（高电压与绝缘技术专业论文）基于油中电荷密度变化的局部放电测量.pdf

啥尔滨理t 大学t 学顶i 学位论文 摘要 大型变压器是电力系统中的关键设备之一。在大型变压器运行的过程 中，严重的电、热和环境应力的联合作用将导致绝缘结构中的薄弱部位发生 局部放电并不断发展，直至绝缘击穿。因此，检测变压器局部放电对保证变 压器安全可靠地运行具有非常重要的意义。 本文在分析了国内外交压器局部放电检测系统发展的基础上，提出了一 个基于油中电荷密度的局部放电检测方法，通过测量油中电荷密度恻接判断 局部放电的产生。本文利用自行设计的油纸绝缘管道模拟系统术模拟变妖器 产生油流静电现象，并利用绝对电荷密度传感器和微电流计等仪器对泄漏电 流和油中电荷密度进行了测量，实验观察到，随着外施电压增加，特别是在 油纸绝缘系统中产生局部放电的情况下，油中电荷密度明显增加，这就证实 了本文所提出的由油中电荷密度变化测量局部放电的方法是可行的。同时， 在硬件配合下，以虚拟仪器技术和图形化的应用软件为核心，丌发并完成了 基于虚拟仪器的局部放电数掘采集和处理系统。 本文对所得到的实验结果，即油中电荷密度随外施电压的增加而增加， 以及在局部放电的情况下发生突变的现象进行了理论解释。此外还讨论了基 于虚拟仪器测试系统，通过测量油中电荷密度方法进行局部放电在线监测的 可行性，为变压器局部放电智能化的在线监测提供了研究方向。 关键词油中电荷密度：局部放电：大型变压器：流静电：虚拟仪器 坠堡堡些二尘兰：兰竺! ：兰竺鎏兰 p a r t i a ld i s c h a r g em e a s u r e m e n tb a s e d0 1 3c h a r g e d e n s i t yi no i l a b s t r a c t l a r g et r a n s f o r m e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta p p a r a t u si np o w e rs y s t e m t h em a i ni n s u l a t i o no fl a r g et r a n s f o r m e ri sa l w a y ss u b j e c t e dt ot h et h e r m a l ， e l e c t r i c a la n de n v i r o n m e n t a ls t r e s sd u r i n gt h el o n g - t e r mo p e r a t i o n s op a r t i a l d i s c h a r g et a k e sp l a c ei nt h ew e a kp a r t s ，g r a d u a l l yd e v e l o p e da n dr e s u l t e di ni h e a g i n go fi n s u l a t i o n i ti sv e r ys i g n i f i c a n tf o rm e a s u r i n gp a r t i a ld i s c h a r g e ( p d ) t o e n s u r et r a n s f o r m e rw o r k i n gs a f e l ya n dr e l i a b l y o nt h eb a s eo fa n a l y z i n gt r a n s f o r m e rp dm e a s u r i n gs y s t e mh o m ea n d a b r o a d ，o n em e a s u r i n gm e t h o do nc h a r g ed e n s i t yi nt r a n s f o r m e ro il w a sb r o u g h t f o r w a r d i n d i r e c t l yj u d g i n gp dh a p p e n i nt h e p a p e r s e l f - d e s i g n e do i l p a p e r i n s u l a t i o n p i p e l i n es i m u l a t i n gs y s t e m h a db e e nm a d et os i m u l a t e s t a t i c e l e c t r i f i c a t i o np h e n o m e n a ，a n dm e a s u r e dl e a k a g ec u r r e n ta n dc h a r g ed e n s i t yi n o i l u t i l i z i n g a b s o l u t e c h a r g ed e n s i t y s e n s o ra n d m i c r o a m p e r e m e t e r t h e e x p e r i m e n te x p r e s s e