（控制理论与控制工程专业论文）高电压绝缘子绝缘性能在线智能检测方法的研究.pdf

武汉理：i ：火学硕十学位论文 摘要 电力系统中绝缘子担负机械支撑和电气绝缘的作用l 由于工作在户外受各 种环境影响，需要排查检修以更换损坏的绝缘子，而目前采用人工排查的方法 存在任务繁重等问题。因此，研究新型检测方法，使检测工作既能准确检测绝 缘子，又能实施方便和经济可行，是当前国内外绝缘子研究的难点问题。 论文针对绝缘子检测现状采用了一种分布式绝缘子检测方法，即在高压输 电塔上安装检测装置，在操作人员侧设置监控中心来检测绝缘子。检测装置采 用紧凑的结构采集分布电压、泄漏电流和气象信息，经由无线传输模块，传输 至监控中心。监控中心对数据采用智能方法处理，生成绝缘子状态检测报告， 供电力部门参考。 论文首先比较导致绝缘子故障的各种原因，发现污秽闪络的危害是最为严 重的。通过查阅国内外相关文献并比较各种检测方法的特点，选择了基于分布 电压和泄漏电流的检测方法。其次，针对污秽闪络，设计了高精度的检测装置。 采用o v t ( o p t i c a lv o l t a g et r a n s d u c e r ) 电压传感器检测分布电压，设计了多段 采样电阻捕捉流经绝缘子的泄漏电流，这种电流采集方法可以检测1 0 ua l o o m a 泄漏电流，分辨率可达1 0ua 。该检测装置主要包括电源模块，电压电流 采集模块，气象模块，无线通信模块几部分，文中对各个模块做了详细设计。 由于检测装置工作在户外高压环境，可能出现各种干扰，因此设计了硬件抗干 扰措施和软件抗干扰措施。最后，编写了监控中心的绝缘子诊断软件，采集到 绝缘子特征参数后，根据参数判断绝缘子损坏程度是典型的多输入非线性问题， 对此在人机界面设计中使用了r b f 神经网络方法，以检测绝缘子工作状态。 论文设计了一套绝缘子在线检测方案，并针对关键技术做了仿真实验。通 过在v s 2 0 0 5 中使用m a t l a b 引擎，调用神经网络工具箱，将r b f 神经网络神经 网络模型应用于绝缘子监控仿真。该监控软件能方便快捷的提供各种状态曲线 和评估报告，仿真数据表明绝缘子状态预估结果与真实数据能较好拟合，可完 成绝缘子检测。 关键词：高电压绝缘子，在线检测，无线通信，r b f 神经网络 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ep o w e rs u p p l ys y s t e m ，i n s u l a t o r sc a r r i e dt h er e s p o n s i b i l i t yo fm a c h a n i c a l s u p p o r ta n de l e c t r i ci n s u l a t i o n a st h e yw o r k e di no u t d o o rs p o t sa n ds u f f e r e dv a r i e t i e s o fi m p a c t i tw a sn e c e s s a r yt oc h e c ka n dr e p l a c et h ef a u l t yi n s u l a t o r s a tp r e s e n t ，i t w a sah e a v ya n dh a r dl o a dt od oi tw i t hm a n p o w e r , t h e r e f o r e i tw a sad i 伍c u l tt o p i c i nd e m o s t i ca n do v e r s e a st od or e s e a r c ho nn e wm e t h o d s w h i c hc a nm a k et h et a s k p r e c i s e l y , c o n v e n i e n ta n di n e x p e n s i v e t h i st h e s i sa d o p t e dd i s t r i b u t e di n s u l a t o r sd e t e c t i n gm e t h o da c c o r d i n gt ot h e c u r r e n td e t e c t i n gs i t u a t i o n ，w h i c hw a s ，e q u i p i n gd e t e c t i o ne q u i p m e n to nt h eh i g h v o l t a g et o w e r sa n de q u i p i n gm o n i t o t i n gc e n t e ra tt h es t a f fs i d e t h ed e t e c t i o n e q u i p m e n ta d o p t e dc o m p a c t e ds t r u c t u r et o c o l l e c tt h ed i s t r i b u t e dv o l t a g e ，l e a k a g e c