（物理电子学专业论文）基于通用串行总线的数据采集单元在高电压设备监测中的研究.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 输变电站中的高电压设备的绝缘性能的好坏直接关系到电力输 送的安全运行，高电压设备中的电流互感器，电压互感器，耦合电容 器，套管，避雷器等，在电路内都呈现出电容的特性，所以把它们通 称为容性设备。本论文首先对容性设备的绝缘性能的评价参数进行了 分析，从原理上论述了介质损耗角的物理意义和对它进行实时监测的 重要性。讨论了介质损耗的基本理论，并建立了两种计算介质损耗的 两种等效电路，然后对电桥平衡法的分析和研究，推导出西林电桥法 测量介质损耗的计算公式，并根据西林电桥的平衡方程讨论了电桥的 平衡调节与平衡轨迹。虽然电桥法在过去是电力部门进行介质损耗测 量的主要方法，但同时也存在强干扰的工作环境下测量效果差，操作 难度大，测量过程复杂，抗干扰效果差等局限性。目前比较理想的方 法是全数字测量法，它的基本原理是利用数值计算来测量介质损耗。 本文就全数字测量法中的谐波分析法进行了研究，分析了其测量介质 损耗的基本原理，然后就实际使用过程中出现的“频谱泄漏效应”和 “栅栏效应”进行了研究与分析，在理论上分析了两种效应的形成原 因，并从理论上论证了消除两种效应的依据。在实际使用上，在不增 加硬件成本的基础上，在软件方面提出了基于加窗的谐波分析法，通 过仿真结果表明：该方法相对于传统的谐波分析法而言，提高了两个 数量级的测量精度，可以有效避免由于基波频率提取不准确造成的频 谱泄漏现象，在电网频率变化范围内具有较高的检测准确度。最后在 现有工作的基础上，运用前沿电子技术，设计了一个基于通用串行总 线( u s b ) 数据采集单元的高电压设备监测系统，描述了其设计的总 体结构，详细论述了信号采集、信号预处理、数据采集，数据传输以 及数据采集单元电路等各个单元的工作原理以及设计方案，给出了数 据采集单元电路设计及其相关的控制程序流程。考虑到设备所处工作 环境干扰大的因素，并详细分析了系统的抗干扰措施。将通用串行总 线技术用于高电压设备的监测是一次技术上的创新，在国内尚属首 次，具有重要意义。 关键词：高电压设备，监测系统，介质损耗，谐波分析，串行总线 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h e i n s u l a t i n gp r o p e r t y o f h i g hv o l t a g ee q u i p m e n t s i nt h e t r a n s f o r m e rs u b s t a t i o ni sr e f e r r e dt os a f b ro fe l e c t r i cp o w e r t r a n s p o r t a t i o n t h eh i g hv o l t a g ee q u i p m e n t sh a v em a n yt y p e s ，f o re x a m p l e ，c u r r e n t t r a n s f o r m e r , v o l t a g et r a n s f o r m e r , c o u p l i n gc o n d e n s e r ，b u s h i n g ，a r r e s t e r , w h i c ha r ep r e s e n ta ne l e c t r i cc a p a c i t yc h a r a c t e r i s t i ci nt h ee l e c t r i cc i r c u i t , s ot h e yc a l lb ec a l l e dc a p a c i t i v ee q u i p m e n t s t h i sp a p e rf i r s tg i v e sa s i m p l ei n t r o d u c et ot h eb a s i cp r i n c i p l eo f t h e d i e l e c t r i cl o s s ，a n dg i v e so u t t w oe q u i v a l e n tc i r c u i t st oc a l c u l a t et h ed i e l e c t r i cl o s sf a c t o r t h e nt h e t r a d i t i o n a lm e a s u r e m e n tt h e o r yo f b r i d g e - b a l a n c ei sn a r r a t e di nt h i sp a p e r , t h ef o r m u l a st oc a l c u l a t ed i e l e c t r i cl o s sf a c t o ra r ed e r i v e i ti ss h o w nt h a t a l t h o u g ht h et r a d i t i o n a