dt h a tt h ec h a r g ed e n s i t yi n o i li n c r e a s e do b v i o u s l yw i t ht h e i n c r e a s i n go fe x t e r n a lv o l t a g e ，e s p e c i a l l ya tt h ec o n d i t i o no fp dt a k i n gp l a c ea t t h eo i l p a p e ri n s u l a t i o np i p e l i n es i m u l a t i n gs y s t e m i tm a d es u r et h a ti ti sf e a s i b l e t om e a s u r et h ep da c c o r d i n gt oc h a n g eo ft h ec h a r g ed e n s i t ya tt h es a m et i m e ， a st h ec o r eo fv i r t u a ld e v i c et e c h n o l o g ya n dg r a p h i ca p p l i e ds o f t w a r e ，t h ep d d a t ac o l l e c t i o na n dp r o c e s s i o ns y s t e mh a db e e nd e v e l o p e da n dc o m p l e t e d t h ea c h i e v e de x p e r i m e n tr e s u l t ，n a m e l y ，t h ec h a r g ed e n s i t yi no i li n c r e a s e d w i t ht h ei n c r e a s i n ga p p l i e dv o l t a g ea n dp h e n o m e n aw a ss p o r t e ds u d d e n l ya tt h e p dc o n d i t i o n ，w a se x p l a i n e da c a d e m i c a l l y i na d d i t i o n ，v i r t u a ld e v i c em e a s u r i n g s y s t e mw a sd i s c u s s e di nt h ep a p e r ，i tm a ym o n i t o rp do n l i n ep o s s i b l yb yt h e m e t h o do fm e a s u r i n gc h a r g ed e n s i t yi no i l s oi tp r o v i d e dt h er e s e a r c hd i r e c t i o n a b o u ti n t e l l i g e n t i z e dm e a s u r i n gp do n l i n e k e y w o r d sc h a r g ed e n s i t yi no i l ；p a r t i a ld i s c h a r g e ；l a r g et r a n s f o r m e r o i ls t r e a m i n ge l e c t r i f i c a t i o n ；v i r t u a li n s t r u m e n t s 第1 章绪论 电力变压器是电力系统的枢纽设备，其运行的可靠性直接关系到电力系统 的安仝7 稳定。刈爻m ：故障的统汁分 4 i 衷i l j j i i 。绝缘敝障是影f i 向变j j 三器l i i 常运 行的主要原因。目日u11 0 k v 及以上等级的大型电力变压器主要仍是采用油纸绝 缘结构，而绝缘故障常常起源于局部放电造成的油纸绝缘老化。如东匕l 小i | j 对1 9 8 4 1 9 9 3 年旧j 所属2 2 0 k v 及以i ：大型变爪器敞障统训发现，j 0 邡放i ur j f 起的事故占总数的2 61 i zj 。截止1 9 9 5 年底，西电公司，士产的6 9 台3 3 0 k v 嵌 压器在运行过程中发乍事故2 2 台次，与局部放电有关的故障在令部l 故- 1 研 占比例接近5 0 1 3 i 。可见油纸绝缘是电力变压器的薄弱坏节，而局部放电又是 造成绝缘故障的主要原因。 局部放电是指由于电场分布不均，局部电场过高，导致绝缘介质中局部范 围内的电气放电或击穿现象。它可能产生在固体绝缘孔隙中、液体绝缘气泡中 或不同介质特性的绝缘层洲。如果电场强度高于介质所具有的特定值，也可能 发生在液体或固体绝缘中。每次局部放电都会对绝缘介质产生一定影响蛆烈 的局部放电，会使绝缘强度很快下降；轻微的局部放电对电力设备绝缘的影响 较小，绝缘强度的下降较慢，但局部放电效果逐渐积累，通过对周围绝缘介质 不断侵蚀，最终也会导致整个绝缘系统的失效，所以局部放电足造成绝缘老化 的主要原因卜i 。