u r r e n ta n dw e a t h e ri n f o b yu s i n gw i r e l e s st r a s m i s s i o nm o d u l e t r a n s m i t e dd a t at o t h em o n i t o t i n gc e n t e r t h em o n i t o r i n gc e n t e ra d o p t e di n t e l l i g e n tm e t h o dt op r o c e s s t h ed a t a , a n dt h ei n s u l a t o r ss t a t u sd e t e c t i o nr e p o r tw a sp r i n t e da n dh a n d e dt ot h e p o w e rd e p a r t m e n ta sar e f e r e n c e f i r s t l yt h et h e s i sc o m p a r e dt ov a r i e t i e so fc a u s e sd u et oi n s u l a t o r sp r o b l e m ，i u s t t of i n dt h ep o l l u t i o nf l a s h o v e rw a st h ec r i t i c a lo n e a f t e rl o o k i n gu pw o r l d w i d e m a t e r i a l sr e l a t e d ，b yc o m p a r i n gd i f f e r e n td e t e c t i n gm e t h o d ，d i s t r i b u t e dv o l t a g ea n d l e a k a g ec u r r e n t m e t h o da r e c h o s e s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt op o l l u t i o nf l a s h o v e r p h e n o m e n o n ，t h et h e s i sd e s i g n e dah i 曲p r e c i s i o nd a t aa c q u i s t i o nc i r c u i t b yu s i n gt h e o p t i c a lf i b e rt r a n s d u c e rt od e t e c tt h ed i s t i l b u t e dv o l t a g e ，d e s i g n e dt h em u l t i s e c t s a m p l i n gr e s i s t a n c et oc a t c hl e a k a g ec u r r e n t t h i sm e t h o dc a nd e t e c tc u r r e n tw i t h i n io b a lo o m aa tt h ea c c u r a c yo f10 l l a t h ed e t e c t i o ne q u i p m e n ti n c l u d e sp o w e r m o d u l e ，v o l t a g ea n dc u r r e n tm o d u l e ，w e a t h e rm o d u l e ，a n dw i r e l e s sm o d u l e ，t h et h e s i s d e s i g n e de a c hm o d u l ei nd e t a i l s n l ed e t e c t i o ne q u i p m e n tw o r k e di nt h eo u t d o o rh i 【g h v o l t a g es p o t s ，i nc h i c hc o n d i t i o nv a r i e t i e so fd i s t u r b a n c e sm a ya r i s e ，s oh a r d w a r ea n d s o f t w a r ea n t i d i s t u r b e dm e a s u r ew e r ea d o p t e d t h i r d l y , c o d i n gaf r i e n d l y h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c ea st h es o f t w a r er u n n i n go nt h em o n i t o r i n gc e n t e r , i u d g i n g t h ei n s u l a t o r sp e r f o r m a n c eb yp a r a m e t e r sr e l a t e dt ow a