lm e a s u r e m e n to fb r i d g e - b a l a n c es u c c e s s f u l l y s o l v e st h ep r o b l e mo ft 9 8m e a s u r e m e n ti nt h e o r y , t h em e a s u r ee f f e c ti s p o o ri nt h el o c a li n t e r f e r ee n v i r o n m e n t f o rt h et r a d i t i o n a lm e a s u r e m e n t m e t h o do fb r i d g e b a l a n c e ，t h e r ea r el i m i t a t i o n so fd i f f i c u l tt oo p e r a t e ， c o m p l e x i t yt o m e a s u r ea n dp o o ra n t ii n t e r f e r e n c e p e r f o r m a n c e t h e d i g i t a lm e t h o d sf o rt h em e a s u r e m e n to fd i e l e c t r i cl o s sf a c t o ra r ev e r y p o p u l a r , i t sf u n d a m e n t a lp r i n c i p l ei sc a l c u l a t e sd i e l e c t r i cl o s sf a c t o ra l lb y n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n t h i sp a p e rg i v e sad e e p l ys t u d yo fh a r m o n i c a n a l y s i s ，m o s tu s e f u lm e t h o do fd i g i t a lm e t h o df o rt h em e a s u r e m e n t ，a n d a n a l y s e sf u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo fh a r m o n i ca n a l y s i s ，w h e nh a r m o n i c a n a l y s i si su s e dp r a c t i c a l l y , t h e r ea r et w op r o b l e m s ：l e a k a g eo fs p e c t r u m a n df e n c ee f f e c t , t h ep a p e ra n a l y s e st h er e a s o no ft h ep r o b l e m ，a n dt o d e a lw i t ht h ep r o b l e m ，a ni m p r o v e dh a r m o n i ca n a l y t i c a la l g o r i t h mb a s e d o nt h eb l a c k m a n - h a r r i sw i n d o wi s p r e s e n t e dt om e a s u r ed i s s i p a t i o n f a c t o r ( t g s ) t h r o u g ht h es i m u l a t i o n , c o m p a r e dw i t ht h en o r m a lh a r m o n i c a n a l y t i c a la l g o r i t h m , t h ei m p r o v e da l g o r i t h mc a nr e s t r a i nt h el e a k a g e p r o b l e mo fa s y n c h r o n o u ss a m p l i n gc a u s e db yt h ef l u c t u a t i o no fs y s t e m f f e q u e n c y ，a n dh a sh i g h e ra c c u r a c y a p p l y i n gt h ea c h i e v e m e n ts t u d i e d , i t d e v e l o p e da ni n s u l a t i n gd i e l e c t r i cl o s sm o n i t o r i n gs y s t e mo fc a p a c i t i v e e q u i p m e n t ss u c c e s s f u l l yb a s e do nu n i v e r s a ls e r i a lb u