同时它也是绝缘劣化的重要征兆和表现形式，与绝缘材料的劣 化和击穿过程密切相关能够有效地反映变压器内部绝缘的状况，因此对局部 放电进行有效的监测对于电力设备的安全稳定运行具有重要意义。 绝缘中的局部放电件件是从气泡中丌始产牛的也有其它- j 原冈，如田 f t 介质【 1 的 | l 隙，甘f 夺挺的巳制股杂质导j 嗖的j r 6 邮l 乜场过高等，近u 且r 还发 现，在大型强迫油循月、制冷变压器中，变压器运行时，绝缘油在油道r p 的快速 流动也会导致产生局部放电现象”j 。 近半个世纪以柬广大科研工作者在局部放电的机理、局部放电的测钴以 曼信号的提取和识别等方面做了大量的研究为局部放电测量在1 史际t ”的广泛 而有效的应用奠定了基础。特别是近f 年来，现代测黾技术、信号处胛技术硐i 计算机的发展和广泛应用，新的分析方法和研究手段的不断出现，为局部放，n 的测试提供丁新的审问。 n 舟尔演删rk 学r + 节f 蝴i 。似沦卫 1 1 局部放电检测研究现状 局部放电足迄今反映绝缘状态最必敏n 勺特柚鞋埘它进 1 ：榆删1 ，j 以、之川i 发现变压器设备的绝缘故障，从而预防突发性事故的发生，因此在国内外受到 了极大的重视，投入了大量的人力物力予以研究。在国外早在1 9 8 ：3 年， 本已有多参量的变压器榆测系统投入运行，对变压器的局部放电信号和油中溶 解气体组份等进行了测量：另外，很多著名公司，如德国的西门子公司、荷兰 的k e m a 公司和瑞士、瑞典了a b b 公司等也正在竞相研制或推出变压器局部放 电检测系统【6 】。在国内，清华大学、重庆大学、西安交通大学、：海交通人 学、中国电力科学研究院和武汉高压研究所部进行了大量的研究1 = 作，存r 捕b 放电的测量、物理和化学性质放电脉冲的波过程分析、干扰的分析和抑制、 放电信号的特征提驳和模式识别、局部放电的定位等方面取得了不少研究成果 1 。总的柬讲。基础研究已取得很大进展如文献悼i i 对这些方面的研究作了报 道，但是某些方面的研究还处于初步阶段，如局部放电物理和化学性质，局部 放电模式识别等还有待进一步研究，并促进其实用化。 变压器在运行条件f 发生局部放电时，会产生电脉冲、电磁辐利、超声 波、光辐射、局部过热油中放电还掬分解气体，产生能量损耗等。因此棚 应的检测方法有：脉冲电流法、超声波法、气相色谱法、光测量法、红外线检 测法等1 9 1 i o l 。”。 1 脉冲电流法。脉冲电流法检测由局部放电在检测阻抗上引起的脉冲电 流，从而获得视在放电量等局放特征量。脉冲电流法是最早研究的，并且迄今 为止是离线和在线监测最广泛使用的一种检测方法f ”i ，i e c 对此制定了专i j 的 检测标准。咏冲电流法的优点是测曩灵敏度较高、分辨力较强，可以测最到较 小的放电量，似是其铋点是抗i 一扰性能较差，易受外界电磁场干扰，乱线脸洲1 困难较大。 2 超声波法。超声波检测法用于离线和在线监测变压器内部局部放电产牛 的超声脉冲。超声传感器通常固定在变压器外壳上，利用压电晶体作为声电转 换器将声波信号换成电信号，并进一步放大后，通过电缆传送歪监测系统。 超声波法用于庄线监测时存在各种声干扰信f j ，如落1 1 1 i ：油箱l 二的南滴、沙 i 、 浦箱备部位的机械振动噪声等。采用超声波法需选择适当的检测颁带。该力- i l 二要辟】于定性地判断局放信号的有无以及结合电脉冲信号对局放源进物州 定位，它是在线监测中的辅助测量手段：在提高灵敏度和减小干扰方而需鹱继 续研究【l 引。 n 尔滨坐t 人学t 学坝i 。学位论史 3 红外检测法。红外检测法是基于局部放电引起的局部放电温度升高通 过红外探测器和热成像技术来实现检测。对于变压器局部过热故障，该方法较 灵敏，但对于局部放电还没有产生明显局部过热时浚方法不理想，远不能达 到自动监测的目的”。 4 气相色谱法。气相色谱法是利用变压器发生局部放电时内部固体和液体 绝缘材料困老化或缺陷而产7 卜各种气体如c 2 h 2 、c 2 h 4 、c 2 h ”c h 4 、i 一 2 、c o 等备种特征气体溶解在油中的含量进行测量分析柬判断其故障。这 = l | i 力f j 刈州 断变压器的局部放电、电弧放电及局部过热等方而较有效，其判断1 1 i 确；脊n ： 8 0 以上。国内外均有变压器色谱在线检测装置投入实用的报道【l “。但在监测 和诊断特殊种类故障方面尚须深入的研究。 5 光测量法。光测量法是检测局部放电产生的光辐射。虽然在实验室利川 光测量来分析局部放电特征及绝缘劣化机理等方面取得了许多成果，但由于光 测量设备复杂、价格昂贵、灵敏度低，且需要被检测物质对光束说是透明的， 因而很难在实际中应甩i i “。 目前存这蝗传统疗法的摹础上，又出现了。些新的变压器局部放电测量 技术。如：无线电干扰法和放电能量法等。 无线电干扰法：由于局部放电会产生频率很宽的脉冲信号，所以，可以用 无线电干扰仪测量局部放电的脉冲信号。 放电能量法：由于局部放电伴随着能量损耗，所以，可用电桥柬测量一周 期的放电能量，也可以利用微处理机直接测量放电功率。 另外还有超高频法和x 射线激励法【”i i ”。