毕业论文-高压绝缘子泄漏电流在线监测系统设计

1、PAGE II- -哈尔滨理工大学毕业设计（论文）任务书学生姓名： 学号：学 院：电气与电子工程学院 专业：电气工程及其自动化任务起止时间：2012 年 2月 27 日至 2012年 6 月 24 日毕业设计（论文）题目：高压绝缘子泄漏电流在线监测系统设计毕业设计工作内容：查阅国内外相关参考文献，要求阅读15篇以上文献，其中必须有20篇以上为外文文献，要将其中1篇外文文献译成中文，不少于3000汉字。综述该领域国内外发展现状； 分析高压绝缘子故障类型与故障机理，掌握泄漏电流在线监测原理；完成悬式绝缘子运行状况远程在线监测设计，包括电流传感器、电源方案，并针对电源方案设计实验论证；进行总结，撰写

2、毕业论文，进行毕业答辩资料：1.陶元忠，包建强.输电线路绝缘子运行技术手册M，北京：中国电力出版社，2002，12. 陈荣贵，王孝敬等.输电线路在线监测与故障诊断，北京：中国电力出版社，2008，61 3. 顾乐观，孙才新.电力系统的污秽绝缘.重庆大学出版社，1990：1238，156176指导教师意见：签名：年 月 日系主任意见：签名：年 月 日教务处制表哈尔滨理工大学学士学位论文- PAGE IV -高压绝缘子泄漏电流在线监测系统设计摘要针对绝缘子前台监测系统安装在野外高压杆塔上,存在信号采集困难、取电不便、可靠性差等问题,设计一套绝缘子泄漏电流在线监测系统。该系统以 TI 公司生产的超低

3、功耗 16 位单片机 MSP430F149 为处理器；采用金属引流环来收集绝缘子表面的泄漏电流信号,选用穿芯式电流传感器将泄漏电流引入系统的数据采集处理单元进行信号放大和 A/D 转换等处理；通过测量安全区和预报区泄漏电流幅值，记录危险区漏电流脉冲个数来反映绝缘子的污秽状态；利用工业 GPRS 无线通讯模块以短消息为载体与控制中心或管理人员手机进行通信；电源模块采用了超级电容器与光伏系统混合储能模式，可保证系统长时间稳定运行.。关键词 高压绝缘子；在线监测；泄漏电流；超级电容器Design on Leakage Current Online Monitoring System of High-

4、voltage InsulatorAbstractA set of insulator leakage current online monitoring system is designed for resolving the problem of the signal collection, electric and unreliable because of the insulator monitor system is installed in high-voltage tower. The TI ultra-low power 16-bit single-chip MSP430F14

5、9 is used for the processor of the system; metal ring and wear-core current sensor are used to collect leakage current signal of the insulator surface and lead it to the data processing unit of the system for filter, amplification and conversion. Insulators filth state is reflected by measuring the

6、leakage current amplitude and pulse of the security and forecast zone. The control center or management personnel communicate with the monitor system by the industrial GPRS module. The super-capacitor energy storage system is used to ensure that the system shall run in a long time.Keywords :High-vol

7、tage Insulator; Online monitoring; leakage current; super-capacitor目录摘要 = 1 * ROMAN IAbstract = 2 * ROMAN II TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc328515362 第1章 绪论 PAGEREF _Toc328515362 h 1 HYPERLINK l _Toc328515363 1.1 课题的背景及意义 PAGEREF _Toc328515363 h 1 HYPERLINK l _Toc328515364 1.2 课题国内外研究现状与趋势 PAGEREF

8、_Toc328515364 h 2 HYPERLINK l _Toc328515365 1.2.1 非电量测量法 PAGEREF _Toc328515365 h 2 HYPERLINK l _Toc328515366 1.2.2 电量检测法 PAGEREF _Toc328515366 h 3 HYPERLINK l _Toc328515367 1.3 本课题主要研究工作 PAGEREF _Toc328515367 h 4 HYPERLINK l _Toc328515368 第2章 泄漏电流故障原理及特征量选择 PAGEREF _Toc328515368 h 5 HYPERLINK l _Toc

9、328515369 2.1 绝缘子故障类型 PAGEREF _Toc328515369 h 5 HYPERLINK l _Toc328515370 2.2绝缘子污闪机理 PAGEREF _Toc328515370 h 5 HYPERLINK l _Toc328515371 2.2.1 绝缘子污闪过程 PAGEREF _Toc328515371 h 5 HYPERLINK l _Toc328515372 2.2.2 绝缘子污闪条件分析 PAGEREF _Toc328515372 h 6 HYPERLINK l _Toc328515373 2.3 泄漏电流特征量选择 PAGEREF _Toc328

10、515373 h 9 HYPERLINK l _Toc328515374 2.3.1 等值附盐密度 PAGEREF _Toc328515374 h 10 HYPERLINK l _Toc328515375 2.3.2 泄漏电流 PAGEREF _Toc328515375 h 10 HYPERLINK l _Toc328515376 2.3.3 湿度 PAGEREF _Toc328515376 h 11 HYPERLINK l _Toc328515377 2.3.4 温度 PAGEREF _Toc328515377 h 11 HYPERLINK l _Toc328515378 第3章 监测系统主