s ( u s b ) t h ed e s i g n p r i n c i p l ea n di n t e g e rs t r u c t u r eo ft h es y s t e mi sd e s c r i b e d i tp r e s e n t st h e h a r d w a r ec i r c u i td e s i g n i n ga n dt h ec o n t r o lp r o c e d u r ef l o w i td e s c r i b e s 中南大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n di m p l e m e n t i n gs c h e m ei ne a c hu n i t ，s u c ha s s i g n a lg a t h e r i n g ，s i g n a lp r e a d j u s t i n g , d a t aa c q u i s i t i o n ，s i g n a l t r a n s p o r t a t i o na n dc o n t r o l l i n g ，e t c t h em e a s u r es y s t e ms e l f - a d j u s ta n d a n t i d i s t u r bt e c h n i q u ea r ea l s os t u d i e d k e y w o r d s ：h i 曲v o l t a g ee q u i p m e n t s ，m o n i t o r i n gs y s t e m ，i n s u l a t i n g p r o p e r t y , d i s s i p a t i o nf a c t o r , h a r m o n i ca n a l y t i c a la l g o r i t h m ，u s b ，d a t a a c q u i s i t i o n i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：一事胖 日期：丛年上月竺日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 亟盅期：出且型日 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1电力设备绝缘性能监测的研究意义 电力设备是组成电力系统的基本设备，是保证供电可靠性的基础，一旦电力 设备发生失效，必然引起局部甚至全部地区停电。 大量资料表明，导致设备失效的主要原因是电力设备绝缘性能的劣化口棚。 1 9 9 0 在我国，1 1 0 k v 及以上等级的电力变压器事故的统计分析表明，由于绝缘 劣化引起的事故占总事故台次的7 6 和总事故容量的6 5 ，全国1 1 0 k v 及以上 的等级的互感器中，绝缘故障占总事故台次的5 5 t ”；“八五”期间，我国主要 电网中由于电气设备绝缘故障而直接引发的电网事故约占事故总量的2 6 3 t 2 1 。 国外的统计结果也类似。对美国某4 8 k v 配电系统在1 9 8 0 - 1 9 8 9 年失效电 容器的统计分析表明，其中9 2 是因为绝缘劣化引起失效的【3 1 。日本日新公司对 故障变压器统计的结果中。绝缘故障占4 5 。2 0 0 3 年8 月1 4 日，北美电力系统 大停电，波及美国8 个州和加拿大一个省，估计美国的总损失为4 0 亿1 0 0 亿 美元，造成加拿大8 月份的国内总产值下降了o 7 ，经调查表明，其停电原因 为几条关键的3 4 5 k v 输电线发生对地短路事故1 4 1 。 电力设备，特别是大型设备故障会造成巨大的经济损失。以一套三相5 0 0 k v 、 3 6 0 m v a 的大型变压器为例，若发生故障，其维护费用当在数百万元，停电一 天的直接电量损失( 按1 k w h 电0 4 元计算) 达2 8 0 万元，而因停电引起的间 接损失( 按l k w h 电4 元计算) 可高达2 8 0 0 万元，若计入社会损失，那么它给 整个社会造成的损失将无法估计。有些电力设备本身的价值并不昂贵，但是其故 障后果严重，例如互感器、电容器常因绝缘故障发生爆炸和起火，不仅会影响周 围的设备，而且由于其故障的突发性，会因爆炸造成人员伤亡 由以上论述可见，电力设备的多数故障是绝缘性故障，而且设备故障后，带 来的经济损失和人员伤亡非常严重。故电力设备不仅影响整个电网的安全运行， 同时还危及人身的安全，因而实现高电压设备的状态监测具有重要意义。 1 2 电力设备监测模式的发展 1 2 1 预防性试验和定期维修 对电力设备监测的主要手段，以往直采用定期进行绝缘预防性试验1 5 , 6 1 ， 中南大学硕士学位论文 即根据电力部所颁发的电力设备预防性试验规程，对不同设备所固定的项目 和相应的试验周期，定期在停电状态下进行绝缘性能的检查性试验。预防性试验 一般在每年的雷雨季节前的春检时进行。