1 等方法，这些新技术虽为局部放 电检测提供了新思路和构想，但由 起步较晚，其技术成熟程度还需实践检 验。 近年来，国内外很多专家和机构在对变压器中油流带电现象进行研究中发 现变压器油中电荷密度的变化与变压器油局部放电有一定的相关性f 0 l ，所 以，可以通过油中电荷密度间接地测量油纸绝缘中的局部放电。但实验中也发 现绝缘油处于流动状态下，油带电度受到油流带电的影响，而油流带电又受 到油流速度和油温的影响所以，欲得到油纸绝缘局部放电和油带电度的关 系，必须考虑绝缘油的运行参数( 油流速度和油温) 所带来的附加效应。 1 2 局部放电附加效应油流静电的研究 油流过固体绝缘材料表面时。由于油的流动对固体绝缘材料表面的影响， 俺同体绝缘材料对油中雨负电荷只有不同的吸附作用，使原本呈中性的油发，卜 电茼分离，从而庄油和固体绝缘材料的表面形成等量异号的自由电荷，我们将 喻；j ；演理1 人学t 学坝i j 学位论文 这种现象称为油流带电现象。在变压器运行时，管道中的油与管道绝缘部分f i 。 相摩擦，结果油带上丁f 电荷，流动的带萨电荷的油产生了电流，称为冲流电 流，其与油中电荷密度有对应关系。与此对应管壁上带负电荷，若管壁刈地 不绝缘，则管壁上的电荷将向地流动形成电流，称为泄漏电流。若管壁对地绝缘 管壁上的电荷逐渐积累，形成对地电位称为表面电位。影响静电参数的因素有 油的流速，油温，外加电压等。由于产生局部放电现象时，管道中油的电荷密 度会急剧增加其它静电参数也会有相应的改变，所以可以通过检测油流静电 参数来判断变压器局部放电现象。 在2 0 世纪8 0 年代许多国家投入了大量的人力，物力进行了油流带电方 面的研究，我国有些专家学者和科研机构单位也进行了这方面的研究：f ：作，发 表了些研究论文和成果。a s n n i n ，b e h r o u za h e d i t n 和k w n nc k a n 等人v 在2 0 世纪7 0 年代未、8 0 年代初就对油流带电的产生机理进行了深入的讨论， 提出了油流静电主要是由油的流动和外加电场的作用产生的，并提出了流动带 电机理和电动带电机理i ”i i ”i ；随后，a j m o r ini i ，t v u o m m e n ，及李忠1 乍、 许海龙等人分别研制出圆筒式、循环管道式、圆盘式等不同的油流带电模型装 置，并进行了油流带电测试1 ：a j m o r i n1 i 等人设计研制了基于法拽旃柏、 原理的绝对电荷密度传感器用柬测量变压器油巾电荷密度m l ；a i m o r j l ， m z a h n 和j r m e l c h e f 等人提l 乜用冲流电流、泄漏电流、表面电位譬参数表 征油流静电的特性，贺元吉，土淑娟等人也提出，利用泄漏f l = ! | 流、表【f l i b 位和 油中电荷密度等参数来表征油流静电的特性【2 8 ”。哈尔滨理工大学对油流带电 现象随影响因素变化的关系方面进行了实际测量和研究，并提出了改善油流带 电现象的措施i i ”1 清华大学还建立了油流带电数学模型，深化了对油流带 电现象的机理认识川。 目前，局部放电检测主要利用传统的、专业的测量仪器进行测量。例如往 超声波法中，利用超声传感器接受局部放电源发出的超声脉冲，将其转换成电 信号，经过放大，输入到绘图机中显示出波形，再利用小波分析和神经网络等 方法对数据进行处理来判断局部放电的情况：在光测量法中利用专门的光学 仪器对局部放电产q 三的光辐射进行分析，判断设备运行状况：在气楣色谱法 中利用气相色谱仪对油中气体成分进行分析：有关油中静电参数的测鼙， t 要是在传统的。典验模型 ：利用表面电位汁测量油纸绝缘管壁j ：的表f i u 位，利用微电流计测量油纸绝缘管壁对地的泄漏电流和油流动所形成的冲流电 流，利用油中绝对电荷密度传感器测量油中电荷密度，通过油中静电参数判断 变压器的运行状况”】。 哈尔滨理t 人学丁学烦l + 学位论殳 传统的数据采集过程是将通过各测量仪器测得的信号依掘仪器的指针或显 示器的显示人工记录f 束数据，然后进行分析、处理。进一步，也有人将仪器 采集到的数据输入到x - y 记录仪l l ，在记录纸上打印出来i ，这样使数叛，j 便 于保存，也减少了误差。但总的来说，这种传统测量方法在处理大量的数槲 时，速度慢，易出错，效率非常低，并且没有有效的办法对数据进行快速准确 的处理和分析。 随着现代测量技术的发展趋向以数据采集设备和计算机为主要硬件的虚 拟仪器技术实现了数据检测、数掘采集和数据处理的一体化i m i m l l ”l 。在医学 领域中使用的医用泵就是出电子天平、奔腾p c 机、l a b v i e w 软件和连接电缆 组成的一套虚拟仪器测试系统。在电子实验领域，虚拟仪器可代替独市的各种 仪器及仪表，利用虚拟仪器还丌发出了自动灌溉控制系统，在农业中得到了j 越 用。随着计算机技术和仪器仪表技术的进步，虚拟仪器的功能也将越束越强。 在更广泛的领域中得到应用1 3 9 1 1 4 0 1 1 4 2 1 。但到目日# 为止。还没有看到在油流静电 参数测量中采用虚拟仪器技术的报道。 