11、要硬件部分设计 PAGEREF _Toc328515378 h 12 HYPERLINK l _Toc328515379 3.1 监测系统设计原理及总体框架 PAGEREF _Toc328515379 h 12 HYPERLINK l _Toc328515380 3.2 单片机控制模块 PAGEREF _Toc328515380 h 13 HYPERLINK l _Toc328515381 3.2.1 MSP430系列单片机简介 PAGEREF _Toc328515381 h 13 HYPERLINK l _Toc328515382 3.2.2 DS1302时钟芯片 PAGEREF _Toc3

12、28515382 h 14 HYPERLINK l _Toc328515383 3.3 信号采集系统设计 PAGEREF _Toc328515383 h 14 HYPERLINK l _Toc328515384 3.3.1 泄漏电流采集 PAGEREF _Toc328515384 h 15 HYPERLINK l _Toc328515385 3.3.2 温湿度传感器 PAGEREF _Toc328515385 h 19 HYPERLINK l _Toc328515386 3.4 GPRS无线通讯系统设计 PAGEREF _Toc328515386 h 20 HYPERLINK l _Toc32

13、8515387 3.4.1 GPRS简介 PAGEREF _Toc328515387 h 20 HYPERLINK l _Toc328515388 3.4.2 GPRS优点 PAGEREF _Toc328515388 h 21 HYPERLINK l _Toc328515389 3.4.3 系统通讯模块设计 PAGEREF _Toc328515389 h 21 HYPERLINK l _Toc328515390 第4章 超级电容器直流电源设计 PAGEREF _Toc328515390 h 24 HYPERLINK l _Toc328515391 4.1超级电容器简介及储能原理 PAGEREF

14、 _Toc328515391 h 24 HYPERLINK l _Toc328515392 4.2 超级电容器的优点 PAGEREF _Toc328515392 h 25 HYPERLINK l _Toc328515393 4.3 光伏充放电系统与超级电容器混合储能方案设计 PAGEREF _Toc328515393 h 27 HYPERLINK l _Toc328515394 4.3.1 光伏电池及特性 PAGEREF _Toc328515394 h 27 HYPERLINK l _Toc328515395 4.3.2 光电跟踪装置设计 PAGEREF _Toc328515395 h 27

15、HYPERLINK l _Toc328515396 4.3.3 混合储能方案总体结构设计 PAGEREF _Toc328515396 h 27 HYPERLINK l _Toc328515397 4.3.4 系统能量控制模型 PAGEREF _Toc328515397 h 28 HYPERLINK l _Toc328515398 4.4 超级电容器充放电控制 PAGEREF _Toc328515398 h 30 HYPERLINK l _Toc328515399 4.4.1 充电控制器主电路及参数设计 PAGEREF _Toc328515399 h 30 HYPERLINK l _Toc328

16、515400 4.4.2 放电控制器主电路及参数设计 PAGEREF _Toc328515400 h 32 HYPERLINK l _Toc328515401 4.5 仿真分析 PAGEREF _Toc328515401 h 34 HYPERLINK l _Toc328515402 结论 PAGEREF _Toc328515402 h 36 HYPERLINK l _Toc328515403 致谢 PAGEREF _Toc328515403 h 37 HYPERLINK l _Toc328515404 参考文献 PAGEREF _Toc328515404 h 38 HYPERLINK l _T

17、oc328515405 附录A PAGEREF _Toc328515405 h 39TOC o 1-3 h u - PAGE 47 -绪论课题的背景及意义在电力系统中，绝缘子是将电位不同的导电体在机械上相互连接的部件，其性能的优劣对整个输电系统的安全运行起着至关重要的作用。尤其是在户外运行的高压线路绝缘子，由于其暴露在大气中，并长期工作在骤冷周热、风吹雨打、潮湿、污秽物（酸、臭氧、灰尘等）等恶劣环境中，所以容易出现绝缘子内部裂纹、表面破损、绝缘强度降低和污闪等故障，是整个高压电网绝缘的薄弱环节，对电力系统稳定运行影响很大。污闪是指由于绝缘子表面污秽层打到饱和湿润时，绝缘子表面泄露电流增长过大，

18、最后导致绝缘子表面的闪络的一种现象。污闪事故涉及面广，闪络位置难以监测定位，严重影响电力系统运行稳定性、可靠性、安全性和经济性，易造成大规模停电，给国民经济带来巨大损失。近年来我国工农业生产的发展，电力作为国民经济前进的先驱力量，更是发展迅猛。系统装机容量和输电线路电压等级都在不断提高。随着电力系统规模的扩大、系统装机容量的提升、线路电压等级的提高，导致对电力系统运行的可靠性和经济性的要求越来越高。然而传统的计划清扫绝缘子的方式，不仅消耗大量的人力和物力，而且绝大多数是停电清扫，造成地区性的停电，长期实践证明，这种计划性的检修清扫并不能完全杜绝污闪事故的发生。所以如何快速监测污闪源并消除污闪事

19、故对安全供电的威胁和影响，提高电力系统运行的安全性和可靠性，已经成为电力系统运行、管理和科研人员十分关注的重要课题。鉴于线路绝缘子污闪事故的危害性，国内外已经出现了多种线路绝缘子的监测方法。近年来，我们国家在绝缘子在线监测方面也取得了不小的进步，但不少方法存在工作量大，测量不准确等缺点，对减少污闪事故的效果并不理想。其重要原因之一就是缺少绝缘子表面污秽程度全面真实的反馈信息。1大量研究表明，在湿润条件下绝缘子的泄漏电流是表征污秽程度较好的特征量，在线实时监测高压输电线路绝缘子的泄漏电流，可以使电力系统管理人员实时准确的把握电网运行的绝缘情况，以便及时采取措施避免运行中污闪事故的发生，提高电力系