sak i n do ft y p i c a lm u l t i i n p u t n o n l i n e a rt a s k ，t h e r e f o r e ，r b f 刚m e t h o dw a sa d o p t e dt od i a g o s ei n s u l a t o r s p e r f e r m a n c e t h i st h e s i sd e s i g n e das u i t eo fi n s u a l t o r so n 1 i n ed e t e c t i n gs y s t e m a n ds i m u l i n k e x p e r i m e n tw a st o o ka tc r i t i c a lp i o n t s b yu s i n gm a t l a be n g i n ei nv s 2 0 0 5 c a l l e d t h en e u r a ln e t w o r kt o o lb o x a p p l i e di 也fn e u r a ln e t w o r km o d u l ei n i n s u l a t o r s s i m u l i n k t h es o f t w a r ec a np r o v i d ed i f f e r e n ts t a t u sc u r v e sa n de v a l u a t i o nr e p o r t si na s h o r tt i m e t h ed a t af r o mt h ee x p e r i m e n ti d e n t i c a t e d ，t h es y s t e mp r e d i c t i o nr e s u l t s u c c e s s f u l l yf o l l o w e dt h et r u ed a 饥s oi tw a sc a p a b a b l et od e t e c ti n s u l a t o r s k e v 、r d s ：h i 曲v o l t a g ei n s u l a t o r , o n 1 i n ed e t e c t i o n ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，1 强f 武汉理【= 人学硕十学位论文 独创性声明 本人声明，所呈交的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。 据我所知，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，也不包含为获得武汉理工大学或其它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暑在论文中明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 脚期尘鱼墨趣 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交 论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生签名： 鸸导师签名： 日期兰塑g ：互! 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景与意义 电力系统中绝缘子担负着输电线路机械支撑和电气绝缘的重要作用，输电 线路大部分绝缘子在户外运行，受各种环境影响，一旦绝缘子发生故障，就会 影响电力供应，给电力系统带来损失。 在电力系统中由于绝缘子故障造成的事故占较大比例，并且随着经济发展， 电网容量和额定输电电压等级随之提高，污闪事故造成的危害也日益严重。据 统计表明，由于污闪而引起的绝缘子闪络事故占电网总事故次数的第二，仅次 于雷击，但由于污闪事故而造成的损失却是雷击的1 0 倍乜1 。 绝缘子由于工作在特殊的电磁和自然环境，需要排查检修。现行方法是由 人工携带检测装置到高压杆塔附近检测，检测任务重，强度大，而且绝缘子工 作在高空中的高压环境下，因此如何方便准确检测电力系统中绝缘子运行状况， 一直是国内外绝缘子检测的难点。传统绝缘子维护是被动的预防检修，一般在 事故发生后或者定期对绝缘子检测，盲目而且工作量大，使用实时在线绝缘子 检测方法，采集绝缘子性能数据，获得污闪报警信息，有针对性进行维护或更 换工作，是绝缘子检测的发展方向。此外，这种方法还可以为确定清扫周期和 进行预知性维护提供判定依据，积累数据，这对于研究积污规律和各个参数变 量与污秽程度之间的关系具有重要意义。 1 2 相关技术研究现状与动向 针对绝缘子运行状况，从电的角度，可分为非电量和电量两种检测方法， 非电量主要有超声波检测法、激光多普勒振动法和红外热像仪法，电量主要有 分布电压法、绝缘电阻法和泄漏电流法。 ( 1 ) 超声波检测法 这种方法测量不良绝缘子所发出的超声波，根据超声波的强弱来判定不良 绝缘子。