图3 1 反映了常见的虚拟仪器方案。 被信 数 数 铡号 据 据 对调 采 - - - - 处叫虚拟仪器面板i 集 象理理 卡 图3 一l 常见的虚拟仪器方案 虚拟仪器的“虚拟”两字主要包含以下两方面的含义。 第一、虚拟仪器的面板是虚拟的。虚拟仪器面板上的各种“控件”与传统仪器 面板上的各种“器件”所完成的功能是相同的。如由各种开关、按键、显示器等实 现仪器电源的“通”、“断”，被测信号“输入通道”、“放大倍数”等参数设置，测 量结果的“数值显示”、“波形显示”等。 第二、虚拟仪器测量功能是由软件编程来实现的。在以p c 机为核心组成的硬 件平台支持下，通过图形化软件流程图的编程来实现仪器的测试功能，而且可以通 过不同功能的软件模块组合实现多种测试功能，体现了钡0 试技术与计算机技术深层 次的结合。 华北电力大学硕士学位论文 概括地说，虚拟仪器有以下特点【1 6 】： ( 1 ) 软件为核心。传统仪器中的部分硬件被软件所代替，它的测量功能主要由内 部软件而决定，改变软件即可改变仪器功能，从而用同一套硬件系统可实现多种传 统仪器的功能，可通过软件的修改而增减。利用计算机丰富的软件资源，实现了部 分仪器硬件的软件化，节省了物理资源，增加了系统灵活性，真正体现了“软件就 是仪器”这一新概念。 ( 2 ) 灵活方便，用户( 而不是仪器厂家) 可以根据自己的要求设计自己的仪器系统。 虚拟仪器技术给用户一个自由发挥的天地，能充分利用计算机丰富的软硬件资源， 突破了传统仪器在数据处理、表达、传送以及存储方面的限制。用户可根据自己不 断变化的需求，方便灵活地构建自动测试系统( a u t o m a t i ct e s ts y s t e m ) ，系统的扩展、 升级都可随时进行，周期短，见效快。 ( 3 ) 仪器硬件实现了模块化、系列化，大大缩小系统尺寸，可方便地构建模块化 仪器( i n s t r u m e n to nac a r d ) 。 ( 4 ) 系统的开放性强。虚拟仪器具有与其它设备互联的能力，如可通过与网络或 其它高档外设的连接，实现对现场的监测和管理，这种互联能力使测控系统的功能 显著增加，应用领域明显扩大。 ( 5 ) 性价比高。虚拟仪器能达到一机多用的功效，同时由于测量时完全采用数字 化，节省了硬件环节，也减少了测试系统的开发成本和维护成本，所以经济实用。 作为新型仪器，它有许多传统仪器无法比拟的地方。与传统仪器相比其特点如 表3 - 1 所示。 表3 - 1 虚拟仪器与传统仪器之比较 项目比较传统仪器虚拟仪器 仪器关键部分硬件 软件 仪器功能由厂商定义，面向固定对象用户定义，可满足多种应用要求 仪器价格高 低，并且可重复性与可配置性强 数据处理能力差 可编辑、存储、打印数据 系统封闭、固定，不易与其开放、灵活、与计算机的进步同 系统的开放性 他设备连接步，极易与其他设备连接 界面友好，可实现交互式，操作 用户界面固定，不友好 简单 开发维护费用仅为传统仪器的 开发维护费用高 1 ，5 1 1 0 技术更新周期长，一般5 1 0 年周期短，一般1 2 年 华北电力大学硕士学位论文 3 1 2 虚拟仪器组成 虚拟仪器由通用计算机、通用仪器硬件平台和用于数据分析、过程通信及图形 用户界面的应用软件有机结合，使计算机成为一个数字化测量平台，完成对被测试 量的采集、处理、传送、存储、显示和打印等功能。与传统仪器一样，虚拟仪器可 划分为数据采集、数据分析处理、结果显示与输出三大功能模块，如图3 2 所示 1 7 1 8 。 插入式d a o 卡插入式d a o 卡插入式d a q 卡 6 p i b 仪器 g p l b 仪器 - g p i b 仪器 v i x 仪器 + v i x 仪器 + v i x 仪器 r s - 2 3 2r s - 2 3 2r s - 2 3 2 数据采集 数据分析处理结果显示输出 图3 2 虚拟仪器的功能模块框图 其中，采集功能实现对信号的调理采集、转换与控制。数据分析处理功能是利 用计算机的存储、运算功能，并通过软件实现对输入数据信号的分析与处理。结果 显示与输出则把测量结果进行多种方式的表达与输出，其输出形式包括通过总线网 络的远距离数据传输，通过光盘、磁盘的拷贝输出，在硬盘上存储数据以及通过计 算机屏幕等图形接口的输出方式。 3 1 2 1 虚拟仪器的硬件系统 虚拟仪器从硬件构成上讲，己脱离了原有的单个仪器的概念，并不是在计算机 上实现某一台仪器的功能，而是形成了一个虚拟仪器系统的概念。它是几种仪器的 综合，是在计算机上实现多种不同仪器的协同工作的整体。它主要以计算机为核心， 在其基础上扩展了不同类型的硬件设备，构成不同类型的虚拟仪器系统。 硬件是虚拟仪器工作的基础，构成虚拟仪器的硬件平台有两部分。 ( 1 ) 计算机。计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如普通台式计算机、便 携式计算机、工作站、嵌入式计算机等。它管理着虚拟仪器的软件资源，是虚拟仪 器的硬件基础，导致了虚拟仪器系统的快速发展。 ( 2 ) 1 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。