20、统运行的安全性和可靠性。本文所提出的在线监测方法是一种经济、切实有效的一种监测方法，基于远程GPRS无线通信，借助TI（TEXAS INSTRUMENTS）公司最新推出的高效率低功耗的MSP430系列嵌入式微控制器，对绝缘子泄漏电流进行全天候监测定位，使电力系统运行管理单位和科研人员能够及时把握电网运行的绝缘情况，以便及时采取措施避免污闪故障的发生，对提高整个电力系统运行的安全性和可靠性具有以下重要的意义： = 1 * GB3 准确划分污闪区，为输变电设备外绝缘设计和绝缘子选型提供定量依据； = 2 * GB3 为确定清扫周期，进行预知性维护给出判定依据，促进电力系统有计划检修向状态维修转变。

21、课题国内外研究现状与趋势近年来，随着传感，通信以及计算机技术的迅猛发展，国内外在绝缘子远程在线监测与诊断方面的研究与应用有很多，并在一定程度上取得了较好的成果。针对绝缘子运行状况，从电的角度，大致可分为非电量检测法和电量检测法两大类。非电量检测法主要包括观察法、超声波检测法、红外热像仪法、无线电波法及激光多普勒测速法等；电量检测法包括电场测量法、泄漏电流法和脉冲电流法等2。非电量测量法1.观察法等传统检测方法观察法就是用高倍望远镜就近直接观察绝缘子，这是最原始的方法。用这种方法可发现较明显的绝缘子表面缺陷，包括绝缘子伞裙受侵蚀变粗糙，外覆层侵蚀的沟槽痕迹，绝缘伞裙闪络、伞裙货外覆层开裂、破碎及

22、芯棒外露等。观察法操作简便，但费时费力，检测效果可不可靠，难以发现绝缘子内部缺陷。而且需要大量人工操作，登塔检测，工作量大，效率低，在高空作业有一定的危险性。2.超声波检测法 超声波检测法通过测量不良绝缘子发出的超声波，根据超声波强弱程度来判断不良绝缘子。当机械波在弹性介质中传播时，遇界面产生反射、折射和模式变换。仅此绝缘材料中的缺陷、微观组织结构、铸造缺陷（微小裂纹，夹杂）等信息可以通过超声波信号反映出来。超声波脉冲由超声波发生器进入绝缘子介质，当绝缘子有裂缝时，就会在超声波传播的相应时间产生反射波没通过反射波的大小以及反射波的时间和位置即可判断绝缘子缺陷情况。该方法优点是抗干扰能力强，灵敏

23、度高，信噪比高，速度快成本低等优点；缺点是对未开裂的绝缘子不起作用，而且针对超声波的衰减、耦合问题，目前尚不能够实现远程监测操作，目前只能应用于企业生产中的检测和实验室设备鉴定。3.红外热像仪法红外热像仪发是根据绝缘子串分布电压在各片绝缘子上反映的热分布，进行成像处理来监测绝缘子绝缘状况。主要是针对绝缘子温度分布进行成像处理。由于正常绝缘子的表面电流较大，温升较高，而劣质绝缘子表面温度较低，用红外热像仪易于识别。这种方法的优点是可以远距离在线监测；缺点是在复杂的现场环境下测量误差较大，红外热像仪测量成本过高导致性价比低，关于绝缘子绝缘阻值变化与发热量的关系目前还没有一致性的研究成果等。4.激光

24、多普勒振动法 激光多普勒测速法是利用已开裂绝缘子的中心振动频率与正常时不同的特点，通过外力或将超声波发生器所产生的超声波用抛物型反射镜对准被测绝缘子，或利用激光源对准被测绝缘子，根据反射信号的频谱分析，从而获得该绝缘子的振动中心频率值来判断绝缘子的绝缘状况。该方法优点与超声波检测法类似，如抗干扰能力强，灵敏度高等，但是由于其体积庞大，笨重，使用维修不方便以及对未开裂的绝缘子检测效果较差的原因，使得该方法适用范围受到很大限制。电量检测法1.电场测量法 运行中的绝缘子，正常状态下电场强度和电势沿绝缘子轴向的变化曲线是光滑的。当绝缘子存在导通性缺陷时，势必影响绝缘子周围的电场分布曲线，使该处电位变为

25、常数，电场强度将突然降低，电场分布曲线也不再光滑，而是在相应位置产生畸变。故对比所测绝缘子与良好绝缘子的纵向电场，找出电场异常畸变位置，即可找到内绝缘缺陷的位置。电场法利用电场来检测绝缘子，直接反映绝缘子的绝缘状况，受干扰影响较小，但缺点是需要人工登杆操作，具有一定的危险性，而且此方法并不能监测一些不影响电场分布的外绝缘缺陷如伞裙裂纹、破损等情况。2.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的绝缘状况。污闪是否发生与泄漏电流密切相关，泄漏电流是电压、气候、污秽三要素综合作用的结果，是动态参数。存在劣质绝缘子的绝缘子串中，受污闪影响，绝缘子串脉冲放电现象加剧，泄漏电流增大。根据线

