1、西安工程大學本科畢業設計（論文） 第1章緒論1.1概述1.1.1引言輸電線路的絕緣子要求在大氣過電壓、內部過電壓和長期運行電壓下均能可 靠運行。但沉積在絕緣子表面的固體、液體和氣體微粒與霧、露、毛毛雨、融冰、 融雪等惡劣氣象條件的同時作用， 將使絕緣子的電氣強度大大降低，從而使輸電 線路和變電站的絕緣子不僅可能在過電壓作用下發生閃絡。更頻繁的是在長期 運行電壓下發生污穢閃絡，造成停電事故。為了提高絕緣子運行的可靠性，通常采用定期人工活掃。人工活掃基本為全計劃方式,需要停電作業不僅消耗大量的人力、物力。而且由丁缺乏絕緣子污穢程度的實時信息。 計劃式活掃不能做 到杜絕事故的發生。許多污閃事故均在兩

2、次活掃之間發生。加強輸電線路運行的 現代化管理，進行線路防污閃在線監測，實現狀態檢修的要求已成為急待解決的 課題。絕緣子污閃的最直接原因是表面泄漏電流急劇增大。泄漏電流是指在運行電壓作用下污穢受潮時測得的流過絕緣子表面污層的電流，可通過測量泄漏電 流的大小和變化來對絕緣子污穢進行判斷。本文借助GSM網絡，成功研制了新型輸電線路絕緣子泄漏電流在線監測系統。對輸電線路運行絕緣子申的泄漏電 流、閃絡脈沖、環境溫濕度、風速、風向以及雨量等進行定時（20分鐘、40分鐘等，用戶可設定）監測，可隨時提供線路絕緣子表面污濕狀況和預報警服務。1.1.2污閃的危害污閃是區域性的問題，其顯著特點是同時多點跳閘的幾率

3、高。絕緣愈低， 跳閘機率愈大，且重合成功率愈小。華北電網 1975-1985年統計表明，輸電線路 污閃跳閘重合成功率為27%0 1996-1997年，京、津、唐電網變電設備的幾次污 閃、重合也大都失敗。重合不良則意味著存在永久性故障， 而多點故障則意味著 多處供電失去電源，甚至丁會造成大面積的污閃事故。污閃的上述特點，是由其本身的特殊性造成的。一個大、中型變電站，對 地的絕緣設備大約有幾白支甚至上千支；而變電站的進線、出線也有幾條至十幾 條,在周圍幾十或上白平方公里的地區；大氣的污染幾乎是相近的，霧、雪、毛 毛雨等潮濕的氣象條件也幾乎是相同的。 一旦一處污閃跳閘，則表明這個地區近1西安工程大學

4、本科畢業設計（論文）乎相同的幾白個或上千個絕緣子個體均處丁臨界污閃跳閘的狀態。一處跳閘，重合閘動作，還會造成電網的振蕩，是臨近閃絡設備乂多承受一個操作過電壓的作 用，使設備處丁更加不利的狀態。特別是當較多設備的外絕緣抗污能力遠低丁實 際污穢要求時，往往會造成區域性的大面積污閃事故。1989年末至1990年初，全國若干個省市的大面積污閃的根本原因就是輸電線路配置的外絕緣水平，相對丁設備表面實際染污程度要求相差太多的緣故。污閃事故造成的電量損失，以及給國民經濟帶來的損失是十分驚人的。高壓網運行故障多半是由丁絕緣不良引起的，而高壓網絕緣子是高壓網絕緣 的薄弱環節。絕緣子在運行中發生故障的類型很多。對

5、電力系統影響較大，且比較頻繁的事故是在運行電壓下輸變電設備絕緣子的污穢閃絡事故，也叫污閃。污閃是由丁絕緣子表面污濕狀態達到一定程度，致使絕緣子表面泄漏電流過大，導致線路閃絡的，是發生在高壓線路和變電站的一種常見故障。隨著環境污染的加劇、電力系統規模的不斷擴大以及對供電可靠性的要求 越來越高，防止污閃事故的發生已經成為十分重要的課題，我國跨省市的大面積 污閃，弓I起了電力部門的高度重視，相關部門投入了大量人力、物力解決輸變電 設備的污閃問題，絕緣子工況的診斷技術也因此得到發展。在線監測將愈來愈成 為預防性試驗中的一個重要組成部分，它將在很多方面彌補僅靠定期停電預試的 不足。近年來，國內外由丁絕緣