与传统的测量方法相比，虚拟仪器在智能化程序、处理能力、性能价格 比、可操作性等，j 面部县有明罹的技术优势，具体表现为： 1 智能化程度高处理能力强。虚拟仪器的处理能力和智能化程度丰要取 决于仪器软件水平。用户完全可以根掘实际应用需求，选用不同的测试软件麻 用于仪器设计与集成从而将智能仪器水平提高到一个新的层次。 2 复用性强。系统费用低。应用虚拟仪器，用相同的基本硬件可构造多种 不同功能的测试分析仪器，这样形成的测试仪器系统功能更灵活、系统费用更 低。通过与计算机网络连接还町实现虚拟仪器的分布式共享，更好地发挥仪 器的使用价值。 3 可操作性强。虚拟仪器面板可由用户定义，针对不同应用可以设汁不州 的操作显示界面。使用计算机的多媒体处理能力可以使仪器操作变得更加直 观、简便、易于理解测量结果可以直接进入数据库系统或通过网络发送。测 量完后还可打印显示报表或曲线这使得仪器的可操作性大大提高i ”】| 4 | l t 。 因此，如果用虚拟仪器技术代替传统的测量方法进行油流静电参数的测 量，将会使实验结果的可靠性大大的提高同时使研究人员从大量烦冗的数据 t 扣解放出来值得尘尝试、应用和推广。实验中我们利用虚拟仪器技术议汁 了。套数据采集处理系统代替以往的测量方式。将传统中的测量仪器连接到虚 拟仪器测试系统的下f f 7 ：机中通过下何机将实验信号采集输入到计算机叶1 ，再 利用计算机的强人j 帕，花赡拟仪器测试系统的软件耶境f 进行影求和处州， 晴尔滨删t 人学t 学埘! i + 学位论史 l 。3 课题来源和研究的内容及方法 本课题柬源：与东北电力科学研究院合作项目“基于油中电荷密度变化的 大型变压器局部放电在线监测基础研究”。 针对大局部放电研究的现状和发展趋势，利用当时先进的测试技术，提出 一种通过测量油中带电度柬判断局部放电产i l ：的新方法。本文主要做以f 厶面 的工作： 1 建立油流静电局部放电组合实验模型，为油中静电参数的测量提供 个 测试平台。 2 进行采集系统硬件电路设计，用以将测量的电信号转换为数字信号，输 入计算机进行处理。 3 在计算机中，_ r i ：发数据处理系统，用柬实现对采集的数据进行曲线化显 示、分析、保存和打印等功能。 4 分析油中静电参数和局部放电之阳j 的关系，论证本实验方法的可行性。 ：i 尘至些：全：兰竺：兰兰 第2 章油流静电局部放电组合实验模型 由于本项目通过油纸绝缘系统的油中带电度来评价局部放电特性，所 以，实验模型必须具有通过油中电荷密度对局部放电特性进行评价的功能。为 此，特设计了如图2 1 所示的油流静电局部放电组合实验模型。该实验横擎1 4 - 1 油循环子系统油一纸绝缘模型，信号采集系统和信号处理系统四部分纠成， 其中信号采集系统和信号处l 里系统合起来可称为虚拟仪器测试系统。图2 - 2 为 油流静电局部放电组合实验模型照片。 流量计 醪前 电平转换模块d 模堍古 - 一裂嚣，： 冀 幽2 - 1 油流静电一局部放电组合实验模型 f i g 2 - ic o m b i n e de x p e r i m e n t a lm o d e lo f o l ls t r e a m i n ge l e c t r i f i c a t i o n p a r t i a ld i s c h a r g e h2 - 2 油流静电一局部放t u 卵台实验模刑照片 f i g 2 - 2c o m b i n e de x p e r i m e n t a lp i c t u r eo f o i ls t r e a m i n ge l e c t r i f i c a t i o n - p a r t i a ld i s c h a r g ep i c t u r e 噼尔滨型丁大学t 学颤 学位论立 2 1 油一纸绝缘模型 实体变压器中的油道是产生油流带电的主要场所。由于油道中设置撑条和 挚块，所以油道中的油流既有层流又有湍流。许多实验结果表明，油流带电产生 的电荷q 与油速v 有很大关系，在层流状态f ，q 。匕v ；在湍流状态下，q o c v “4 。所 以，实验t | 的模型必须能表征这两种爿；剐的情况。从流体力学u j 矧，当流体从 个大贮箱流八等截面管路时，若进口形状不是流线形，则需要经过段进ij 段 j 能形成定型流动。在管道中流动的雷诺数r e 4 0 0 0 时，进 口段的边界层一般先为层流，后转为湍漉，两定型区为湍流。若r e = 2 1 0 0 4 0 0 ( ) ， 则流体处于层流及湍流白j 的过渡流态。另外，从流体力学可知，雷诺数肋、流体 速度v 以及流体的性质i n j 存在以下关系：r e = v d eq 式- hd e 为水力龃静d e = 惭 面面积周长x4 ，q 为流体的运动粘度。本实验的模型如图2 3 所示。它山同轴 式内外电极组成。内电极的绝缘外半径为4 0 r a m ，绝缘层厚度为0 8 m m ，外电 极内半径为6 8 r a m ，油道间距为2 m m 。 i 州* ，卜m ：甩僳扎j h h m 蚓2 - 3 油一纸绝缘棋州 f i g 2 - 3o i l - p a p e ri n s u l a t i o nm o d e l 按上式计算可知，水力直径为4 r a m 。