将预试结果和规程上的标准进行比较， 如果超标，则应安排维修计划对设备进行停电检修，即进行预防性维修1 7 j 。此外， 根据电力部颁发的电力设备运行规程，按规定的期限和项目对设备进行定期检 修。 上述的预防性试验和定期维修可称为预防性维修体系，在我国已沿用4 0 多 年，为我国的电力系统的正常运行起了很好的作用，但是，该体系有一定的局限 性。 从经济角度看，预防性试验和定期维修均需要停电，不仅会造成巨大的直接 和间接的经济损失，而且增加了工作安排的难度。定期维修也需要投资，而且这 种投资是否必要也不好确定，因为设备的实际工作状态可能完全不必作任何维 修，且能继续长时间运行；如果维修水平不高，可能使设备性能越来越差，从而 产生新的经济损失。 英国人p j 达夫勒研究了预防性维修的经济效益问题f 8 】，他认为只有6 0 的 维修费用的使用是合理的，而另一种估计则认为，定期维修更换下来的设备，有 9 0 是没有必要更换的，所以，预防性维修体系不是最经济的电力系统维护体系。 从技术角度看，预防性试验有两个方面的局限性。首先，预防性的试验条件 不同于设备运行条件，多数项目是在低电压下进行试验，并且设备在运行过程中 还有诸如温度、谐波等多方面因素的影响，无法在预防性试验中再现，这样就很 有可能发现不了绝缘缺陷和潜在的故障。其次，尽管绝缘性能的劣化和缺陷发展 具有统计性，但是绝缘性能劣化发展速度有快有慢，总有一定的潜伏和发展时间， 在此段时间内会发出反映绝缘性能状态变化的各种信息，而预防性试验是定期进 行的，可能经常无法及时准确的发现故障。 1 2 2 状态维修和在线监测 随着世界上装机容量的迅速增加，额定电压的提高，对供电可靠性的要求越 来越高，考虑到原有的预防性维修体系的局限性，为降低停电和维修费用，提出 预知性维修或状态维修的新概念1 9 1 ，其指导思想是对运行中的电力设备的绝缘状 态进行连续的在线监测，随时获得能够反映绝缘性能状况变化的信息，在对这些 信息进行分析处理后，对设备的绝缘状况做出诊断，并根据诊断的结论安排必要 的维修。 状态维修包括三个步骤，即在线监测，分析诊断和预知性维修。其中在线监 测系统是状态维修的基础和根据，由于在线监测是连续的自动监测，因此它的发 展是与计算机技术息息相关的，近年来，随着计算机技术、传感器技术、总线技 2 中南大学硕士学位论文绪论 术以及信息处理等先进技术的发展，推动了在线监测技术的发展，扩展了在线监 测技术的应用范围。 建立在线监测系统是需要资金投入的，英国人p j 达夫勒认为1 8 ，对一般工 业部门而占，电力设备的监测系统约为设备费用的5 ，在我国，以一套三相 5 0 0 k v 、3 6 0 m v a 变压器为例，设备的价值在2 0 0 0 万左右，为其建立一套监测 系统，投资不会超过设备价值的5 。但是，在线监测系统和状态维修带来的经 济效益也是十分显著的【n 1 3 1 。据美国某发电厂统计，运用状态维修体系后，每年 可获利1 2 5 万美元，英国中央发电局的统计表明，利用状态维修，使变压器的年 维修费用从1 0 0 0 万英镑减少为2 0 0 万英镑，日本资料分析，在线监测和状态维 修技术的应用，使每年维修费用减少2 5 5 0 ，故障停机时间则可减少7 5 。 因此，与预防性维修体系相比，在线监测系统与状态维修仍然是一种比较经济的 电力体系维护体系。 1 3电力设备在线监测的发展现状与趋势 1 3 1 国外在线监测的发展状况 在线监测这一设想由来已久，早在1 9 5 1 年，美国西屋公司的约翰逊( j o h n s j o h n s o n ) 针对运行中发电机因槽放电的加剧导致电机失效，提出并研究了在运 行条件下监测槽放电的装置【l ”，这是最早提出的在线监测思想。 2 0 世纪6 0 年代，美国最先开发监测和诊断技术，成立了庞大的故障研究机 构，每年召开1 2 次学术会议0 3 1 。2 0 世纪6 0 年代初，美国即已使用可燃性气 体总量监测装置，来测定变压器储油柜油面上的自由气体，以判断变压器的绝缘 状态。但在潜伏性故障状态，气体大部分溶于油中，这种装置对潜伏性故障无能 为力。 针对这一局限性，日本等国研究使用气相色谱仪，在分析自由气体的同时， 分析油中溶解气体，这有利于发现早期故障。缺点是要取油样，需在实验室进行 分析，试验时间长，不能在线连续监测。2 0 世纪7 0 年代，能使油中气体分离的 高分子塑料渗透膜的发明和应用，解决了在线问题。 气相色谱分析技术是一种行之有效的监测技术，目| 已广泛应用于各种电力 设备的监测，但是该技术对突发性故障不灵敏，这就需要借助于局部放电的监测。 局部放电的在线监测难度较大，数十年来，它的发展一直受到限制，传感器 技术、信号处理技术，电子和光电技术、计算机技术的发展，提高了局部放电在 线监测的灵敏度和抗干扰水平。到了2 0 世纪8 0 年代，局部放电的监测技术已有 较大发展，加拿大安大略水电局【1 5 1 研制了用于发电机的局部放电分析仪，并已成 中南大学硕士学仔论文绪论 功的用于加拿大等国的水轮发电机上。 日本在线监测技术起步并发展于2 0 世纪7 0 年代，1 9 7 5 年起，由基础研究 进入开发研究阶段，并推广使用【1 3 1 。