26、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，通过单片机控制系统进行信号处理，获得泄漏电流平均值和峰值，再通过无线通讯系统返回到信息中心进行信息集中处理，从而在低压端显示出不良绝缘子的绝缘情况。通过此方法可以对出现在预报区和危险区中的泄漏电流进行预报警，以便在发生闪络前能够及时清扫，避免污闪事故的发生。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、检测信号的传输以及现场干扰的排除等。由于污闪的发生与环境因素有着密切的关系，尤其是湿度等参数，这些系统虽然采集环境参数，但不能体现到报警方式中，而只是仅仅提供数据的参考。另外由于污闪的复杂性，人们还希望

27、了解到污闪的进一步发展趋势，这一点还没有成熟的研究成果可以提供帮助。目前，国内外已经有使用绝缘子泄漏电流作为污秽闪络的报警参数的在线监测装置，如西安兴西科技发展有限公司的绝缘子在线监测系统，澳大利亚红相公司的绝缘子在线监测系统，陕西金源电气有限公司的绝缘子在线监测系统等。本文所设计的绝缘子在线监测系统，通过实时掌握绝缘子上的泄漏电流及相关特性，结合环境温度湿度等状况，变被动为主动，最大程度的防止污闪事故的发生。系统的特点是利用绝缘子串上部的传感器所检测到的泄漏电流、环境温度和湿度，通过信号分析以及无线传输，对绝缘子的绝缘状况进行综合检测和判断。在污秽程度较重，泄漏电流过大时，提示工作人员及时进

28、行清扫，从而提高了区域电网的稳定性和可靠性。本课题主要研究工作1.阐述了国内外绝缘子在线监测系统的研究现状，在研究污闪故障发生原理的基础上，对表征污秽程度的各个参数之间的关系进行研究，并从中选取了泄漏电流、温湿度作为主要采集参数，并综合考虑了气压、风速等环境因素的影响，完成特征量获取装置的设计。2.对整个监测系统的硬件和软件部分进行了整体设计和具体实施，针对数据采集终端电源，本文采用超级电容器与光伏系统组合方式，并进行仿真。单片机控制模块则主要以超低功耗的MSP430F149为核心，其余软硬件部分也都采用先进的模块化设计，不仅在设计过程中加快了设计的速度，方便了系统的分析和维护，而且有效地避免

29、了器件间的相互干扰,各模块相互独立，协同工作，模块间接口可靠简单，当发生故障时只需将问题模块更换即可，易于安装与维护。3. 本文采用GPRS无线通讯方式进行数据传输，使用户的呼叫建立时间大为缩短。本系统中的GPRS无线通讯方式将GPRS通信模块与单片机串口通信方式有效结合，将单片机采集到的监测数据通过数据打包形式发送到后台监控中心，同时接受监控中心发出的指令，做到双向监控，全时在线。4. 对本文工作做了总结，指出系统中的不足和以后努力的方向。泄漏电流故障原理及特征量选择2.1 绝缘子故障类型1.绝缘老化绝缘子在长期野外运行中，在各种内外因素的作用下，不可避免地会发生各种物理和化学变化，从而使机

30、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变化的影响。各种不同的因素对绝缘子老化产生综合作用，而且还常常互相影响和促进，从而使老化过程加速，严重缩短绝缘子使用寿命。2.雷击闪络雷击是大自然比较常见的现象之一，由于高压线路杆塔位置较高，且由全金属制成，所以受雷击概率很高。对于线路绝缘子而言，雷击的损害主要为灼伤伞裙、金具，造成部分产品完全击穿。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，也是造成重合闸不成功的主要原因。现行措施是在杆塔顶端装设氧化锌避雷器，可从一定程度避免雷击或者减小雷击的

31、危害。不过由于雷击的特殊性，造成的危害比较严重，所以雷击是危害电网运行安全的重要因素。3.污闪现象积聚在绝缘子表面的污秽物质在潮湿的环境下，污秽物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。国内外特高压运行经验表明，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，线路外绝缘的污闪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其严重性的增加，严重危害电力线路运行的安全。2.2绝缘子污闪机理2.2.1 绝缘子污闪过程大气环境中的绝缘子在线运行时，会受到工业排放物以及自然扬尘等环境因素的影响，表面逐渐沉积了一层污秽物。

32、在天气干燥的情况下，这些表面带有污秽物的绝缘子仍能保持着较高的绝缘水平，其放电电压和洁净干燥状态时相近。然而,当遇到有雾、毛毛雨以及融冰、融雪等潮湿天气时，在绝缘子表面会形成水膜，污层中的可溶盐类会溶于水中，从而形成导电的水膜，这样就有泄漏电流沿绝缘子的表面流过。绝缘子表面污秽闪络放电是一个涉及到电、热和化学现象的错综复杂的变化过程，宏观上可以将污闪过程分为以下四个阶段4： 1.绝缘子表面的积污：绝缘子表面的积污首先是在各种力包括重力、风力和电场作用力的作用下，迫使微粒向绝缘子移动。第二，受到使微粒沉积在绝缘子表面的各种因素的影响，包括自然的清洗作用以及绝缘子本身的结构、表面光洁度等。影响这些

33、微粒移动的主要因素是风力。电场力对这些尺寸的微粒的影响相对风力来说很小，不能影响微粒运动的方向和速度。污秽层的沉积一方面来自绝缘子对这些颗粒的附着特性，另一方面是由于绝缘子的表面状态和电场的存在。2.绝缘子表面的湿润：大多数的污物在干燥状态下是不导电的，该状态下绝缘子放电电压和洁净干燥时非常接近，只有当这些污物吸水受潮，其中的电解质电离，在绝缘子表面形成一层导电膜时，绝缘子表面的闪络电压才会降低。其中闪络电压降低的程度与润湿污层的电导率有关。绝缘子的湿润可以以下列方式出现：通过潮气的吸收、冷凝和沉降、大雨沉降可能会将部分或整个污秽层的电解质成分洗去，从而不会引起闪络过程的其它阶段，或者会由于伞