6、原因引起的電力系統大規模停電事故充分證明了 在線監測的重要性。1.1.3當前防污閃工作的措施絕緣子的污閃是一個復雜的過程，通常可分為積污、受潮、干區形成、局 部電弧的出現和發展四個階段。采取措施抑制或阻止其中任一階段的發展和完 成，都能防止污閃事故的發生。為了防止污閃，目前采取的措施主要有以下幾種： 增加絕緣子申中絕緣子的數目，采用耐污絕緣子，在絕緣子表面涂憎水涂料，采用有機合成絕緣子或半導體釉絕緣子等等。這些措施對絕緣子進行定期活洗等各 種措施在實際運行中都起到過積極作用。 但以上這些防污閃措施，從根本上說都 是被動的預防，不能掌握主動權，對減少污閃事故的效果都不是很理想。1.2絕緣子的污閃

7、問題比較絕緣子發生故障的原因，對絕緣子危害最大的是污閃，以下對污閃放電 特點，發生條件和數學模型進行研究，解釋污閃放電對絕緣子的危害以及如何檢 測污閃。1.2.1絕緣子污閃放電特點在線運行的絕緣子，在適宜的大氣環境中，在絕緣子表面會形成溶有可溶 鹽類的導電水膜，而且受絕緣子形狀、尺寸的影響，絕緣子電流密度會不均，比 較大的首先形成干燥帶,由丁干燥帶的存在越發使得絕緣子表面電壓分布不均, 干燥帶承擔較高電壓。當電場強度較大時，將產生跨越干區的沿面放電，根據臟污和受潮程度不同，可能是輝光放電、 火花放電或局部電弧。局部電弧是一個問 歇性的放電過程，這種間歇的放電狀態可能會持續很長時間， 當臟污和潮

8、濕狀態 嚴重時，局部電弧會逐步發展，當達到和超過臨界狀態時，電弧會貫穿兩極，發 生閃絡。以XWP-7型絕緣子為例，如下表示：表1.1 XWP-7型絕緣子放電現象與泄漏電流之間的關系LC 值 /mA放電現象特征<2無明顯放電現象10鐵帽邊緣紫色黃色小火星，傘腰及鋼腳處淡紫色絲狀放電，輕微電暈聲紫絲狀放電，微聲30-40傘腰處密集紫色絲狀放電，鋼腳處紫色刷狀放電，帽、傘腰和鋼腳均有黃色短電弧出現，聲響放大密集、持續橘黃色短電弧聲響大50-70黃色短電弧加長（傘腰處達58cm）并變成橘黃色，下傘 面密布黃色短電弧；脈沖出現密集，放電持續發生，聲 響很大密集、持續橘黃色短電弧，聲響大80-120

9、脈沖頻率降低；脈沖出現時帽緣和鋼腳均有數條主電弧，瓷件表面出現橘黃色短電弧，傘腰處則是沿圓周密布的短電弧，下傘面的電弧達傘面泄露距離 1/3以上主電弧，傘腰密布黃色短弧，電弧短路1/3泄距200-400脈沖間隔進一步加長，間隔期內無明顯現象，LC值小于10mA;脈沖到來時，主電弧橘黃色偏紅。弧道粗且明亮明亮橘紅色主電弧，間隔平靜400-900明亮橘紅色主電弧，長度幾乎達到傘邊沿；鐵帽及傘腰整個圓周密布短小的橘黃色電弧，放電刀很大而且很沉悶主電弧幾乎達到傘邊緣3西安工程大學本科畢業設計(論文)Hi900-1500紅色電弧幾乎貫穿整個泄漏距離，試驗品隨時可能發生閃絡強烈放電，幾乎貫穿整個泄距1.2