当v = 4 m s 时( 本实验模型叮达剑的最 高流速) ，雷诺数r e = 3 0 7 6 ：当v = 2 7 3 m s 时，r e = 2 1 0 0 。所以，当v = 2 7 3 3 m s 时，本实验所设计的模型中的变压器油的流动处于层流及湍流恤j 的过渡流态。 在这种情况下根掘l d = 4 4 r e ”6 ，可求得模型管的最小长度为6 6 8 h m m 。而本实 验所选用的管长为4 3 0 m m ，这可以完全保证变压器油的这种过渡流态，也就是说 本实验所选用的模型可以模拟实体变压器汕道中既有层流又订湍流的流怠。1 1 ： 外，在模型的油流入1 2 1 处还放置了一齿轮形的支撑环，使油流入1 ：3 处的湍流分餐 进一步增加这就更能模拟变压器油道的实际工况。 喻自；定理t 人学t 学f l ；! i 。学位论殳 幽2 - 4 准针扳电极系统 f i g2 - 4h o m o l o g o u sn e e d l e p l a t ee l e c t r o d es y s t e m 此外为了模拟油一纸绝缘系统中的局部放电状态，在模型中放臀j ，如蚓 2 ，4 所示的准针一板电极系统。浚系统实际上足针一棒电极系统，只是实验l t 棒 相对针来说比较大且针与棒之间距离很小，其电极间电场分布近似于针板 电极状况，故称为准针一板电极系统。针电极位于外电极内表面，与板电极外 表面间距为1 m m 针电极与高压电源输出端相接，板电极接地。 2 2 油循环系统 油循环子系统为油纸绝缘模型油流带电特性评价体系的主要部分，除由 储油箱、油泵、管道、溢流阀、截止阀、流量计和压力表组成的油流子系统 外，还设有油温控制子系统、局部放电子系统以及松弛箱等。 2 2 1 油流子系统 主油箱容积为2 0 0 l ，为油循环系统中的储油容器。为使进入其中的油所带 的电荷得到进一步松驰箱体是接地的。油泵为时。片式，额定流量为1 0 0 1 r a i n 。 油路中的流速出节流阀门1 和溢流阀门2 进行调节控制。管路中的流量计可测 量系统的油速。管路上的压力计可测量油流入口的压力。 2 2 2 松弛箱 为了消除循环油中的剩余电荷，不至于造成测量误差，在油流管道上设置 轮驰箱，其箱体尺寸计尊如下。 由于管路中总电荷量9 与通过闭合面s ( 管道中油流过的任一闭合商雨1 1 的电通量密度d 的积分相等，所以： n 匀；滨删r 人学r 学坶! i 。学位论殳 q = 面d d s ( 2 一1 ) 又由于从闭合面s 流出的总电流i 等于同面巾的i 1 流密度j 的积分所以： ，a q a t 印j 。幽 ( 2 2 ) 又因为 d = o l l 。e ，= k e 所以，从式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 可得： a q q = 一k | 蒂出 q = q p 。“ ( 2 - 3 ) 式中 q 0 ：初始电荷量 f = 岛f k 油的松驰时问 岛：真窄中的介巾常数 c 。：汕的1 1 1 刈介i u 常数 k ：油的l 乜导率 实验表明：油所带电简要在松驰箱中完全地松驰掉，油在其一 】的停留h 、j 日j 应 段火于松驰时日j 的3 倍。另外，油存箱内停科时叫可以表示成体私 和流 的比 所以由此可求出松驰箱的体积： v 3 r l 。 油在3 0 。c 时电导率为1 3 1 0 。2 s m ，实验中最人流量l m a x 为0 4 l m 所以 松驰输体积至少耍大于2 0 l 。本实验中所采用的松驰桁体积为1 0 0 1 。，川达划史 验婴求。此外，松他箱需加肝黼罩，川水防i f j 测啦冲流i 乜流州术| 外粹l 内i l 触 l ： 茏。 2 2 3 油温控制子系统 电加热器设在主油箱内，电源功率为1 5 k w 。储油箱内放置触正i l - ic f 计及挖 温装置，用以监控油温。汕中最高温度可达9 0 。c 。垓系统主世川木测量汕l j 温。以便测量汕流静电参数随温度的变化。 2 2 4 外施电压子系统 外施电压予系统 1 1 电压l ：感器、调r r 器、分瓜器、过流继i u ： f 戌小j l i 太小 成，互感器输出电压范围为o 5 0 k v ，通过如图2 - 4 所不的准针一板ll l 撇系统刈 晴尔演理t 人学t 学坝i + 学位论文 油纸绝缘系统施加交变电压以测量油流静电参数随外施电压的变化，或朽 检测油纸绝缘系统产生的局部放电所引起的油中电荷密度的变化。 2 3 测试系统 测试系统由绝对电荷密度传感器、微电流计和表面电位计组成可分别检 测由油流带电所形成的油中电荷密度、泄漏电流、绝缘纸表面电位。 实验中的绝对电荷密度传感器如图2 - 5 所示。导电伸缩管通过与其棚适的 步进电机控制，可以伸长，也可以被压缩。伸长时，管路中的绝缘油被吸入管内。， 在这过程中由于单向阀闭合 ! i f e 入的液体不会泄漏：压缩时，单向阀丌启，变压 器油又重新被送回管路。 