优点是抗干扰能力强，信噪比高，缺点是主要针对有裂纹的绝缘子， 武汉理亡大学硕士学位论文 而且超声波的衰减也是一个尚未得到解决的问题。 ( 2 ) 激光多普勒振动法 激光多普勒振动法利用已开裂绝缘子的中心振动频率与正常时不同的特点 来检测绝缘子，优点和超声波检测法类似，缺点是激光多普勒测试仪造价昂贵 且笨重。 ( 3 ) 红外热像仪法 红外热像仪法是根据绝缘子串分布电压在各片绝缘子上反映的热分布，进 行成像处理来检测绝缘子。主要是针对绝缘子温度分布进行成像处理，研究表 明劣化绝缘子的发热功率只有一个极大值，可以根据这一数值与正常的来对比 判断。其优点是可以远距离检测，缺点是关于绝缘子绝缘阻值变化与发热量还 没有一致性的研究结果。 ( 4 ) 分布电压法 在工频电压下，正常绝缘子串上电压分布受绝缘子对地电容及对导线电容 影响，每片绝缘子分担电压不相等。正常绝缘子串电压分布为不完全马鞍形， 两端高，中间低。当绝缘子串中有不良绝缘子且绝缘电阻小于3 0 0m q 时，将 明显影响绝缘子串电压分布。将这一特征和良好绝缘子串标准电压分布相比较， 可以检测出劣质绝缘子，分布电压实施的关键是抗电磁干扰和高压。 ( 5 ) 绝缘电阻法 干净良好的绝缘子，绝缘电阻可达1 0 0 0 尥以上，而零值或低值的绝缘子， 有时只有几脚到几十尥，根据这一特点，测量绝缘电阻对零值绝缘子进行检 测。方法是用高电阻接至带电绝缘子上，使测量绝缘电阻兆欧表处于地电位， 从测得的绝缘电阻中减去高电阻杆阻值，即为被测绝缘子绝缘电阻值，这种方 法具有高准确性，主要问题是测量任务重、受气候影响较大，易误判。 ( 6 ) 泄漏电流法 泄漏电流法是通过测量绝缘子泄漏电流来判断绝缘子绝缘情况，存在劣质 绝缘子的绝缘子串中，受污闪影响绝缘子脉冲放电现象加剧，泄漏电流增大。 根据线路上存在劣质绝缘子时脉冲个数的增多、幅值增大的特点，利用高精度 检测设备测得泄漏电流，通过信号处理，获得泄漏电流平均值和峰值从而在低 压端检出不良绝缘子。泄漏电流法的主要问题在于传感器的选择、信号的提取 及辨识、现场干扰的排除等。由于泄漏电流在绝缘子正常时也可能产生，且随 着输电线路电压值的波动变化，所以如何消除这些因素的影响、建立绝缘子劣 2 武汉理工大学硕士学位论文 化标准是该法能否成功的关键，目前泄漏电流法中数据处理常用的方法是“不 平衡指数 法。 根据第3 3 次国际大电网会议学术委员会0 4 年污秽工作组的报告，结合绝 缘子在线检测的特点，分布电压法、泄漏电流法具有较好精确性和可行性，可 进行定量计算，而且分别从电压和电流绝缘子两个主要特性进行检测，可确保 绝缘子检测的准确性，这两种方法可以在杆塔上安装采集器，免去常规检测的 工作量，联系论文方案实施的可行性，可以选择作为绝缘子检测的特征量。 3 研究主要工作与成果 采用了分布式结构，即在杆塔上安置检测装置，在操作人员侧安置监控中 心的方式，通过现有的g p r s 无线传输模块，将采集的数据传回监控中心，经数 据整理，得到关于绝缘子运行的实时在线检测状态报告，所做的工作主要有以 下几个方面： ( 1 ) 针对绝缘子危害程度最严重的污闪现象，对等值附盐密度、泄漏电流等 表征污秽度的各参数之间的关系进行研究，选择了分布电压、泄漏电流、温湿 度和风速作为在线检测特征量。 ( 2 ) 设计检测装置，主要包括电源供应、电压电流采集、气象采集、无线通 信几个部分。其中，绝缘子电压和电流采集是最关键的，采用了o v t ( o p t i c a l v o l t a g et r a n s d u c e r ) 电压传感器采集分布电压，多段采样电阻法采集泄漏电流， 得到数据后放大滤波，光电隔离后a d 转换，存储并发送。通过$ 3 c 2 4 1 0 a 与无 线传输模块进行通信，完成无线通信。 ( 3 ) 监控中心接收到位于杆塔侧检测装置的数据后，经过数据分类处理，通 过在v s 2 0 0 5 中使用智能处理方法，获得在线绝缘子损坏程度详细状态信息，为 绝缘子检测提供实时在线检测报告。 ( 4 ) 针对绝缘子数据采集的可靠性难点，从硬件和软件两个方面对绝缘子检 测中可能出现的干扰进行设计，并采用了具体的解决措施。针对检测装置的工 作环境，将可靠性设计贯穿于整个设计。 ( 5 ) 在绝缘子数据处理中，为了解决多变量非线性问题，采用了r b f 神经网 络模型对采集到的数据进行处理，训练绝缘子运行的预估模型，以获取绝缘子 损坏程度，为绝缘子检测提供可预测模型。 3 武汉理工大学硕七学位论文 第2 章绝缘子污闪状态监测研究 2 1 绝缘子发生故障原因 ( 1 ) 零值问题。绝缘子由于受到外界环境影响，会逐渐出现绝缘水平下降 现象，绝缘子绝缘性能降低到零或绝缘电阻很低，即为零值绝缘子。当雷电作 用于正常绝缘子时，由于绝缘子沿面闪络电压地低于其它瓷件的固体击穿电压， 有可能发生绝缘子沿面闪络事故；而当作用于零值绝缘子时，零值绝缘子被完 全击穿，强大的雷电流及工频续流从零值绝缘子头部的瓷件缝隙流过，会造成 绝缘子彻底损坏。文献口1 表明由于零值问题而引起的绝缘子事故一般为绝缘子故 障的0 0 2 。 ( 2 ) 雷击闪络。雷击放电是雷电在最短的路径、最易于空气击穿路径通过的 现象。雷击对绝缘子造成的损坏，主要为灼伤伞裙、金具，造成质量不良产品 完全击穿。