34、间间隙的桥接而引起了闪络。当绝缘子的温度和周围空气的温度相同时，在高相对湿度期间（75%RH）会出现潮气的吸收，当空气中的潮气凝聚到温度低于露点的绝缘子表面上时就会出现冷凝。3.局部放电的产生：运行中的污染绝缘子长期承受工作电压，在潮湿的条件下，表面污层逐渐受潮，泄漏电流逐渐增大。在电流密度比较大的部位，例如盘形悬式绝缘子的钢脚、铁帽处，棒形支柱绝缘子的棒径处，污层烘干并形成干燥带。此时绝缘子承受电压将重新分配，干燥带承受很高的电压，以至出现辉光放电。随着泄漏电流的增大，辉光放电有可能转变为局部电弧，这时绝缘子表面相当于局部电弧和一串剩余的污层电阻相串联。这时的局部电弧可能熄灭,也可能发展。4

35、.局部电弧的发展及闪络的完成：局部电弧的热效应，会使干区扩大，局部电弧会沿干区旋转，不断适应自己的长度。当干区扩大到电弧无法维持时，电弧就会熄灭当周围湿润的条件继续使污层电阻不断减小，泄漏电流不断增大，局部电弧的压降不断减小时，局部电弧可不断向对极发展，直至闪络。2.2.2 绝缘子污闪条件分析20世纪50年代，F.奥本诺斯首先提出了绝缘子污闪的物理模型，该模型以一段局部电弧和剩余污层电阻相串联，如图2.1所示：图2.1 污闪的物理模型从该模型出发，若外施电压为，此电压有两部分承担一部分是局部电弧的压降，另一部分是剩余污层的压降,可以表示为式2-1： (2-1)式中, x为电弧长度为单位长度的剩

36、余污层电阻值，为电弧特性常数，A,n为绝缘子的泄漏电流距离，U为加在绝缘子两端的电压；I为流过绝缘子表面的泄漏电流。这个模型已经为人们所接受，许多人用不同的方法对它作了深入的分析和推导，并将该模型逐渐完善。对于剩余污层电阻，最早人们是将实际绝缘子简化为矩形。用单位长污层电阻值和污层长度的乘积来表示： (2-2)1.直流污闪条件分析对于任意形状的绝缘子，它的污闪过程分析的电路方程都可用下式表示： (2-3)对绝缘子作污闪条件分析的关键是找出的的适当解析式。一般讲和弧根的半径有关，而又和电流I有关，但通过下面的分析可以看到，和污闪条件相联系的是临界时刻的剩余污层电阻，此时的弧根半径仅由临界电流决定

37、。可假设在电弧发展过程中不变，其值决定于。在此前提下仅是x的函数，和I无关。设弧长x为某一确定值，由式2-3可导出U-I关系如图2-2所示，该曲线有极小值。由可得维持特定长为x的电弧所需的最小电压。 = (2-4) (2-5)和又是弧长x的函数，取不同的x值，可得形如图2-3的一组U-X关系曲线： 图2.2 U-I关系曲线 图2.3 U-X关系曲线将式2-5对x求导，由可得 (2-6)满足式2-6的x值就是临界弧长。将代入式(2-4)和(2-5)，可得实现污闪的临界电流值和临界闪络电压值： (2-7) (2-8)无论什么样的试品，只要找到表示的适当的解析式，就可利用上述各式计算出实现污闪的临界

38、条件，包括临界电弧长度、临界闪络电流和闪络电压。2.交流污闪条件分析交流污闪放电过程峰值时刻的电路方程如式2-9所示： (2-9)式中和为峰值时刻的电压和电流，交流电弧静态伏安特性的电弧常数为：A=140,n=0.67对于交流染污放电来说,若要实现交流污闪,必须同时满足下述两个条件：1.峰值时刻的电弧长度要达到临界弧长2.电弧发展到临界弧长的过程中,电弧的恢复条件应始终得到满足。对于没有明显熄灭重燃现象的交流电弧,其电弧的恢复条件可表示为: (2-10)对于有明显熄灭重燃现象的交流电弧,其电弧的恢复条件为： (2-11)临界弧长由式2-9表示的电路方程决定,仿照直流污闪条件的分析方法,由式2-

39、9可导出： (2-12)其中满足式2-12的x值就是临界弧长求取交流污闪临界条件,应解下述联立方程组：当电弧没有明显的熄灭重燃现象时, (2-13)当电弧有明显的熄灭重燃现象时, (2-14)满足上述方程组的电流值即为临界电流，将代入方程组2.13 或2.14中的任一方程，即可求出临界污闪电压： (2-15)2.3 泄漏电流特征量选择可以代表绝缘子部分特性的参数比较多，而标志绝缘子正常或损坏的特征量却没有一致的结论，在电网运行中，引起线路绝缘子运行故障的最大原因就是污闪。在以往的实验研究中，为了直观、定量地评估绝缘子污秽水平，研究人员总结出很多种表征绝缘子污秽程度的参数。常用的参数一般有如下几

