绝缘子污秽监测系统设计

- 1 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 绝缘子污秽监测系统设计绝缘子污秽监测系统设计 李安迎* 作者简介：李安迎，(1985-)，男，汉族，中国矿业大学信息与电气工程学院，硕士研究生，专业为检测技 术与自动化. E-mail: songyuanb4081 （中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏 徐州 221008） 摘要摘要： 针对高压输电线路日益严重且形式多样的突发事故， 设计并实现了高压绝缘子在线监5 测系统。系统以泄露电流与电流脉冲数作为特征量，表征绝缘子的运行状态。实践证明，该 种检测方法具有较高的使用价值，它操作简便，测量时不需要登杆登塔，而且具有测量准确 性高、成本低等优点。 关键词关键词：电子技术；绝缘子；污秽；泄露电流；电流脉冲数 中图分类号中图分类号：TD65/TP212.1 10 The Development of Insulator Contamination Monitoring System LI Anying (School of Information Insulator; Contamination; Leakage current; Current pulse number 0 引言引言 25 电力系统高压运行经验表明， 污闪是高压线路外绝缘的主要问题， 它严重威胁着输电线 路的安全运行。而且，随着输电电压等级的提高，线路外绝缘的染污放电问题越来越突出， 不但表现为次数的增加， 而且表现为面积的扩大及严重性的增加， 污闪事故给国民经济造成 了很大的损失1。 为了防止污闪事故的发生， 需要对染污绝缘子做出及时准确的判断， 以便在危险来临之30 前，采取必要的措施。国内外通过对污闪机理长期深入的研究，得出泄漏电流与脉冲电流检 测方法具有较高的使用价值2。本文以泄漏电流与脉冲电流作为特征量，监测绝缘子运行状 况。 1 系统工作原理及结构系统工作原理及结构 监测系统主要由单片机电路、外部 RAM、Flash 存储卡电路等组成，如图 1 所示。单片35 机电路用来完成数据的采集、 处理、 存储和通信等； 外部 RAM 用于临时数据的存储和处理； Flash 存储卡用来保存历史工况数据。 40 - 2 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 图 1 绝缘子污秽监测系统结构框图 Figure 1 Function Diagram of Insulator Contamination Monitoring System 45 信号处理电路包括工频信号处理电路和高频信号处理电路。 工频信号处理电路主要完成 将放电电流中的 50Hz 工频信号分离出来，并进行整流和运算放大，供 A/D 读取；高频信号 处理电路包括高通滤波器和 3 路幅值比较器， 主要完成放电电流中的放电脉冲的分离、 对幅 值 2mA、10mA、20mA 以上的电流脉冲进行脉冲变换和整形，便于计数器进行脉冲计数。 工频电流、脉冲个数作为特征量，判断绝缘子表面污秽放电状况。 50 RS-485 接口电路用来实现 RS-485 电平逻辑和单片机 TTL 电平逻辑的转换，为将来设 备扩展所用；电源用来对电路中的数字电路和模拟电路提供电源。 2 系统硬件设计系统硬件设计 2.1 信号取样电路信号取样电路 放电电流取样电路如图 2 所示。 55 图 2 放电电流取样电路图 Figure 2 Circuit Diagram of Discharge Current Sampling 从绝缘子电极引出的放电电流（Current）经接线端子接入电路板。经过电阻取样后送到60 后续电路。保险管 F2 防止放电电流过大烧坏后续电路元件，压敏电阻 MOV1 和双向瞬变电 压可抑制二极管 VD5 防止冲击电压过高击毁后续电路元件。 R10 作为 VD5 击穿时的限流电 阻。R11 和 R12 串联作为低频放电电流的取样电阻。R12 作为高频放电电流的取样电阻。 C26A 和 C26B 是超小型金属化聚脂膜塑料电容器。C26A、C26B 和 C26C 作为旁路电容， - 3 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 使得高频电流通过，低频电流截止。 65 2.2 工频信号处理电路工频信号处理电路 工频信号处理电路主要用来分离 50Hz 工频电流信号，并进行整流、运算放大处理，便 于信号的测量。它包括：带通滤波电路、有源整流电路和运算放大电路3，电路如图 3 所示。 