10、.1.1絕緣子污閃條件分析污閃放電是一個涉及電、熱和化學現象錯綜復雜的變化過程，污閃過程分為 4個階段：(1) 絕緣子表面污穢沉積。絕緣子表面沉積的污穢物，主要來源丁大氣環境的 污染，也受大氣條件的自活洗。如果這些污穢物在干燥時是不導電的 (高電阻)， 在閃絡前需要潮濕過程。(2) 絕緣子表面濕潤。當污穢物吸水受潮，會在絕緣子表面形成一層導電水膜，污物中電解質成分電離，并以離子形態存在，絕緣子閃絡電壓會明顯降低，其降低還與濕污層的電導率有關。(3) 局部放電發生。在絕緣子表面形成導電水膜后，構成沿絕緣子表面導電 通路，有泄漏電流沿絕緣子表面流過。這種泄漏電流是不穩定的，泄漏電流產 生的焦耳熱效

11、應會使水分蒸發。由丁電流密度不同，在絕緣子直徑相對較小部 位會有較大的電流密度，形成干區。干區有很大的表面電阻，從而阻斷了泄漏 電流，導致沿絕緣子的電壓分布隨之發生變化。加在絕緣子兩端電壓主要由干 區承擔，當干區某處場強超過沿介質表面空氣臨界場強時，該處會發生沿面局 部放電。當火花熄滅，下次條件滿足時，乂會發生間歇性的火花，持續很長時 問。(4) 局部電弧發展，完成閃絡。如果絕緣子污穢程度比較嚴重，絕緣子表面乂 充分受潮，再加上絕緣子的泄漏距離較小，這些因素使得絕緣子濕污層電阻變小， 在這種條件下會出現較強烈放電現象。 此時跨越干區的放電形式為電弧放電， 電 弧呈黃紅色并作頻繁伸縮的樹枝形狀，

12、放電通道中的溫度可增高熱電離的程度。 這種間歇脈沖狀的放電現象的發生和發展也是隨機的、不穩定的，在一定條件下， 局部電弧會逐步沿面伸展并最終完成閃絡。綜上所述，單個絕緣子表面電壓分布取決丁整申絕緣子狀態。當某個絕緣子 首先跨越環狀干區，跨越干區的電壓將是整申絕緣子總電壓中的一部分，所以較易發生跨越干區的局部電弧；只有多個絕緣子均已形成環狀干區，分在一個干區 上的電壓才會減小下來。當某個絕緣子的干區被局部電弧橋絡時， 原來加在該絕 緣子上的較高電壓將轉移到其他絕緣子上， 電壓分配的突變，會如一個觸發脈沖， 4西安工程大學本科畢業設計（論文）促使其它絕緣子產生跨越干區的電弧， 甚至迫使整申絕緣子一

13、起申聯放電。 一旦 所有絕緣子干區被電弧橋絡，泄漏電流將決定丁絕緣子剩余濕污層電阻， 此時泄 漏電流大增，強烈的放電有可能發展成整申絕緣子閃絡。1.2.1.2絕緣子污閃模型德國的F.obenaus最早提出了分析絕緣子污閃的物理模型，該模型由局部電弧和剩余污層電阻相串聯而成，如圖 1.1所示圖1.1污閃的數理模型其中，X為局部電弧總長，X=x1+x2 , L為泄漏距離，L-X為剩余污層長度。從該模型出發，若外施電壓為 U ,此電壓由兩部分承擔，一部分是局部電弧 的壓降，另一部分是剩余污層電阻的壓降，可以表示為式：U = Ax r rn(L -x)I(1-1)式中，x為電弧長度；Rn為單位長度的剩

14、余污層電阻值;A , n為電弧特性常數;L 為絕緣子的泄漏距離;U為加在絕緣子兩端的電壓;I為流過絕緣子表面的泄漏電 流。在這個模型中，以局部電弧和剩余污泥電阻相申聯的模型來分析絕緣子污閃 的臨界條件。活華大學高壓實驗室提出沿污穢絕緣子表面的局部交流電弧的伏安 特性：Uo =140xI °67(1-2)剩余污泥電阻目前有兩種準確的方法，一種是用場的方法來計算 R(x),進而 解出污閃的臨界條件；另一種是用路的方法，找出能較準確表示R(x)的解析結果， 不過這兩種方法過丁復雜不宜用丁在線檢測。對丁實際的絕緣子，對數形式表達 的R(x)計算式為：R(x)=ln(1-3)式中，Y為污層表面