40、种：等值附盐密度、表面污层电导率、泄漏电流、环境因素如湿度、温度、风和气压等。由于目前国内对于绝缘子在线监测系统的研究开发尚未完善，本文对这些表征污秽程度的特征参数进行了综合考虑，并结合了后面系统所选MSP430单片机的计算能力和具体分析泄漏电流的波形特征，在此基础上选择了把一小时内泄漏电流的最大脉冲幅值及其对应的温湿度、泄漏电流平均值和超过设定的泄漏电流值的脉冲数并辅以温度湿度参考作为绝缘子污秽程度预测的依据。2.3.1 等值附盐密度等值附盐密度，又称等值盐密（ESDD），即绝缘子单位表面积上等值Nacl盐量。由于它只与绝缘子的污秽程度、污秽物成分和性质有关，所以称为污秽的静态参数。等值附盐

41、密度的测量方法是对污秽溶液中所含可电离物质所具有电导性能加以定量测量，采用在清洗污秽溶液中相同电导率的Nacl盐量来等价表示，该盐量为Nacl盐量。2.3.2 泄漏电流泄漏电流是指在运行电压下污秽受潮时测得的流过绝缘子表面污层的电流。它是电压、气候、污秽三要素的综合反应和最终作用结果，故称为动态参数。前文论述闪络发生机理时已经可以很明显的看出，无论是局部电弧发展成闪络还是交流条件下的闪络都与泄漏电流密切相关。而且当施加电压不变时，泄漏电流随污秽度的增加而增大；反之，当污秽度一定时，泄漏电流随着施加电压的升高而增加。因此通过测量流经绝缘子表面的泄漏电流值，以泄漏电流特征量来表征绝缘子的污秽程度，

42、便能够实现对绝缘子表面污秽程度的自动检测与报警。本文所提出的绝缘子在线监测系统也是以泄漏电流为主要特征量。文章给出了绝缘子在未发生污闪、临闪前和发生污闪三种情况下典型的泄漏电流波形。如图2.3.1所示，泄漏电流可测得有效值、平均值、瞬时值等多种。图2.4典型的泄漏电流波形2.3.3 湿度气候干燥时，线路绝缘子表面没有形成导电层，绝缘电阻较高，绝缘子各部位电压分布呈马鞍型。而当空气相对湿度增大时，绝缘子表面污秽物的导电层是由阻性电流构成泄漏电流的主体。所以，在相同的污秽条件下，绝缘子表面泄漏电流值随空气湿度增大而增大，脉冲频次也相应增大。2.3.4 温度温度的影响主要是由于电介质都存在着介质损耗

43、，在环境温度和介质内部电场的双重作用下，电介质自身热量增加，导致电介质的绝缘电阻下降，使电流进一步加大，脉冲频次也相应增多。在一段时间内，介质的总发热量大于散热量，就会导致绝缘子温度呈线性上升，最终会导致电介质的分解碳化直至击穿。监测系统主要硬件部分设计3.1 监测系统设计原理及总体框架本文设计的绝缘子泄漏电流在线监测系统，针对目前国内500KV以及660KV输电线路绝缘子设计,旨在通过实时、有效的远程在线监测,将高压线路绝缘子的综合泄漏电流值、脉冲频次及温度、湿度等气象参数通过单片机控制模块进行处理之后,经由GPRS无线通讯系统传输到后台监控。对存在安全隐患的绝缘子在第一时间内发送详细的故障

44、位置与报警信息,指导后台工作人员采取有效措施,为输电线路实现状态检修提供有力的依据。整套监测系统分为前台系统和后台系统两个部分。前台系统主要负责泄漏电流、温度和湿度等信号的采集，通常被置于杆塔以及绝缘子串上。主要包括传感器、信号采集、数据处理、数据传输及直流供电电源等模块。操作方法为在输电线路的被监测杆塔上安装一台数据监测分机，监测分机以MSP430芯片为核心，要求其能够实现自动采集，并能根据要求处理该杆塔上绝缘子串的泄漏电流及其环境温湿度等信息,并将其通过串口传给模块,经过数据打包存储并通过GPRS无线通信网络传送给后台监控系统。后台监控系统主要是将接收到的信号进行综合判断并加以反馈，并实时

45、显示在操作屏幕上，直观、迅速的显示污闪发生位置以及相关参数。便于技术人员迅速进行排查检修，从而避免更大规模污闪事故的发生，提高整个输电线路的安全水平。系统整体如图3-1所示：图3.1监测系统总体框架图3.2 单片机控制模块3.2.1 MSP430系列单片机简介MSP430系列单片机是美国TI公司在2000年左右推出的新款单片机，可针对不同的应用要求由各不相同的模块组成。它们具有16位RISC结构，CPU中的16个寄存器和常数发生器使MSP430微控制器能够达到很高的代码效率。灵活的时钟源可以使器件达到极低的功率消耗。数字控制的振荡器(DCO)可使器件从低功耗模式迅速唤醒，在少于6us的时间内激

46、活到活跃的工作方式，保证系统的实时性。作为新一代单片机的代表，MSP430系列单片机具有以下一些特点：1.低功耗超低功耗:MSP430系列单片机，可在1.83.6V电压、1MHz的时钟工作条件下运行，耗电电流因不同的工作模式而不同，用中断请求将CPU唤醒只要0.6us，可编制出实时性特别高的源代码，可将置于省电模式，以用中断方式唤醒程序。RAM数据保持方式下耗电仅为0.1uA， 活动模式耗电(MIPS为每秒百万条指令数)。2.强大的处理能力:MSP430系列单片机是16位的单片机，采用目前流行的精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7种源操作数寻址，4种目的操作数寻址），简洁的条内核