雷击闪络故障占绝缘子故障的比例最大，从运行情况来看，雷击对 绝缘子损坏非常严重，是造成重合闸不成功的主要原因。雷击闪络造成的绝缘 子故障是最频繁的，现行措施是装设避雷器，可从一定程度避免雷击，不过由 于雷击的特殊性其造成的危害比较严重。 ( 3 ) 污闪现象。表面污秽的绝缘子在适宜气象条件下，污层中的电解质成分 会溶于水，在绝缘子表面形成沿面闪络，即污闪现象。当前对电力系统影响最 大，且危害最严重的事故是在运行电压下输变电设备绝缘子的污闪事故。污闪 也是造成绝缘子故障的主要原因，污闪发生有四个阶段，可以采取措施破坏其 发生条件来排除。 ( 4 ) 老化问题。绝缘子在长期运行中不可避免地会发生各种物理和化学变 化，从而使机械强度和电气性能随时间增加而逐渐劣化，即绝缘子老化。引起 绝缘子老化的因素很多，主要有热、电、机械力的作用以及周围环境的影响。 各种不同的因素对绝缘子产生综合作用，而且还常常互相影响和促进，使老化 过程加速。 造成绝缘子故障的还有其他一些原因，但从所占的比例和危害程度来看， 在绝缘子运行的故障中，排除不可抗力的因素，污闪是发生最多也是危害最严 4 武汉理工大学硕十学位论文 重的，因此，对绝缘子污闪研究是绝缘子运行一个热点的课题。 2 2 绝缘子污闪问题 比较绝缘子发生故障的原因，对绝缘子危害最大的是污闪，以下对污闪放 电特点，发生条件和数学模型进行研究，解释污闪放电对绝缘子的危害以及如 何检测污闪。 2 2 1 绝缘子污闪放电特点 在线运行的绝缘子，在适宜的大气环境中，在绝缘子表面会形成溶有可溶 盐类的导电水膜，而且受绝缘子形状、尺寸的影响，绝缘子电流密度会不均， 比较大的首先形成干燥带，由于干燥带的存在越发使得绝缘子表面电压分布不 均，干燥带承担较高电压。当电场强度较大时，将产生跨越干区的沿面放电， 根据脏污和受潮程度不同，可能是辉光放电、火花放电或局部电弧。局部电弧 是一个间歇性的放电过程，这种间歇的放电状态可能会持续很长时间，当脏污 和潮湿状态严重时，局部电弧会逐步发展，当达到和超过临界状态时，电弧会 贯穿两极，发生闪络。以x w p - 7 型绝缘子为例，表2 1 列出了随泄漏电流增大 绝缘子发生的放电现象。 2 2 2 绝缘子污闪条件分析 污闪放电是一个涉及电、热和化学现象错综复杂的变化过程，污闪过程分 为4 个阶段： ( 1 ) 绝缘子表面污秽沉积。绝缘子表面沉积的污秽物，主要来源于大气环境 的污染，也受大气条件的自清洗。如果这些污秽物在干燥时是不导电的( 高电 阻) ，在闪络前需要潮湿过程。 ( 2 ) 绝缘子表面湿润。当污秽物吸水受潮，会在绝缘子表面形成一层导电 水膜，污物中电解质成分电离，并以离子形态存在，绝缘子闪络电压会明显降 低，其降低还与湿污层的电导率有关。 5 武汉理工大学硕士学位论文 表2 1x w p 一7 型绝缘子放电现象与泄漏电流之间的关系 l c 值m a放电现象特征 8 0 0 次 工作温度 一2 0 6 0 本系统的微控制器s 3 c 2 4 1 0 a 对片内各个部件采用独立电源供给方式，内核 采用1 8 v 供电，存储单元、i 0 和a d 转换采用3 3 v 供电。$ 3 c 2 4 1 0 a 需要两 种电压3 3 v 和1 8 v ，因此需要电源芯片予以调节。一般线性电源输出无高频干 扰，效率较低；开关电源相对效率较高，但是干扰高，综合考虑选用t i 公司的 t p s 7 6 7 d 3 1 8 芯片将d c 3 7 v 转化为3 3 v 和1 8 v ，提供微控制器和外设电源，如 图3 3 。t p s 7 6 7 d 3 1 8 的特点是，对独立的电源应用提供双输出电压，输出电流 范围为o 1 o a ，有3 3 v 2 5 v ，3 3 v 1 8 v ，和3 3 v 可调输出几种输出模式， 可超负荷2 运行。 3 7 v 墅仑坚! 图3 3 微控制器电源连接 1 8 武汉理i ：人学硕士学位论文 3 3 2 信号采集模块电源 在数据采集模块中，主要有o v t 电压传感器、运算放大器和a d 模块需要 电源。o v t 工作电压为d c l 2 2 4 v ，采用如图3 4 的t p s 6 7 3 4 来提供；运算放大 器采用了高增益、高共模抑制比和双端输入功能的i c l 7 6 5 0 ，需要d c 正负5 v ， 选用t i 公司的t p s 6 1 0 2 7 芯片来提供。其中t p s 6 1 0 2 7 采用了q f n - 1 0 封装的5 v 输出1 5 a 开关电源芯片，效率9 6 的升压转换器。a d 转换模块使用$ 3 c 2 4 1 0 a 自带的模数转换器，需要3 3 v 的工作电压，其电源供应与$ 3 c 2 4 1 0 a 一起由 t p s 7 6 7 d 3 1 8 来提供。考虑到整个系统的功耗问题，部分电源供应要求是可控的， 可以根据需要由微控制器使能来控制电源通断，如图3 5 。 图3 4 电压传感器电源连接 v o 堕v 一i 一2 0m a 一一 g n d 图3 5 信号采集模块电源连接 1 9 武汉理：l ：人学硕十学位论文 温湿度传感器采用了s h t i o 型温湿度复合传感器，含有已校准数字信号输 出，便于和微控制器连接。