15、電導率；M為弧根半徑，式(1-3)表示的R(x),與用路的 方法和用場的方法解出的污閃臨界條件是一致的。1.3絕緣子在線監測的發展及現狀我國對在線監測的重要性早在 60年代就有所認識，并提出過不少帶電試驗 的方法，但行之有效的卻不多。原因之一是缺少關丁絕緣子污穢程度的全面真實 的信息。本文認為在這些方法中可大致分為非電量測量法和電量測量法。非電量測量 法以超聲波檢測法、激光多普勒振動法及紅外熱象儀法為代表。 電量測量法以電 壓分布檢測法、絕緣電阻法及脈沖電流法為代表。經過近幾十年的發展，國內外專家對絕緣子污閃機理有了一個全新的認識， 電量測量法得到迅速發展，并有相關產品投放市場運用。電量測量法

16、包括電壓分 布檢測法、泄漏電流脈沖計數法及最大泄漏電流法等多種， 是通過檢測絕緣子在 運行過程中其電參數變化來實現在線監測的方法。為了防止輸變電設備發生污閃，運行部門、科研部門和大專院校，一直在努 力探索各種監視和檢測的方法，力圖預先知道運行設備外絕緣的運行狀況， 以便 及時采取有效措施防止供電中斷。目前常用的幾種方法如下：(1) 現場巡視(2) 測量絕緣子表面的等值附鹽密度(3) 污層電導率法(4) 電壓分布檢測法(5) 測量絕緣子表面的泄漏電流前一種方法比較直觀，通過現場巡視測定，可以直接地判斷絕緣子的外絕 緣的運行狀況。后四種方法都是間接測量方法。即測量外絕緣表面鹽密值大小、 污層電導和

17、泄漏電流值，并找出這些系數的關系，判斷外絕緣能力下降情況，決定應該采取的技術措施。1.3.1現場巡視現場巡視直觀、方便、范圍廣，是供電部門防止污閃事故發生，廣泛采用 的方法。但巡視結果與巡視人員的經驗、素質等多種因素有關，無法定量，不十 分確切，容易漏檢。防污閃巡視，常常要安排在夜間和霧、毛毛雨等潮濕天氣下進行。在我國 北方地區，特別重視入冬后的第一次霧和入春后的第一場雨的巡視。這時的巡視往往會發現外絕緣的一些薄弱環節。巡視判別的方法，一是聽放電聲音，二是看放電現象。如果設備在潮濕天 氣下放電聲音較小且放電聲均勻，問題不大；反之，放電聲音較大且伴有“嘩剝” 聲，則放電較為嚴重。一般應予以處理。

18、若按放電現象判斷：一般絕緣子表面均 勻覆蓋一曾藍紫色的光圈者，對絕緣的危害并不大；若放電呈黃紅色的伸縮性樹 枝狀或黃白色的局部電弧時，則放電嚴重。應及時采取措施。1.3.2等值附鹽密度法絕緣子等值鹽密法（ESDD）是用一定量的蒸僻水，將一定面積瓷表面上的污穢 物全部活洗掉，用適當的儀器測量污穢溶液的鹽密值 S,計算S=W0xQ/A（Q 為100mm的用水量倍數,A為絕緣子表面積），等值鹽密可直觀衡量污穢程度。 由丁目前尚無測固體化學成分的傳感器。無法進行實時監測其成分變化和絕 緣子的電氣狀況。1.3.3污層電導率法絕緣子表面污層電導率也叫表面電導率，其含義是絕緣子單位表面污層的 電導值。它能夠

19、反映絕緣子表面的積污量和濕潤程度，是確定現場污穢程度的一 個很好的方法，借助丁污層電導和污閃電壓的關系， 可以確定運行設備的污耐壓 水平。1.3.4電壓分布檢測法（1）電壓分布檢測法是一種傳統的絕緣在線檢測方法。隨著傳感器技術的發展，該法也被賦予了新的內容。基丁泡克爾斯 （Pockels微應的光纖（場強）傳感器 能在基本上不改變絕緣子申電場強度分布的情況下準確測定各絕緣子的電壓分 布情況，克服了短路義法、火花間隙法測量準確度低、讀數分散性大的缺點，同 時也消除了精密電壓表法測量改變絕緣子申分布電壓的不足。在信號處理方面，目前普遍采用將測量結果經電光轉換后通過絕緣桿內的光 纖傳輸到低端再轉換成電