47、指令，大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算，还有高效的查表处理方法，有较高的处理速度。当MSP430在8MHz的晶振工作时，指令速度可达8MIPS。而且个别型号还采用了速度更快的16位多功能硬件乘法器以及DMA等一系列先进的处理体系，使其数据运算处理能力大大提高，保证了可编制出高效率的源程序。3.稳定的系统环境MSP430系列单片机的设计稳定性达到准工业级。上电复位后，首先由启动，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用作CPU主时钟时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常

48、工作。如果程序跑飞，可用看门狗程序将其复位。这种结构和运行机制，在目前各系列单片机中是绝无仅有的。4.丰富的片上外围模块和片内外设MSP430系列单片机结合TI的高性能模拟技术，具有丰富的片上外围模块与片内外设。包括：看门狗（WDT）、模拟比较器、定时器AB、12位ADC、直接数据存取（DMA）以及端口16等。看门狗可以使程序失控时迅速复位，比较器进行模拟电压的比较，配合定时器可以设计为A/D转换器，定时器具有捕获比较功能，可用于事件计数，时序发生，PWM等，MSP系列单片机片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便6。因此监测装置中选用MSP430系列单片机作为主要数据处理单元，可同时满足

49、低功耗与高可靠性的要求，而且MSP430单片机丰富的片上外围模块与强大的处理能力，可以简化装置的硬件设计，提升装置的运行效率。本监测装置选用了MSP430系列单片机中外围模块比较齐全的MSP430F149作为系统的MSU。3.2.2 DS1302时钟芯片绝缘子在线监测系统对泄漏电流进行采集处理之后，通过后台控制中心传输的数据中必须包含数据记录时间，因此系统中应该设有时钟记录单元。软时钟由程序实现，虽然不需要另外增加部件，但是添加程序麻烦，而且不能断电。为了实现系统的低功耗，需要在数据采集的间隔时间关闭CPU，因此系统采用低功耗的时钟芯片DS1302以满足系统要求。DS1302是美国DALLAS

50、公司开发的串行实时时钟日历芯片。它可以产生秒、分、时、日、月及年等七个时标，并能够自动进行闰年调整。DS1302与CPU 同步串行通讯，接口只需三根线：RST、I/O、SCLK；一次可以读写1 个字节数据或31 个字节的字符串；共有七个数据寄存器，即秒、分钟、小时 、日期、月份、周和年份寄存器；命令字的地址从80H8DH，奇数为读，偶数为写；一个时钟周期由下降沿开始，上升沿结束；写入数据时，在时钟的上升沿期间数据必须保持有效，读出数据时，在时钟的下降沿期间数据有效；如果，RST 输入低电平，中止所有的数据传输并且I/O 呈高阻态；数据输入/输出的时序是首先写入一个字节的命令字节(读或写)，后面

51、紧跟8 个时钟周期读出/写入一个字节的数据。 虽然DS1302 的功耗很小，但是如果要长时间保证时钟正常，最好选用小型充电电池或01F 以上的超级电容作为备用电源。如果断电时间较短，可以用漏电较小的普通电解电容器代替。DS1302 在第一次加电后必须进行初始化操作，之后即可按正常方法调整时间。3.3 信号采集系统设计此模块主要负责泄漏电流、温度、湿度等信号的采集。信号采集模块是本套设备的核心模块，主要是由电流传感器、湿度传感器、温度传感器以及各部分的信号调理电路组成。通过传感器采集到信号后送到信号调理电路，转换为适合接受的信号后在中进行处理，得到需要的数据，并对数据进行存储、打包和发送。数据采

52、集系统的硬件结构如图3.2所示，前端采集系统由传感器、信号调理电路、A/D转换、无线收发模块和MSP430单片机组成。系统采用上文所述的超级电容器直流电源结合光伏系统进行供电。图3.2数据采集系统硬件结构图3.3.1 泄漏电流采集（1）泄漏电流采集方式泄漏电流信号的采集是整个绝缘子在线监测技术中的一个非常关键的环节。对于柱型支撑绝缘子，可将传感器接在绝缘子接地引线上对于悬式绝缘子，将传感器套接在绝缘子低压端的球头挂环处。由于传感器的线圈匝数是一定的，有U=KI的关系式,采集到的原始信号通过I/U变换后,就能把小电流信号转换为电压信号,所以实际电路中进行处理的都是电压信号。本文采用集流环式屏蔽法

53、采集绝缘子表面泄漏电流。通过一片绝缘子表面加装金属引流环，并将此绝缘子安装在绝缘子串靠近杆塔的一侧，金属环收集泄漏电流信号之后通过杆塔入地。泄漏电流和脉冲电流传感器均采用穿芯式结构，套在屏蔽电缆的芯线上，安装于现场单元的屏蔽箱中。（如图3.3）集流环材料具有防污防水耐高温特性，对泄漏电流采集准确。整个检测系统的前台部分均置于屏蔽箱中，固定在输电线路的杆塔上，不影响整个绝缘子串的安全运行。图3.3 泄漏电流传感器现场安装示意图（2）泄漏电流传感器的选择因为需要采集的泄漏电流是动态信号，具有很大的幅值跨度，且对灵敏度要求比较高，为了能实现对这种信号比较精确的采集，本文选用的一型小电流传感器。它具有