2 0 世纪7 0 年代以来，日本先后研制了油中 h 2 、三组分气体( h 2 ，c o ，c h 4 ) 和六组分气体( h 2 ，c o ，c h 4 ，c 2 h 4 ，c 2 h 6 ) 的油中气体监测装置 1 6 j7 】，日本东京电力公司于2 0 世纪8 0 年代研制了电压器局 部放电自动监测仪，用光纤传输信号，采用声、电联合监测抑止干扰，并可对放 电源进行故障点定位【1 3 1 。 2 0 世纪7 0 年代以来，前苏联的在线监测技术发展也很快，特别是高电压设 备绝缘监测和局部放电的在线监测【1 9 1 。 1 3 2 国内在线监测的发展状况 与国外在线监测技术的发展相比，我国在这方面的研究相对于落后。2 0 世 纪8 0 年代以来，我国的在线监测技术才开始迅速发展。各单位相继研制了不同 类型的监测装置，特别是各省电力部门，如安徽、吉林、河北、内蒙古、广东和 湖南等第，都研制了高电压设备的监测装置，主要监测电力设备的介质损耗、电 容值、三相不平衡电力。电力部电力科学研究院、武汉高压研究所和东北电力试 验研究院等单位，除研究高电压设备的监测外，还研制各种类型的局部放电监测 系统。 自1 9 8 5 年以来，由电力部主持，先后在安徽、湖北、广东三省召开了“全 国电力设备绝缘带电测试、诊断技术交流会”，不仅进行了学术交流，而且就如 何发展和推广在线监测技术作了讨论。 自2 0 0 3 年起，中国电力企业联合会科技服务中心开始每年召开一届全国电 气设备状态监测与故障诊断技术研讨会，每次会议将从策略、研究、应用、经验 等方面进行深入的交流和探讨，为我国电力企业的状态检修工作起到了积极的推 动作用。 1 3 3 在线监测的发展趋势 综合当前国内外在线监测发展的总体情况来看，目前多数监测系统的功能还 比较单一，一般只能对一种设备或多种设备的同类参数进行监测，一般仅限于超 标报警，而且基本上要由试验人员来完成分析诊断，今后在线监测的发展趋势应 是： 1 多功能多参数的综合监测和诊断，即同时监测能反映某电力设备绝缘状 态的多个特征参数； 2 对电站或变电站的整个电力设备实行集中监测和诊断，形成一套完整的 分布式在线监测系统： 3 不断提高监测系统的可靠性和灵敏度； 4 中南丈学硕士学位论文绪论 4 在不断积累监测数据和诊断经验的基础上，发展人工智能技术，建立人 工神经网络和专家系统，实现绝缘诊断的自动化。 美国的麻省理工学院已开发出对早期失效有较高灵敏度的、多功能变压器在 线监测系统，并正在配置相应的专家系统，以形成一套完整的变压器在线监测和 诊断系统。 日本正在开发配有高灵敏度传感器和专家系统的多功能在线监测系统，可集 中监测变压器、全封闭式组合电器和变电站的其他主要电力设备，这项技术计划 用于正在兴建的超高压变电站。 以上研究成果代表了在线监测技术的发展趋势。 1 4 测量介质损耗的方法的简介 监测电力设备的绝缘性能，其实质就是对电力设备的介质损耗的监测，介质 损耗角正切值t 9 8 ，也称介质损耗因数，简称介损，是反映绝缘介质损耗大小的 特征参量，而且介质损耗角正切值瑶艿仅取决于材料的特性，而与材料尺寸形状 无关，所以介质损耗角正切值t 9 8 作为反映设备整体绝缘状况的参数是非常有效 的，本节简单分析介质损耗的传统测量方法 2 0 - 2 2 1 与现代数字测量方法1 2 3 - 2 s i 的优缺 点。 1 4 1 传统的测量方法 1 瓦特表法 瓦特表法1 2 0 ! 是由介质损耗的功率和流过的电流计算求得介质损耗，但是该法 准确率比较低，目前己基本被淘汰。 2 电桥法 电桥法【2 l 】是测量孵艿最早的方法，也是当前我国测量介质损耗最广泛的方法 之一，其典氆代表为西林电桥法。电桥法的基本原理是交流电桥差值比较原理， 利用电桥平衡条件来测算出被试品的电容值c x 及t 9 8 值。其优点是准确度相对 较高，但当试验电源有较大的谐波干扰或外界强电场干扰时，电桥常常无法平衡， 而且读数误差较大，因而常在实验室等干扰较小的场所使用，并且对操作者要求 较高。为此为解决电桥法抗干扰弱的问题，国内设计人员曾提出不少解决方法， 如屏蔽法、电源倒相法、三倍频试验电源法、分级加压法、替代法、反干扰源法、 移相法、干扰电源法等，但是这些方法现场使用各有其缺陷，不尽适用。 3 谐振回路法 谐振回路法圈可以细分为变电阻法、变电导法、变电纳法、变频法和谐振升 高法。它一般能在4 0 k h z 和1 5 0 m h z 的频段范围内测量介质损耗。它的测量方 5 中南大学硕十学位论文 法简单，但不易满足高精度要求，并且测量频率不固定，测量方法不规范。因此 在高压实验条件下很难达到要求，所以在高电压设备绝缘性能监测中没有采用 过。 1 4 2 现代数字测量方法 1 过零时间差法 过零时间差法【2 5 - 2 6 1 是通过脉冲计数来测量正弦电流、电压过零点的时差，再 换算为电流超前电压的相位差，进而得到t g & 的一种方法。该方法将试验样品两 端的电压和流过试验样品的电流信号用过零转换法分别转变为方波，然后用单片 机脉冲计数计算出其二者的相位差。该方法采用了单片机来测量过零点时差及正 弦信号周期，可简化电路，准确度较高，而且可通过获取多组数据，去极值取平 均值的方法来减小分散性。还可以采用消除回路误差的方法来减小误差，以提高 测量辔占的准确性，是目前发展比较成熟的技术。 