20、信號讀數的方法或直接將測量結果轉換成語言信號報 出的方法。電壓分布檢測法的特點在丁直觀，能準確判斷絕緣子性能的變化。光學測量電壓分布方法消除了以前測量方法的準確度不高、讀數困難等特點，雖然己研制出自爬式絕緣子檢測儀，相對減輕了現場操作人員的勞動強度， 但每次測量必須 操作人員的勞動強度較大、工作安全性較差的缺點仍然令這種方法難以得到 廣泛用。1.3.5最大泄漏電流法國內外試驗研究表明，泄漏電流不僅能夠全面的反映作用電壓、氣候條件、絕緣子表面污染程度等綜合因素的影響， 而且臨閃電流Ic與閃絡電壓梯度Ec有 著十分確定的關系。其Ec Ic關系曲線，在絕緣子表面污穢成分不同。污穢分 布均勻，甚至絕緣

21、子申長不等，都能夠較好的吻合。即使絕緣子的結構形式不同，Ec Ic關系也無多大差別，其表達式可用籍函數表小。即Ec=AIc"(1-4)式中Ec-閃絡電壓梯度I c -臨閃電流A b-常數此處Ic是臨閃前的最大泄漏電流，代表著將要閃絡的臨界污穢度，所對應 的電壓也就是運行電壓。如果利用泄漏電流作為檢測的手段， 必須選取一個比臨 閃電流Ic低的多的電流、來代表當地必須報警的污穢度，以便及時采取措施， 防止閃絡。1.4本文的組織絕緣子在線監測技術是變電設備由傳統的“計劃檢修”向先進的“狀態維修” 過渡的重要技術手段，具有巨大的社會經濟效益和廣闊的發展前景。本文目的即在丁從理論上對這一問題進

22、行探討，并重點通過對輸電線路絕緣子的在線監測這 一難題的探索引申出對絕緣在線保護的討論，全文章節安排如下:第一章論文簡述了污閃危害、絕緣子在線監測的重要性；介紹絕緣子在線監測 的發展狀況，最后陳述本文的主要研究工作和技術難點。第二章介紹了絕緣子在線檢測系統設計及功能實現。第三章介紹了現場信號采集基本硬件結構；分析了前端機各個硬件組成模塊第四章介紹了信號數據處理，研究了在線數據的預處理的方法。第五章介紹了前端機的實際運行時采取的可靠性及抗干擾措施。第六章指出本系統尚存在的問題和須進一步努力的研究方向，對未來在線監 測系統進行展望。9西安工程大學本科畢業設計（論文）第2章絕緣子在線檢測系統設計及功

23、能實現2.1引言目前，國內高壓絕緣子在線檢測的主要方法是超聲波檢測法、激光多普勒振 動法、紅外測溫法、電暈攝像機法、聲波檢測法及無線電波檢測法等。從目前的 這些檢測方法來看，一般都需要到現場逐個進行測量，工作量很大，有的需要登桿登塔，危險性很高。而且在數據分析處理方面運用綜合分析處理的很少，絕緣子故障判斷的準確性不高。因此尋找一種從根本上減少勞動量、提高故障判別的 檢測法，并能實時有效地檢測絕緣子的安全、 可靠狀況的一套集遠程分布、 在線 檢測與集中式數據管理和故障診斷一體的在線監測系統意義十分重大。隨著計算機技術、新能源技術、通信技術、強電磁場環境下微電量采集技術 的迅猛發展，為在線監測領域

24、的研究與實現提供了可靠的技術保障。本文旨在完成一套具備遠程監控功能的在線監測系統，并通過實際掛網運行 檢測系統設計的合理性、穩定性，各設計功能的實際使用效果、各部件長期在惡 劣環境中能否經受住考驗以及通過數據的收集、處理、分析為在線運行線路絕緣子最終實現在線遠程狀態監測積累經驗。2.2檢測方法提出高壓線路絕緣子在線監測一直是電力系統的難點。線路絕緣子長期運行在強 電場、多種污穢、機械應力、各種溫度濕度等惡劣環境中，易出現絕緣子內部裂 縫、表面破損、阻抗降低和污閃等多種故障，嚴重威脅電力系統安全運行。國內外高壓絕緣子檢測主要方法如下：表2.1絕緣子在線監測方法比較檢測方法檢測原理主要設備優點缺點