i 鳘| 2 - 5 油中绝对电荷密度传感器结构 f i g 2 - 5s e n s o rs t r u c t u r eo f o i la b s o l u t ec h a r g ed e n s i t y 由法拉杯实验可知“带电流体流过一个被绝缘的导体容器时，将会在容 器内壁感应出火小相等、符号相反的电简，并在容器外壁形成个可用低抗 电路测量的电容电流。凶此，在绝缘油流入和流出导电伸缩管时，油中所带电荷 通过与导电伸缩管相连导电块经外部测量电路测出其电流波形如图2 - 6 所 示，上半周期电流波形与横轴所包闱的面积，即为一次抽油对应的带电肇其 与抽油体积的比值即为油中电荷密度。液体在进入和流出导电伸缩管时，也会产 生流动带电现象，但由于此时液体与金属壁摩擦所带的电荷与会属壁内表面所 产生的电荷量相等，符号相反其相互作用被抵消。因此，这部分电荷对液体 ，i 乜 葡密度的测量无影响。 价尔渍娌t 人学t 学坝i 学位论史 f 图2 - 6 传感器电流波彤 f i g 2 - 6s e n s o rc u r r e n tw a v e f o r m 实验中通过p l c 对与绝对电荷密度传感器连接的步进电机进行控制，实现 上述抽、压油的过程。具体方法是在p l c 编程器中进行编程，分别对应两路 独立量的通断状态，通过p l c 控制器控制两个继电器实现，使步进电机驱动 器能够控制步进电机的正反转的行程。具体的接线如图2 7 所示： k2 2 0 v麝栌进电机 陶2 7 步进l b 机批制系统 f i g 2 - 7s t e pm o t o rc o n t r o ls y s t e m 实验中微电流计为e $ t 1 2 i 数字商阻微i u 流测量仪，段仪器可直接测龄，特 静电物体对地的泄漏电流电流测景范围为2 x1 0 - 4 1 1 0 - 1 6 a ，其i u 流1 _ i ! c l t j 由显示屏上直接读出。此外，该微电流计配有电压输出端口，其测量电流1 公 式为： 卢1 0 0 输m 端电压值电流量稃 得到。例如：量程在1 0 t a ，输出端电压为0 1 v ，则实际被测量电流为： 1 = 1 0 0 0 1 1 0 7 a = 1 0 6 a 实验中表面电位计为s d 8 3 0 3 型。通常测量带静电物体的表面电位，其测 量范围为3 0 0 0 v 3 0 0 0 v ，后面板带有输出端，输出电压范围为1 v 1 v ，其 i 则量电位l 公式为： ( ，r = 输出端电压值电瓜量程 哈尔滨删t 人学t 半顺i j 学位论史 例如：量程在1 0 0 0 v ，输出端电压为o 3 v 则实际被测量电压为： 泸1 0 0 0 0 3 v = 3 0 0 v 通过在电流计输入端并联一电容，a j 以滤去信号，i i 的交流振荡i ；- i ；5 ，峡t 倚 中并联了 个微小电容( 5 0 0 p f ) 。 2 4 信号采集系统 本系统采用虚拟仪器技术对来自测量系统的模拟信号进行采集和处理。 虚拟仪器是仪器技术和计算机技术的深层次结合的产物，以计算机为平 台，将通用仪器硬件( d 、d a 变换器、信号处理器等) 与用于数据分析、过 程通讯及用户图形界面的应用软件有效地结合起来，就组成了虚拟仪器。这种 虚拟仪器由i o 接口设备完成信号的采集、测量与调理，并利用p c 计算机强 大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，并利用p c 计算机显示器的 显示助能模拟传统仪器的控制面板以多种形式表达输出检测结果，从而完成 各种测试的数据采集和处理功能。 基于虚拟仪器技术的测试系统包括两个部分，即硬件结构和软件结构。 硬件部分通常都只有一定的通用性，1 。般，除了一台讨算机外，还需些通川的 数据采集部件，本系统采用模块a d a m 4 0 1 7 和a d a m 4 5 2 0 ，用以数据采集， 并传输到计算机。 数据采集系统的硬件结构如图2 - 8 所示。主要由模块a d a m 4 0 17 利 a d a m 4 5 2 0 组成。其中a d a m 4 0 1 7 模块是一个有8 路模拟量输入的a d 转换 模块有1 6 位分辨率。可以同时采集8 路模拟信号，通过软件可配置为m v 、 v 或m a 输入。采集速度川以达到每秒2 0 个点，因为本实验中要采壤的泄漏 电流、冲流电流、表面电何和油叶1 电荷密度部是变化缓慢的物理罱，所以亿 这样的采样速度下通常能保证采集到足够的数据。由于a d a m 4 0 17f | 勺输山 端以r s 4 8 5 形式输出数据，不能与计算机直接进行连接，所以需要一转换器 将a d a m 4 0 1 7 匿毒兰盛 机卜_ ( 五团 削2 - 8 数据采集系统 f i g 2 - 8d a t ac o l l e c t i o ns y s t e m n 丹尔滨螋丁人学t 掌坝i 学位论立 输出的信号传送到计算机r s 2 3 2 串口中，a d a m 4 5 2 0 模块就是一隔离r s 一2 3 2 到r s 一4 8 5 的转换器，配有3 0 0 0 v 直流电压隔离保护。通过a d a m 4 5 2 0 模 块，可以把a d a m 4 0 l7 模块采集到的模拟量与计算机的r s 一2 3 2 串u 连拨，经 过设置端u 参数后，把采集的数据输入剖计算机。 