按照测控功能硬件( i o 接口设备) 的不同，虚拟仪器可分为利用p c 机总线的数 据采集卡，板( d a q ) 、g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 总线仪器、v x i ( v m e b u s e x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 总线仪器、p x i ( p c ie x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 总线仪 器、串口总线仪器等五种标准体系结构，以及它们之间的任意结合。如图3 3 所示 【l9 1 。 华北电力大学硕士学位论文 _ j p c - d a qf - - 1 o p m t 殳hf - l 被测信号卜一串口仪器卜 - qv x i 仪器i - - - - i p 仪器l 图3 3 虚拟仪器的硬件构成示意图 其中，p c - d a q ( d a t aa c q u i s i t i o n ) 测量系统是构成v i 的最基本、最廉价的方式 u 9 】，也是本课题采用的方式。p c d a q 系统是以数据采集板卡、信号调理电路和计 算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器系统。p c d a q 系统有三种形式：内插式、扩 展箱式和直接外挂式。本系统采用直接外挂式p c d a q 系统模式，在计算机u s b 总线上接入u s b 数据采集卡即可。 3 1 2 2 虚拟仪器的软件系统 虚拟仪器技术的核心是软件，软件的功能定义了仪器的功能。任何一个使用者 都可以通过修改虚拟仪器的软件来改变它的功能，这就是美国n i 公司“软件即仪 器”( s o f t i si n s t r u m e n t s ) - - 说的来历【2 “。 从底层到顶层，虚拟仪器的软件系统框架包括三个部分：v i s a 库、仪器驱动 程序、应用软件，如图3 - 4 所示【2 1 1 。 图3 - 4 虚拟仪器软件结构 ( 1 ) v i s a ( v i r t u a li n s t r u m e n ts o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) 库，即虚拟仪器软件体系结构 库。v i s a 库是标准i o 函数库及其相关规范的总称，它驻留于计算机系统中，执行 仪器总线的特殊功能，是计算机与仪器之间的软件层连接，可用来实现对仪器的控 制。 ( 2 ) 仪器驱动程序。仪器驱动程序是完成对某一特定仪器的控制与通信的软件程 序集合，是连接上层应用软件和底层输入输出( i o ) 软件的纽带和桥梁。每个仪器模 块都有自己的仪器驱动程序，仪器厂商将其以源代码的形式提供给用户，用户在应 用程序中调用仪器驱动程序。 ( 3 ) 应用软件。应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过提 供友好直观的操作界面、丰富的数据分析与处理功能，来完成自动测试任务。虚拟 仪器应用软件由用户编制，可采用各种编程软件，大体可分为两类：1 文本式编 1 4 华北电力大学硕士学位论文 程语言：如c ，v i s u a lc + + ，v i s u a lb a s i c ，l a b w i n d o w s c v l 等。2 图形化编程语言：如 n i 公司的l a b v l e w ，h p 公司的h p v e e 等。这些软件开发工具为用户设计虚拟仪 器应用软件提供了最大限度的方便条件与良好的开发环境。 3 2 监测系统的工作原理 虚拟仪器是通过应用程序将计算机资源( 微处理器、存储器、显示器) 和仪器硬 件( 传感器、a d ，d a 转换器、数字i o 、数据采集卡) 的测量功能结合起来，充分 利用计算机智能化功能，实现对采集数据进行数据分析、通信和实时处理的新一代 测量装置或监测系统。基于p c d a q 系统的硬件平台，是虚拟仪器最常见的硬件平 台，不但具有强大的软件开发资源，开发周期短，性能价格比高，很适合于普通用 户。对于试验室建设来说，我们还可以利用现有的资源，所以本文采用p c d a q 系 统硬件平台模式来实现虚拟高压环境室监测系统的研究和开发工作。 本监测系统的硬件部分主要提供虚拟式监测系统软件的运行平台，完成测试平 台的构建和测量信息的获取与保存，包括计算机硬件和测试硬件的构成要件如温湿 度传感器、气压传感器、电压传感器、电流传感器、信号调理器( 电流变送器) 、数 据采集卡等。本监测系统的基本工作原理是在做高电压试验时利用传感器对温度、 湿度、气压信号进行采集，把采集到的温度、湿度、气压模拟信号经过调理后转化 为4 2 0 m a 电流模拟信号，再串联2 5 0 欧的精密电阻，将4 2 0 m a 电流信号转换成 数据采集卡所能接收的1 - 5 v 的电压模拟信号。电压传感器把加在试品上的试验电 压转化为0 - 5 v 的电压信号，电流传感器把试品未端的泄漏电流转化为0 5 v 的电 压