25、超聲波檢測法通過處理超聲波穿過絕 緣子時的反射和模式變 換桓測劣質絕緣子超聲波接收、發射裝置可以較準確的檢測開裂絕緣 子對未開裂絕緣于爪 起作用，并且需到 現場逐個檢測；續表激光多普勒震動法開裂絕緣子的震動中心頻率與正常絕緣子不問激光多普勒震動儀對開裂絕緣子檢測效果明顯對未開裂絕緣子 不起作用，并且 需到現場逐個檢 測，但設備笨重， 不適于野外作 業；紅外測溫法利用絕緣子表面電流引起的熱效應進行測量紅外攝像儀對半導體釉絕緣子檢測效果明顯設備造價高，對 玻璃絕緣子和普 通釉絕緣子檢測 效果不明顯，并 且需到現場逐個 檢測；聲波檢測法不良絕緣子放電發出聲 波，可根據聲波強弱判 斷是否存在劣質絕緣子

26、聲波接收裝置設備簡單，操作方面受環境背景噪聲影響大，并且需到現場登桿逐個檢測；無線電波檢測法不良絕緣子放電發出電 磁波，根據接收到的電 磁波方向、強度判斷是 否存在劣質絕緣子電磁波接收裝置設備簡單，操作方面抗干擾能力差，靈敏度低，并且需到現場逐個檢測；電暈攝像機法不良絕緣于的存在使其他正常絕緣子上的電暈現象增強電暈攝像機可以清晰的測到 電暈放電而/、受 陽光輻射影響觀測不到內部放 電，設備造價高， 并且需到現場逐 個檢測；以上的檢測方法都不能滿足電力系統安全運行的實際需要。隨著電力系統向 信息化、自動化方向的發展，迫切需要集遠程在線監測與后臺數據管理和故障診 斷丁一體的系統，本文提出了一種基丁

27、 GSM網絡的集遠程分布在線監測與集中 式模糊邏輯診斷和數據管理丁一體的高壓輸電線路絕緣子監測系統的實現方法。2.3系統總體方案本文設計的絕緣子在線監測系統，針對高壓、超高壓輸電線路日益嚴重且形 式多樣的突發事故而設計，旨在通過實時、有效的遠程在線監測，充分了解絕緣子 的運行狀況，綜合泄漏電流值、脈沖頻次及溫度、濕度等氣象參數，利用趨勢分析技術，對處丁監測之列的絕緣子進行安全狀況分析，并對存在安全隱患的絕緣子在 第一時間里發送報警信息，指導工作人員采取有效措施，為輸電線路實現狀態檢修 提供有力的科學依據。系統總體結構分為三層：數據采集終端層、基站層、專家分析系統層。圖2.1系統總體結構示意圖系

28、統工作原理圖如圖示:15溫度傳感信號去絕緣子溢.器、濕度傳噪、脈沖行數據管感器、氣體提取、電理、故障傳感器、濕流幅值記診斷、污垢漏電流及脈錄及數據水平確定沖電流傳發送接收及前臺系統感器控制控制圖2.2系統工作原理圖專家分析系統基站計算機2.4系統功能實現1完成在線、實時監測絕緣子的平均泄露電流及脈沖群值，確定絕緣子的運 行可靠性及老化程度。2實時測量環境溫度、濕度等參數。3系統采樣測量靈敏度要能達10 H A，可采集50-20000HZ之間的弱電流信 號。4采用GSM （短信息）、GPRS （無線上網）方式將監測數據主動上送基站， 系統實現了預警、報警功能，閃絡時仍能正常將數據主動上送。5系統