2 , 5 本章小结 本章在采用油纸绝缘管道实验模拟系统基础上，设计了绝对电荷密度传感 器控制装置以及测量其它静电参数的装置，并设计了虚拟仪器测试系统的硬件 结构，为实验数据的测量、采集提供了保障。 哈尔滨嫂t 人学t 学坝l j 学位论文 第3 章基于虚拟仪器技术的软件设计 软件部分足整个虚拟仪器系统的核心部分，根据不同的功能“n u 川。t 自行设计，实现以计算机为平台的数据处理，在虚拟仪器上位机中采用易于丌 发的应用软件。将采集系统所输出的信号在计算机内通过软件程序进行数掘处 f 型“i i ”i 。 一般情况下，系统软件包括两部分：一是系统硬件设备的驱动程序，一是 将从系统硬件设备中获取的数据进行存储、调用、显示、分析等处理程序，以 实现仪器的不同助能。对于第一部分而占，数掘采集模块生产厂家部配备了相 应的设备驱动程序，通过驱动程序提供的界画i _ 以直接访l 、u 】和控制采集模块。 而第二部分程序即对采集到的数据进行显示、分析处理的应用软件程序，需 要在软件环境中自行丌发，在设备驱动程序的基础上和数据采集系统紧密配 合以完成虚拟仪器的主要功能。 本系统选用了k t n g v l e w 60 3 版组念软件，该软件丌笈环境具帑以融i 点： 一是软件环境针对测试丁祀师而非专、i k 秤序员，冈此。编秤简币劬r ” 孵和修改：是县有强人f 勺人目l 变1 器蛳没汁功能，容易实观模拟仪器m 扳f 即 j 能；= i 足儿_ f j 姒人的数 l ，：分析能j 干数w l ，j 视化功能。抛”i i 佰m 仪斟总线 接l 硬件驱动程序。 通过该软件我们自行设计了具有各种功能的程序和界面，并建立了 k i n g v i e w 与a c c e s s 、e x c e l 应用软件的连接，便于对采集到的数据进 行显示、处理和保存。整个系统的软件体系结构如图3 1 所示。 幽3 - 1 软什体系框架 f i g 3 - is o f t w a r es y s t e ms c h e m a t i c 下面根据系统软件体系结构图，分别对各部分的功能实现进行软件设计。 哈力；滨删1 ：人学t 学f l ! j i 学位论文 3 1 采集模块的参数设置以及与k i n g v i e w 的通讯 一般柬说，下位机都需要通过- 7 0 0 接口与计算机系统相连接，比如串行 口、并行口、u s b 接i e l 或插槽等。通过种汇编语言如v b ，v c 十+ 铸，存卜 位机中对硬件进行低层的指令访问，直接向采集部件中写入相关的参数，控制 采集部件的工作状态。本实验中使用的数据采集模块，其生产：厂家配备了，| _ 应 的砹备驱z 力 ! ，! 序，通过驱动程序姓供的界叫一t 以直接访i i u j 年u 控制采集桉块。史际 中，将采集模块a d a m 4 0 1 7 通过电平转换模块a d a m 4 5 2 0 连接到汁算机r s 2 3 2 串口的c o m l 上，其程序界面如图3 2 所示： h3 - 2 采粜模块糖动界位 f i g 3 - 2c o h e c l i o nm o d u l ed r i v i n gi n t e r f a c e 在该界面中的主要参数设置有：地址参数设最，可在0 2 5 5 中仃选 个 作为下位机的通讯地址，实验中浚参数设置为l ：波特家参数歧竹，l ：行通信 是下位机和上位机之间的主要通信方式，波特率是指每秒钟通过信道化输的妈 元数，通信波特率一般选择2 4 0 0 b p s 、4 9 0 0 b p s 、9 6 0 0 b p s 和1 9 2 0 0 b p s 译，仃 口通讯中是必须要设置的，实验中，针对a d a m 4 0 1 7 采集模块结构，将波特 率设置为9 6 0 0 1 ) p s ：校验和殴h ，a d a m i o i7 投块o jk i n g v i e w 60 3 版小迎 讯时，需要将校验和这一项设置成e n a b l e ；输入量程参数设置，浚量程设置需 啃尔滨矬t 人学r 学坝i j 学位论义 要参考a d a m 4 0 17 模块输入信号的数值级别来确定，由第_ 章中内容司知， 微电流计和表面电位计输出幅值分别是0 5 v 和l v ，结合实际测量情况，将陔 参数设置成* - 5 0 0 m y ；数据通道设置，实验通过0 2 通道对各静电参数进仃 测量，所以选中这三个通道即可。 采集模块采集的数摒输入计算机后需要被所使用的应用软什榆测到这样 能通过应用软件对数据进行处理。实验中所使用的k i n g v i e w 6 0 3 版j 每川 软件，其厂家j t 发了众多的采集模块、采集板卡的接口通讯程序， 需赴软件 的i 5 乏备j 4 7 。| i 选择所使j 1 发备n q 类型，然后j = ! i = 行1 些简1 p 的参数砹。片，州j 丈脱 两者的通讯，将采集模块采集的数据传送到软件中。 i 划3 , 3 驶备信息界面 f i g 3 - 3d e v i c ei n f o r m a t i o ni n t e r f a c e 首先选中界面左部目录l