它应用专利工业c m o s 过程微加工技术( c m o s e n s ) ， 有高可靠性与稳定性，工作电压为2 4 - - - 5 5 v ，可以由t p s 6 1 0 2 7 提供电源。 风速风向传感器采用w m 3 0 风传感器，同时具有风速和风向测量的功能，结 构紧凑小巧，能耗低，反应快速线性好，单绕组和双绕组电位器，工作电压为 d c 3 1 5 v ，也可以由t p s 6 7 3 4 提供电源。 无线通信模块e t p r o2 9 9 a i 的工作电压为3 3 - - 2 4 8 v ，输入电压为4 v ( 典型 值) ，可以取t p s 7 6 7 d 3 1 8 的d c3 3 v 作为供电电源。由于无线通信模块和微控 制器是不能处理断电模式的，因此两者的电源供应由同一电源芯片提供。 3 4 信号采集模块设计 信号采集模块主要包括分布电压采集，泄漏电流采集和放大滤波电路。文 献n 刀指出，在传统方法中，磁电式互感器和采样电阻法存在各自的缺点和不足。 磁电式互感器法是基于电磁感应原理的，存在非线性、频带窄、高频响应差等 缺点；而采样电阻法存在无隔离、动态范围大等问题。因此在论文中，采用 o v t ( o p t i c a lv o l t a g et r a n s d u c e r ) 光纤电压传感器来检测分布电压，采用多段 采样电阻和隔离措施来检测泄漏电流。 ( 1 ) 分布电压采集 论文采用的o v t - 5 0 0 n 2 1 是基于光电传输系统的，光电传输系统一般由发射电 路( 包括光源) 、光纤以及接收电路( 包括光检测器) 三部分组成，如图3 6 所示 n 引。发射电路一般由信号处理、信号调制和电光( e o ) 转换几部分组成，其功能 是使测量信号先经过处理转变为易于调制的信号，再经过调制后驱动发光二极 管将电信号转换为光信号；光信号通过光纤传输到位于低压侧的接收电路；接 收电路一般由光电( o e ) 转换、信号解调和信号处理几部分组成，其功能是先将 光纤传送的光信号经o e 转换为电信号，然后经解调和信号处理恢复为被测量 的电信号。系统的e o 及o e 转换一般采用发光二极管与p i n 光电二极管 ( l e d - p i n ) 组合，光纤一般采用多模光纤。 2 0 武汉理工人学硕士! 学位论文 图3 6 光电传输系统组成结构 论文采用的o v t - 5 0 0 n 2 1 型光学电压传感器原理是基于p o c k e l s 效应，p o c k e l s 效应是指某些透明光学介质在外电场作用下，其折射率线性地随外电场而改变 的效应。在外加电场e 作用下，b g o 晶体由各向同性变成各向异性的双折射晶 体。当线偏振光投射到双折射晶体的端面，入射光束就会变成与初相角相同、 而电位移矢量相互垂直的两束光，由于它在所在晶体中的传播速度不同，出射 时有一定的相位差，采用检偏器将相互垂直的两出射光束变成偏振相同的相干 光，产生相干干涉，从而将相位调制光变成振幅调制光，将相位差的测量转化 为光强的测量，最后获得被测电压值。 缈：华n s y 。l y ( 之) ：警 ( 3 1 ) a y 厅 其中，y 为被测电压，匕为半波电压，刀为晶体折射率，九。为电光张量。 其主要性能指标如下： 表3 2o v t - 5 0 0 性能指标 耐压5 5 0 k v 局放2 p c 爬距比2 3 m m k v 误差电压0 2 3 p 动态稳定有效值：5 0 k a 3 s ，峰值：1 2 5 k a 电磁兼容十项全部为a 级，对其他设备无干扰 根据o v t - 5 0 0 可以测得分布电压大小，相比传统的电磁式电流传感器具有 以下优点：容易解决电力系统测量中最主要的绝缘问题；信号采用光传输，有 2 1 武汉理工人学硕卜学位论文 效减小电磁干扰；光速快、频率高、可传送高速信息；信号传输线性度高；输 出信号便于其他设备采集。 ( 2 ) 泄漏电流采集 针对采样电阻法的缺点，采用了多段采样电阻法检测泄漏电流。针对高电 压和浪涌电流采用了气体放电管和瞬态抑n - 极管，具体措施将在第5 章论述； 共地无隔离方面采用输入端光耦隔离；变化范围大的特点采用了多段采样电阻。 在第2 章已经论述，采用在绝缘子串杆塔装设引流装置，将泄漏电流经由 电阻引出至检测回路的方法来检测泄漏电流，可以克服采集电路共地问题。本 文设计中采用多段采样电阻法，引入多段采样电阻来产生一个适合的电压啪儿3 0 1 ， 将电流信号转换为电压来采集电流，如图3 7 所示。 其基本工作原理是：采用一个采样电阻r 5 和采样电阻r 6 ( r 5 r 6 ) 串联，选 择合适阻值，要求同时满足量程和测量精度，具体按电压v 耐。和v 础划分档位。 首先，由于泄漏电流一般情况下都很小，可以先对v 州采样1 秒作为预采样，然 后对采样值进行计算，如果有v 伽。 v 。， 就认为泄漏电流在第二个区间，那么就可以按规定的采样时间采样k 。：，v 伽“和 v 。：同时接入一个模拟开关，由程序控制选择接通某一通路，根据实际情况，根 据需要，可以设置多个v 耐值。信号经由采样电阻后由运放组成输出缓冲级，运 放输入端加入稳压管为防止采样电阻上电压过高。 