54、以下优点：1.工作稳定性好，温度系数小而且稳定，结构简单，体积较小7。2.测量范围为01A，能够适用于测量小电流的要求，灵敏度高，在测量范围内线性度好，输出波形不畸变。3.在磁芯材料上，这种传感器选用了铁氧体、磁粉芯、铁妮合金等多种磁芯，最后用粉末冶金工艺，采用高纯度、超细的雾化粉体和添加元素制成，具有导磁率高、线性度好、稳定性好等优点。4.使用中，由于二次电流与一次电流有良好的绝缘，安全性好，能准确地反映被试设备的真实值。（3）泄漏电流信号滤波电路设计经过传感器采集到信号经过转化以后，进入后面的调理电路。针对系统对采集信号的要求，在电路调理模块我们主要对采集到的信号进行了滤波、二次放大及电平

55、转换等设计。小电流传感器获取的信号中不仅含有基波信号，而且还含有各次谐波成分，因此必须使用信号滤波装置从信号中滤出不需要的谐波成分，通过分析可知：泄漏电流的频谱成分中，基波、三次和五次谐波成分占据了绝大部分能量，而高频谐波占据的能量很少。图3.4为二阶压控电压源低通滤波电路。图3.4二阶压控电压源低通滤波电路由图可以看出，二阶压控电压源低通滤波电路是由两节滤波电路和同相比例放大电路组成，其中的同相比例放大电路实际上就是压控电压源，运算放大器采用LM324集成芯片，电压增益就是低通滤波电路的通带电压增益： (3-1)经计算可得 (3-2)其中R为R25和R26的阻值，C为C11和C12的容值。

56、(3-3)由式3-2可以看出，当小于3时，电路才能稳定工作，否则电路将产生自激振荡。将代入式3.3，可得幅频响应表达式为 (3-4)式3-4表明，当=0时，=；当趋近于正无穷时，=0。 当时，=-40dB，可以满足剔出高次谐波的要求。（5）电平抬高电路设计由于电流传感器输出的是交流信号，存在正负特性，在转换之前，要进行电平抬高，使其波形处于正区间，避免采集到负压信号增加后续计算麻烦。电平抬高电路使用同相求和方法，如图3.5所示图3.5电平抬高电路设正相输入端的电压为，反相输入电压为，输出端的电压为所有电阻大小均为R，则按虚断得: (3-5) (3-6)由虚短可知所以由上列得式子可得： =+ (

57、3-7)令=1.25V,则可使输出电压在02.5V之间变化。（6）可编程放大器选择由于泄漏电流幅度随着塔型、运行电压、天气等情况不同而不同，甚至有倍左右的差别，因此在数据A/D转换前采用了可编程放大器来动态改变信号的增益。本系统采用在A/D转换的前级加一级程控放大电路，这里选用AD526来实现。AD526是软件可编程的单片仪表放大器，其增益范围为1，2，4，8，16，在增益为1时，带宽可达4MHz。AD526与普通运算放大器构成的常规仪表放大器相比，前者提供了激光调整电阻和其它的单片集成电路技术，使得它的有源和无源器件被置于同一块芯片上，这些器件能很好地匹配，保证了放大器具有高的共模抑制。此外

58、，这些器件能在很大的温度范围内保持匹配，保证了仪表放大器在整个温度范围内的优良性能。该特性在本系统中是很有用的，因为泄漏电流信号幅度很微弱，系统的共模抑制能力是设计时的一个重要环节。（6）A/D转换在一个数据采集系统中，采样速度表示了采集系统的实时性能。采样速度由模拟信号宽、数据通道数和每个采样数决定。由采样定理，在理想的数据采样系统中，为了使采样输出信号能无失真地复现原输入信号，必须使采样频率至少为输入信号最高有效频率的两倍，否则会出现频率混迭误差。因此，信息无损失地重现采样数据，要求在数据带宽的每个周期内至少采样两次。采样定理是实现无信息损失重现采样数据的必要条件，但该条件是在采样数据的采

59、样以及数据重构都是理想状态下提出的。实际使用上，不可能具有这样的理想情况，为了保证数据采集精度，在前向通道中采取了如下措施:1.增加每个周期的采样数。通常根据数据带宽，在最高频率端每周期采样710次，即。2.在A/D转换前设置低通滤波，消除信号中无用的高频分量。对于多通道数据采集系统，由于是分时控制采样，考虑到通道的分时、模拟信号的带宽等因素，多通道数据采集系统的最小采样频率应为，N为通道数,最大采样周期。考虑到本系统的特点，我们选用了AD1674转换器。AD1674是一种12位逐次逼近型ADC，它是ANALOG DEVICES公司在AD574、AD674的基础上改进而来的，除了在转换速度上有

60、很大提高之外，还增加了采样保持器功能。可以实时采集各传感器的模拟参量，进行快速精确的数据转换并提交控制中心处理。3.3.2 温湿度传感器目前温度和湿度的监测有许多种传感器可以选用。这类传感器的输出一般为电阻或者电容型，测量时外部需要对应的电路将电阻或者电容转换为电压值，不仅电路复杂而且功耗比较高，不适合在本系统中使用。Sensiron公司生产的SHT10型湿度温度传感器是一款由多个传感器模块组成的单片全校准数字输出的湿度温度传感器，含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，应用工业CMOS过程加工技术，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