2 数字式自动平衡电桥 自动平衡电桥采用电桥平衡法的原理，与西林电桥相比，它采用了计算机控 制和处理的方法，因此具有稳定性高、复现性好、测量速度快的特点。现已经派 生出了多种变型，其中电流比较仪是一种先进的高精度、高稳定度、高灵敏度的 装置，它的铁芯是用高导磁率的特殊材料制成的，这种技术到目前为止仍算得上 是一项较新的技术。采用这一装置制成的电桥能够进行高精度测量，如果配以微 处理机便可进行自动平衡调整【2 7 l 。其缺点是硬件电路复杂、工艺要求高、价格昂 贵，特别是采用微机控制的自动平衡电桥，其线路更加复杂，所有这些因素导致 整个系统的可靠性下降。 4 数字谐波分析法 数字谐波分析法【2 8 l 是通过传感器等装置分别测量运行电压和流经试验样品 的电流，再将获得的模拟信号转化为数字信号，然后采用数字频谱分析的方法求 出电压电流两个信号的基波，进而通过相位比较得n t 9 8 。该法具有较好的抗干 扰性和稳定性，目前已经成为了一种较为理想的介质损耗监测手段。 1 5 数据采集理论及其实现 数据采集就是将被测对象的各种参量通过各种传感器元件做适当转换后，再 经信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤，最后送到控制器进行数据处理或 存储记录的过程，是以传感器技术、信号监测与处理、电子学、计算机技术等技 术为基础的一门综合型应用技术学科，涉及的理论比较多，本文根据需要将分析 采样理论以及量化理论。 6 中南大学硕士学位论文绪论 用于数据采集的成套设备称为数据采集系统，其硬件基本组成如图所示。 l 竺竺竺h 望兰苎奎兰h 兰兰兰r 多 计 路 算 ； 模 岖丑日 机 拟 接 t - 开 口 l 传感器h 前置放大器h 滤波器 关 图1 - 1 数据采集系统硬件基本组成 其中，传感器的作用是把非电的物理量转变成模拟量，放大器用于放大和缓 冲输入信号，由于传感器输出的信号较小，需要加以放大，以满足a d 转换器 的量程输入，多路模拟开关可以分时选通来自多个输入通道的某一信号，模拟开 关之后是模拟通道的转换部分，包括采样保持和a d 转换电路，它的作用是将 模拟量转变成数字量，其中a d 转换器是模拟输入通道的关键电路，a d 转换 的结果最后送给计算机。 1 6 论文的研究内容与结构 本文是对电力设备中高电压设备监测系统的研究，高电压设备中的电流互感 器，电压互感器，耦合电容器，套管，避雷器等，在电路内都呈现出容性特性， 所以把它们通称为容性设备。在对传统的t 9 8 的测量方法- 电桥法的理论与技术进 行的研究同时，也对现代测量方法中的谐波分析法进行了探讨，对谐波分析法中 容易出现的“频谱泄漏效应”和“栅栏效应”的两种现象进行了理论分析，提出 了消除两种不良效应的理论根据，并提出了基于加窗的谐波分析法，最后结合当 前应用广泛的通用串行总线技术，设计了基于通用串行总线的高电压设备绝缘性 能的监测系统。 本论文各章的内容如下： 第一章阐述了高电压设备绝缘性能监测的研究意义，对电力设备监测模式的 发展以及国内外电力设备在线监测技术发展的现状与趋势作了简要的评论和总 结。 第二章是对传统电桥法的分析与研究。首先是对介质损耗测量理论的概述， 并根据电工基础，建立了介质损耗测量的两种等效电路模型，然后根据传统电桥 法一般原理，推导西林电桥法的实际测量介质损耗的计算公式，并由推导公式讨 论了西林电桥平衡调节方法以及平衡轨迹，为电桥法的平衡调节自动化提供了理 7 中南大学硕士学位论文 绪论 论基础，最后根据电力设备运行的现场环境，指出了传统电桥介质损耗测量方法 的局限性。 第三章是对现代介质损耗测量法的分析与研究，首先讨论了谐波分析法测量 介质损耗的基本理论，然后针对电网频率不稳定引起的“频谱泄漏效应”和“栅 栏效应”影响谐波分析法测量精度的问题，从理论上分析了“频谱泄漏效应”与 “栅栏效应”的形成原因，在理论提出了解决“频谱泄漏效应”与“栅栏效应” 的根据。最后根据实际情况，在不增加硬件成本的情况下，在软件设计方面提出 了基于加窗的谐波分析法，通过m a t l a b 算法仿真证明：在测量介质损耗抗频 率干扰方面，基于加窗的谐波分析法的测量精度比传统的谐波分析法的测量精度 有两个数量级的提高。 第四章是对数据采集理论的研究，主要工作是对采样与量化过程中出现的误 差进行了分析与研究，推导出量化采样的误差公式，公式表明了系统的信噪比与 采样位数以及量化负载因子的关系，在此基础上提出了工程上实用的减小误差的 方法，为后续章节a d 转换器的选择提供了理论依据。 第五章是对基于通用串行总线的高电压监测系统的硬件的设计与实现，描述 了系统设计原理与总体框架图详细，详细论述了监测系统中的信号采集模块，信 号预处理模块，数据采集模块、数据传输模块以及数据采集单元硬件电路的工作 原理与实施方案，最后阐述了硬件设计过程中的抗干扰措施。 第六章是对监测系统的软件设计，包括主程序模块设计，数据采集模块设计 与数据通信模块设计三部分，在软件设计的过程中，严格按照软件工程的规范进 行设计，实现了软件设计的层次化和模块化，软件可读性好，方便维护，扩展性 优良。 