图3 7 泄漏电流多级采样电路 武汉理工大学硕士学位论文 分布电压由o v t 输出数字信号后幅值调整即可，但是泄漏电流幅值变化很 大，采用传统的固定增益运放难以实现，根据文献n 引，放大范围高达3 0 0 0 ，由 于污闪发生需要经历一个过程，实际测量时，需要考虑的可测范围在1 0u l o o m a 的范围，因此放大电路采用了p g a 2 0 2 和p g a 2 0 3 组合电路图3 8 来实现。 图3 8 程控增益放大电路组合连接 经过这样的组合放大电路调节后，泄漏电流被放大至5 v 之间，以便于泄 漏电流工频分量检测，p g a 2 0 2 和p g a 2 0 3 均为可编程数字放大器，p g a 2 0 2 为十 倍放大器，增益范围为l ，1 0 ，1 0 0 ，1 0 0 0 ，p g a 2 0 3 为= 倍放大器，增益范围为 1 ，2 ，4 ，8 ，经过二者的组合，可以得到l ，2 ，4 ，至8 0 0 0 共计1 6 种组合， 增益小于1 0 0 0 时，组合电路的带宽为4 0 0 k h z 。这种可编程放大器与传统放大器 相比有优良性能，通过将激光调节电阻与单片技术融合，将模拟地与数字地恰 当处理，使得这样的组合具有很高的共模抑制比。考虑到设计中需要较高可靠 性，差模干扰基本不要考虑，但是共模干扰是一个需要解决的问题，采用上述 电路组合可以合理的解决这些问题。具体应用时在电源引脚均接入0 1uf 的滤 波电容，以防止由于模拟地和数字地接入，微控制器输入而引起的干扰。 泄漏电流中混合了泄漏电流工频分量和高频分量，因此，应采用低通滤波 器来获得泄漏电流，而采用高通滤波器来获得脉冲频次。 滤波器采用m f b ( m u l t i p l ef e e d b a c k ) 多端负反馈电路，又称无限增益多路 反馈电路。m f b 电路在超高速动态a d 输入电路得到了广泛的应用，这种滤波器 除了让有用信号通过外对无用信号有很强的抑制能力。低通滤波电路如图3 9 a ) ，高通电路如图3 9b ) ，这种反向二阶低通滤波器与s a l l e n k e y 电路相比有 很多的优点：( 1 ) 对电流毛刺和d c 偏置电流没有放大作用。图3 9a ) 中所示输 入滤波电容接地，这对于减小噪声非常有利。( 2 ) 频带信号增益由一( r 1 r 3 ) 钳制。 ( 3 ) 在不影响转折频率的前提下，r 3 设置了滤波电路的q 值。 武汉理jr = 大学硕士学位论文 毒轰 2 0 0 1 u 一! ir i c il o o p 厂仁= = _ 一i 28 0 k q l o o p i 一一l - l | i + - - 一 1r 1g o k 一 j 厂 i c l 7 6 5 0 图3 9m f b 滤波电路 其对应的拉普拉斯传递函数为 鲁( 上阿卜石两1 。i 1 1 1 1 1 聂= 2 ) c lr lr 2r 3 7 r l r 2 c l c 2 枷一鲁磊再一( 3 - 3 ) 转折频率为 _ 品质因数为 ( 0 0 2 ： ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) 根据上述几个参数，放大倍数，转折频率和品质因数( 0 7 0 7 ) ，就可以求出 r 和c 值，由于泄漏电流工频分量为5 0 h z ，设计低通滤波器的截止频率为l o o h z ， 而泄漏电流高频分量为2 0 k h z - ，1 0 m h z ，设计高通滤波器的截止频率为2 0 k h z n 钔， 为了抑制共模干扰，滤波电路中运放选用了i c l 7 6 5 0 。 2 4 孕磊压礴厝磊 一压 一屈 = = 卜 = 阡 哪 所 沪 l f 烈 武汉理工人学硕仁学位论文 低通和高通滤波器的p s p i c e 仿真效果分别见图3 1 0 的图a ) 和b ) 。图中显 示的滤波后输出信号，输入信号为5 0 h z 和2 0 k h z 的正弦波，幅值为l v ，从图中 可知，低通滤波器和高通滤波器均可得到各自需要的泄漏电流信号。 i ? i； 彳 ：， i ； j l ，! 。 ； 彳。 车 7 、i ，i。、；，7 ；- 上- ：工 l 7 彳事 。 ，： j ! k - 弋 。i ， 上一 - - ， 一。 _ -。 一- _ _ i： j -一川 f j j ：j。：k ： j 下】 。1一叶- 1：i ：7- j f 荆 。 | l ：j ： i 。瓣辨 m 粼 良，l 1 ： t i。l _r 1。卜 r 。t _ _荆：i： j 翥j抖 ； ，撇 _】川斗y ：j v 喜 jv 1，i 刖 ：v il f v* 1vv - u 斗v v ij v 弘i lv 弘v 。r _ j ：f - 。 ：一 。一 一b ) 图3 1 0 滤波器滤波输出波形 对于泄漏电流中的高频分量，发生的频次是不定的，如果让微控制器不间 断以查询方式检测，只能让微控制器一直处于忙碌状态而效率低下。为了捕捉 这些高频脉冲信号，采用了如图3 1 1 所示的峰值保持电路。原理如下：对于a 2 ， 由于虚短，c 1 两端电压v c 等于v o ，当v ； v o 时d 1 导通对c 1 充电，当v ； v 。时， 由于电容的作用v 。得以保持，放电时间t = r 1x c l 。因为泄漏电流是交流，有正 负，为了应用峰值保持电路，在峰值保持电路的输入端加入单向桥式整流电路。 