图 3 工频信号处理电路图 70 Figure 3 Circuit Diagram of Low-frequency Signal Processing D15A 组成二阶压控电压源带通滤波电路， 中心角频率为 50Hz， 通带宽度为 50 Hz。 D16 组成有源整流放大电路，实现整流作用。电路中选用通用双运算放大器 MC1458，具有短路 保护和内部频率补偿功能，是比较理想的低频运算放大器。 75 2.3 高频处理电路高频处理电路 高频信号处理电路包括高通滤波器电路4和 3 路幅值比较器电路， 用来分离放电电流中 的放电脉冲，以及对放电脉冲进行脉冲变换和整形。高通滤波器电路如图 4 所示。 图 4 高通滤波器电路图 80 Figure 4 Circuit Diagram of High-pass Filter 放电电流脉冲的主要频率分布25 Hzk450Hzk。 同时， 电晕电流脉冲频谱主要集中在 - 4 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 10MHz 以内5。因此，电路设计允许频率在25Hzk的电流信号通过。D14A 组成二阶压控 电压源高通滤波器，3dB 截止角频率为25kHz。电路中选用电流反馈低功耗运算放大器85 AD812，单位增益带宽 145MHz，转换速率 1.6kV/s，适合高速高带宽信号应用。 电路中共设计 3 个双限幅电压比较器6， 用来对高通滤波后的放电脉冲信号进行脉冲变 换和整形。根据放电电流分析结果，将双限幅比较基准分别调整为0.02V+和0.02V、 0.1V+和0.1V、0.2V+和0.2V对应放电电流分别为 2mA、10mA、20mA。其中比较 基准为0.1V+和0.1V的电压比较器电路如图 5 所示， 其余 2 个电压比较器结构与它相同，90 只是参数不同。 图 5 电压比较器电路图 Figure 5 Circuit Diagram of Voltage Comparator 95 绝对值大于 0.02V、0.1V和 0.2V的电压信号将被整形成脉冲输出，输出接二极管和 VCC，将负脉冲变成正脉冲并与 TTL 电平匹配，最后送计数器计数。 2.4 脉冲计数电路脉冲计数电路 脉冲计数电路对幅值比较电路输出的脉冲进行计数， 电路如图 6 所示。 电路选用可编程 计数/定时器 Intel82547。 100 图 6 脉冲计数电路图 Figure 6 Circuit Diagram of Pulse Counter - 5 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 3 系统软件设计系统软件设计 软件设计采用模块化程序编程，各子程序模块分别完成初始化、记录数据、数据采集、105 预测报警、 数据存储等功能。 主程序通过判断各模块相应的标志位是否置位来调用各个子程 序，主程序流程图如图 7 所示。 初始化程序负责完成系统寄存器、状态字的初始化设置、硬件寄存器的初始化设置、标 志位的初始化设置等等。包括： I/0 初始化、PSW 初始化、SP 初始化； C/T 初始化、串行 口初始化、A/D 转换器初始化、D/A 转换器初始化、Intel8254 计数器初始化、中断优先级初110 始化等等。 为了防止数据丢失，程序每间隔 1s 记录一次数据到外部 RAM 储存区中，当 2K 字节储 存满，置位数据保存标志位 MKSDAT，保存数据到 Flash 卡中。A/D 采集子程序是在 A/D 转换中断 256 次以后，即 MKAD256=1 时，执行的程序。A/D 数据处理子程序主要实现对 采集的工频电流值进行数字滤波处理，并保存采样值。预测报警子程序根据工频电流值、115 10mA 以上脉冲个数、2mA 以上脉冲个数测量值做出不同等级报警。 图 7 主程序流程图 Figure 7 Flow Chart of Main Program 120 4 结语结语 通过实时、有效地在线监测，充分了解绝缘子的运行状况，在泄露电流或电流脉冲数接 近阀值时发送报警信息， 及时指导输电线路绝缘子的清扫工作， 防止绝缘子污秽闪络事故的 发生。实践证明，该种检测方法具有测量准确性高、成本低等优点，它操作简便，测量时不125 需要登杆登塔。 - 6 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 参考文献参考文献 (References) 1 关志成.绝缘子及输变电设备外绝缘M.北京:清华大学出版社，2006 130 2 陈耀高，邓敏，林力辉，高压绝缘子在线检测系统简析J，电网技术，2001，25(1l):83-85. 3 刘