第七章是工作结论和展望，总结了本文的研究成果，并对一些本文研究中尚 未解决的问题进行说明，希望能够在今后的进一步研究中解决。 8 中南大学硕士学付论文 传统电桥法介质损耗测量理论 第二章传统电桥法介质损耗测量理论 本章首先阐述了介质损耗的基本原理，建立了介质损耗测量的两种等效电路 模型，然后结合传统交流电桥测量介质损耗的一般原理，对实际使用的西林电桥 法进行研究，推导出其测量介质损耗的计算公式，并对电桥法的电桥平衡调节进 行了讨论，传统的交流电桥测量方法虽然在理论上成功的解决了辔艿测量问题， 但在现场强干扰环境下的测量效果较差，最后结合电力设备运行现场的干扰环 境，说明了传统电桥法介质损耗测量的局限性。 2 1 介质损耗基本原理 2 1 1 介质损耗 研究绝缘材料在电场作用下发生的物理现象，常把绝缘材料称为电介质。在 电场作用下，电介质会发生极化现象，将一部分电能不可逆转地变成热能而被损 耗掉，这种损耗称为介质损柑2 9 州。如果电介质损耗很大，由电能转变的热能， 会使电介质温度升高，逐渐发热老化( 发脆、分解等) ，如果温度不断上升，甚 至可能将电介质熔化、烧焦，丧失绝缘性能导致热击穿。因此，电介质损耗的大 小是衡量绝缘性能的一项重要指标。 按照物理性质，电介质损耗可分为以下三种形式： 1 电导损耗 电导损耗是由电介质的电导引起的能量损耗。泄漏电流在电介质中流过将引 起发热，在直流、交流电压下都会产生，电导损耗相对于后面二种损耗而言是很 小的。若介质中损耗主要由电导引起，则单位体积内消耗的功率为： p = r e 2 ( 2 - 1 ) 式中，为电介质的体积电导率，e 为外界施加的场强。 2 极化损耗 极化损耗是由电介质极化引起的损耗，分为偶极损耗和夹层式极化损耗。在 液体固体介质中，由于偶极子转向引起的损耗叫做偶极损耗，其电场频率，介质 温度的影响较大。夹层极化损耗也称为不均匀介质损耗，是指在分层面上积聚空 间电荷过程中的极化现象引起的能量损耗。偶极式极化、复合电介质的夹层式极 化等有损极化过程，在直流电压下沿电场方向作一次有限位移，消耗能量很小。 在交流电压下，由于周期性极化过程、带电质点按交变电场进行往复的有限位移 和重新排列，需要反复克服分子日j 的内摩擦造成较大的能量损耗，因此偶极式极 9 中南大学硕+ 学傍论文 传统电桥法介质损耗测量理论 化损耗只有在交流电压下才一呈现，并随着电源频率的增加而增加。夹层式极化 所引起的电荷重新分配过程，在交流电压下反复进行，也要消耗能量。 3 游离损耗 游离损耗是指由游离、电晕等局部放电引起的损耗。在常用的固体绝缘中， 往往不可避免地会存在气泡、间隙等薄弱部位，在电压作用下，其中的电场强度 超过临界场强，出现局部放电，引起能量损耗。 2 1 2 介质损耗的等效电路模型 介质损耗是一种能量的损耗，根据电工基础的观点，能量损耗可以用电阻表 示，因此介质损耗可以用电容和电阻的串联或并联的等效电路来进行计算，等效 电路如图2 - 1 所示。 p u c h t m 叫 u、 v ， ( a y 个损串联等效电路( b ) 介损并联等效电路 图2 1 交流电桥基本结构 对于串联等效电路模型，如图2 - l ( a ) 所示，电压u 包括有功分量u ，和无功分 量以，介质损耗为： p = u c o s # i = u , l = 玑垤j = 1 2 t g s w c s ( 2 2 ) 对于并联等效电路模型，如图2 - i ( b ) 所示，电流，包括有功分量和无功分 量l ，介质损耗为： p = u l c o s # = u i , = u l c t g # = u 2 w c v t 9 8 ( 2 - 3 ) 用介质损耗p 来表示介质品质的好坏是非常不方便的，因为p 值和试验电 压、试验样品的尺寸等因素有关，不同试验样品之间难以相互比较，所以改用介 质损耗角的正切t g & 来表示介质的品质，它仅与材料特性有关，而与材料尺寸、 体积无关，所以介质损耗角来判断电力设备的绝缘情况，特别是对绝缘受潮、老 化变质等分布性缺陷是成效的。 对于图2 - l ( a ) 所示的串联等效电路，可以得出： 1 0 中南大学硕士学位论文传统电桥法介质损耗测营理论 =去=7两12rstg# =m(7sb(2-4) 2 巧石2 7 两2 b 同理，对于图2 - l ( b ) 所示的并联等效电路，可以得出： 舻= u ：码p = 而u 2 r , 了= l 蚌砟 ( 2 5 ) 2 2 交流电桥法的基本原理 交流电桥法是用电桥差值比较两个交流电压或两个交流电流的线路，由正弦 波电源、指示器、比例器及被比较的标准阻抗和被测量的阻抗组成。其中，指示 器为选频交流指零仪，调节比例器或内附标准器使指示器示值为零，则被比较的 标准阻抗与被测阻抗之间存在一个可以计算的关系，而与电源的幅值无关。经典 交流电桥的基本线路如图2 - 2 所示， 图2 - 2 交流电桥基本结构 其中z 6 为激励电源的内阻，z 5 为指零仪的内阻，a 、b 、c 、d 为节点，z i 、 z 2 、z 3 、乙为桥臂阻抗。当电桥平衡时，矾= 0 ，指零仪指示零值，电桥平衡方 程为： z l z 3 = z 2 z 4 ( 2 - 6 ) 如果z l 和z 3 之一为标准阻抗z n ，z 2 和z 4 之一为被测阻抗z x ，k 为剩下的 两电桥臂的阻抗之比，称为电桥比例器的复比例。 