图3 1 1 峰值保持电路 泄漏电流信号在放大和滤波过程之后，还需要对幅值进行调整，以匹配微 控制器的电平要求，输入微控制器之前还必须进行光电隔离，一方面为了除去 武汉理工人学硕+ 学位论文 电磁干扰等外界的干扰，另一方面防止共地所带来的共模干扰和保护微控制器。 考虑到泄漏电流分量较小，如果按照信号原来的大小的来采集，就会对a d 采样提出较高要求，也就是a d c 的分辨率提出更高要求。因此，在前置放大阶 段，将采集的信号通过数字可编程放大器p g a 2 0 2 和p g a 2 0 3 ，软件编程调整放大 倍数使其大小适合$ 3 c 2 4 1 0 a 的采集，在采集完毕后，把得到的数据除以事先设 置的放大倍数，即可得到实际泄漏电流的大小，采用这种方法，可避免使用外 置a d c ，一方面尽量减小成本，另一方面是使系统功耗进一步减小。 a d 转换采用的是$ 3 c 2 4 1 0 a 自带的模数转换器，具有8 通道模拟输入1 0 位 c m o s 的a d c ，a d c 支持片上采样和保持功能，并支持掉电模式。注意到，a d c 有 8 路可以输入，电流采集的是三相电，故一次占用3 路，外加风速传感器的1 路， a d c 的输入通过1 6 p i n 的接口引出，以便于将来扩展，为以后升级留下接口。对 于采集到的泄漏电流工频成分，可以根据快速傅立叶变换得到其均值，和即时 时刻的最大值，对于其中的高频成分，只需要对其中达到l o m a ，2 5 m a ，5 0 m h ，l o o m a 的脉冲进行计数，统计幅值区间个数并传送给监控中心。 3 5 气象模块选型 气象条件对绝缘子泄漏电流幅值与脉冲频次多少有较大影响，因此需要对 温度湿度等气象条件进行测量。 ( 1 ) 温度和湿度模块选型 温度和湿度采用s h t i o 温度湿度传感器，其含有已校准数字信号输出的温湿 度复合传感器，应用专利的工业c m o s 过程加工技术( c m o s e n s ) ，使产品具有高可 靠性与稳定性。传感器包括一个电容式集合体测湿元件和一个能隙式测温元件， 与一个1 4 位的a d 转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接。其校 准系数以程序的形式储存在o t p 内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中 要调用这些校准系数。s h t i o 的测湿精度为4 5 r h ，测温精度为0 5 ， 封装形式为s m d ，供电电压为2 4 - - - 5 5 v ，电路连接如图3 1 2 所示。 武汉理工大学硕七学位论文 图3 1 2 温度和湿度采集电路连接 传感器上电后，要等待1i m s 以越过“休眠状态。在此期间无需发送任何 指令。电源引脚( v c c ，g n d ) 之间可增加一个l o o n f 的电容，用以去耦滤波。s c k 用于微控制器与s h t i o 之间的通讯同步。 由于接口包含了完全静态逻辑，因此不存在最小s c k 频率。d a t a 三态门用 于数据的读取。d a t a 在s c k 时钟下降沿之后改变状态，并仅在s c k 时钟上升 沿有效。数据传输期间，在s c k 时钟高电平时，d a t a 必须保持稳定。为避免信 号冲突，微控制器应驱动d a t a 在低电平。需要一个外部的上拉电阻( 1 0 kq ) 将 信号提拉至高电平。 s h t i o 可以同时实现露点测量温度和湿度，需要注意的是手工焊接时，在最 高3 5 0 条件下接触时间须少于5 秒。 ( 2 ) 风速和风向模块选型 风速传感器采用了w m 3 0 型风传感器，能同时风速和风向，具有结构紧凑小 巧，能耗低，反应快速线性好的特点。项部旋转的杯状风速计可以测出对风速 的线性响应，附带的风向标可以测得风向的快速响应。杯状风速计特定的形状， 尺寸，和材质可以获得准确的结果，这种特殊的设计可以得出关于风速风向和 杯环的线性相应。风向标直接联系着杯身，并且由持久、轻便的材料支撑，这 样的设计保证了快速的响应和较低的惯性。 删3 0 的风速传感器为双簧片开关，参数为0 。5 6 0 米秒，启动阀值 0 4 米秒，距离常数2 米，传感器输出i h z ( 0 7 m s ) ，准确度o 4 ( 6 0 m s ) ，风速 至l o 米秒为0 3 米秒，风速超过1 0 米秒为2 。风向传感器为电位器， w m s 3 0 2 双绕组电位器的测量范围为0 3 6 0 。，启动阀值 1 o 米秒，延时距离0 6 米，准确度优于3 。工作供电为d c 3 - - 一1 5 v ，工作温度为一4 0 5 5 。 武汉理t 大学硕十学位论文 3 6 通信模块选型 检测装置检测的参数有分布电压，泄漏电流，温度，湿度，风速，风向， 这些参数与监控中心必须有一个传输部分，由于整个检测装置是安装在高压杆 塔上，必须远程传输，远程传输的方式主要包括有线传输和无线传输。目前， 有线传输比较稳定，但需要铺设相应的硬件设施。而绝缘子检测由于杆塔分布 的地理位置分散，如果采用有线传输方式就意味着需要大量硬件设施；而无线 传输方式由于移动通信技术的发展，