令： 乙= i z i e 胁= + 弘， ( 2 7 a ) z x - - i z , l e j x = n x + j b x q 中南大学硕士学位论文 传统电桥法介质损耗测晕理论 k = i k i e j 如= n k + j b kp 7 e ) z x = k z ( 2 - 7 d ) 可进一步分解为： i z x i = i k i i z ”l l( 2 - 8 ) 8 x = 8 + 8 n 、。 式( 2 8 ) 称之为幅值平衡条件和相位平衡条件，为了能够同时满足两个条件， 交流电桥必须有两个独立可调的参数，只有同时满足幅值平衡条件和相位平衡条 件，指零仪才能精确指零。 可见，交流电桥的基本测量原理是：利用比例器使已知的标准值扩大或缩小 足倍后，再与测量值进行比较，通过指零仪判断后获得高的测量精度。 目前，主要有两种类型的交流电桥：感应式比例交流电桥和有源比例器交流 电桥，这是由于丘值的构成方法不同导致的，因为k 值并不一定由阻抗比产生， 也可以由磁耦合感应方式产生，也可以由有源放大器电路产生。 2 3 西林电桥法的基本原理 2 3 1 电路原理 西林电桥法是一种常用的交流电桥法，具有四种典型结构p ”，其中正接法电 路和反接法电路是最重要的两种结构，其原理图如图2 3 所示，本节以这两种结 构进行分析和讨论。 ( a ) 正接法 ( b ) 反接法 图2 - 3西林电桥测最原理图 图2 3 中的调压器为一般的自耦变压器，图中的升压器与调压器配合可将电 压提升到标称值1 0 k v ，并隔离2 2 0 v 电网电压，图中z g 为检流指示器，其阻抗 为z g ，在理想情况下。检流指示器指示零值，表示检流指示器的两端电压为零 时，此时表明电桥达到平衡。 1 2 中南大学硕士学付论文 传统电桥法介质损耗测量理论 当电桥平衡时有： 用串联等效电路 令 k = r 1 而 z ”= 志 z = k z n = r 。3 c ，4 + 面e 丽3 ( 2 - 8 ) z x 娟s + 南 则t98=wrsg 令方程两边的实部和虚部相等，得： 耻等 g = 警 t 9 8 = w r s c s = w r 4 c 4 用并联等效电路 z x 2 瓦巧1 石 ( 2 - 9 ) 佗- 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 则t g s = 丽1 ( 2 - 1 3 ) 将上两式代入式( 2 8 ) 中，令方程两边的实部和虚部相等，得： 耻百1 c 4 r 3 等2 券22 = 百1 g r 3 万l + t 9 2 8 1 11l c ，= r 4 c n l = - 再毫虿2 蜀。毒百匆( 2 - 1 4 ) t g s = 面i t i , - 2 0 7 r 4 c 4 由式子( 2 1 1 ) 署1 1 ( 2 - 1 4 ) 分析可知，r p 比r s 大( 1 + t 9 2 0 0 t 9 2 j 倍，当t 9 8 “1 时， c p = c s ，无论是串联或并联等效电路，其留艿的测量结果不变，当电源频率为5 0 h z 时，取r 4 = 1 0 0 0 0 w = 3 1 8 3 1 q ，则由式( 2 1 4 ) 得t 9 8 = 1 0 6 c i ，因此由c a 指示的 电容值( 心) 即可直读垃万值。 中南大学硕士学位论文 传统电桥法介质损耗测量理论 2 3 2 平衡调节方法 设测试验样品用串联等效电路表示，根据( 2 - 8 ) ，并设c 4 和r 3 为变量，根据 幅值平衡条件和相位平衡条件，得到幅值平衡方程为： b 2 丽i 母网j 1 + 孺i 相位平衡方程为： 舻= 积s g = 积4 c 4 g = 二二竽 ( 2 - 1 6 ) s 由式( 2 1 5 ) 与式( 2 1 6 ) 可知，在调节电桥平衡的过程中，应当优先调节r 3 ， 因为r 3 的调节只影响幅值平衡，当调节r 3 使电桥平衡到一定程度时，再调节 c 4 ，这是因为调节c 4 将同时影响幅值平衡和相位平衡，其灵敏度高。最后，在 电桥平衡点附件需要反复调节r 3 和c 4 ，电桥达到理想平衡状态。 2 3 3 负值现象 在调节电桥平衡的过程中，可能会出现以下现象：即使将c 4 调至零，此时 指零仪幅值虽然已经很小，但是电桥仍然不能平衡，这种现象称为。负值现象”， 在测量过程中，这是一种假象，造成该现象的原因有三种： 1 标准电容器的损耗大于试验样品c x 的损耗，即t g s x t g 西，这样标准 电容器己不能仅用理想电容c n 描述，其并联等效电路中的电阻r n ，此时不能忽 略，这种结构的变化使得从电桥平衡方程的计算中得出c 4 c o ，喀占， 0 ，这显 然与实际不符合。 2 空间干扰。被测试设备周围的设备、杂物或试验样品内部绝缘物容易在 试验样品两极和地之间构成寄生分布参数网络，当进行测量时，试验样品高电压 的一端就成为一个自发的干扰源，通过这些空间网络向低压端点注入干扰电流， 随着干扰电流的幅值和相位不同，可使t 9 8 测量值减少，甚至使电桥调节不能平 衡而出现负值现象。 3 外电场干扰。由于外界带电部分和被试