29、具備抗強電磁場干擾能力6系統采用低功耗和太陽能電池供電雙保險設計，即使在連續30天無陽光情況下仍可正常工作。系統的技術參數為：10 A :泄漏電流采集精度10 A ;50-20000HZ：可測量50-20000HZ問的微弱信號；3mA :系統平均功耗低丁 3mA;30天：在沒有陽光的條件下，系統可持續工作 30天不斷電；西安工程大學本科畢業設計(論文)太陽能電池輸出電壓：5.5-7V;溫度測量范圍：-30C-+75C，靈敏度：0.5C；濕度測量范圍：1%100%，靈敏度：土 2%;適用海拔高度：2300m以下；操作系統：WindowsXP、WindowsNT >Windows2000 等

30、；平均泄漏電流量程(RMS): 0.01100毫安；報警電流：初始值據我國標準或現場實際情況設置，運行后可由負責人依據運行數據自行修正；整機使用壽命：十年以上。2.6功能模塊設計系統總體結構分為三層：數據采集終端層、基站層、后臺數據處理層本系統適用的范圍為： 110kV-500kV的輸電線路中運行的瓷質、玻璃質及合成絕緣子的在線狀態 監測。 110kV-500kV的電站中運行的瓷質、玻璃質及合成絕緣子的在線狀態監 測。理論上也可以應用丁更高電壓等級的輸電線路或電站內瓷質、玻璃質及合成絕緣子的在線狀態監測。2.6.1電源模塊設計由丁整個檢測裝置安裝在高壓桿塔上，如何提供給檢測裝置不同幅值的穩定電

31、源，是檢測裝置一個重要問題。一種方法是采用電流互感器直接從高壓桿塔上 獲取電源，這種方法存在著影響供電，而且設備造價高不安全等問題；另一種方法是蓄電池和太陽能混合電源的方法，一般采用大容量免維護型循環充電電池和 單晶硅太陽能電池。比較二者，后一種是比較理想的方案，設計選擇了 SLPB90216216型聚合物鏗電池(3.7v, 40Ah)和單晶硅的太陽能電池片。這種類 型的聚合物鏗電池充放電次數在 800次以上，而太陽能電池片的壽命在5年以上。 選擇這樣大容量的電池是為了盡量減少電池更換的次數，而且保證在陰雨天氣 下，系統仍能正常工作至少30天。對丁電源的選擇需要考慮一下幾點：(l) 整個檢測系

32、統功耗。在太陽能充足的條件下，循環壽命電池可以得到充電保證系統正常運行，如果在連續陰雨天氣下，太陽能對電池充電貢獻很小甚至無 貢獻時，必須保證整個系統仍正常運行一段時間，資料指出此類系統的天平均功耗為800mAh ,持續天數n=電池容量*電源效率/天平均功耗 =40*0.8/(800*10 )=40天，滿足堅持 30天的要求。(2) 太陽能的有效利用。太陽能電池片對陽光的利用率與采光的角度成一定的比例，而且在不同的地區或同一地區不同的季節，同一角度讀的采光時間和強度是不同的。一般，將方位角調整到在一天中負荷的峰值時刻與發電峰值時刻一致， 方位角二(一天中負荷的峰值時刻-12)*15+(經度-1

33、16)。(3) 電源系統的防水防腐蝕以及問題的影響。 長期暴露在大氣環境而且承受各 種不同條件氣候的作用，電源系統能否穩定運行是整個檢測裝置的重要組成部分。因此，在選擇聚合物鏗電池和太陽能電池片的時候，選擇的電池工作范圍 -20C60C ,同時絕緣外殼和耐腐蝕滿足防水防腐蝕要求。太陽能充電電路原理圖如2.3圖示：圖2.3太陽能充電電路原理圖17西安工程大學本科畢業設計（論文）2.6.2通信模塊選型檢測裝置檢測的參數有泄漏電流，溫度，濕度，風速，風向，這些參數與監控中心必須有一個傳輸部分，由丁整個檢測裝置是安裝在高壓桿塔上，必須遠程傳輸，遠程傳輸的方式主要包括有線傳輸和無線傳輸。目前，有線傳輸比

34、較穩定，但需要鋪設相應的硬件設施。而絕緣子檢測由丁桿塔分布的地理位置分散，如果采用有線傳輸方式就意味著需要大量硬件設施；而無線傳輸方式由丁移動通信技 術的發展，基站等基礎設施建設已經非常完備，采用移動運營商現有的無線通信 網絡，是實現無線傳輸一種可行高效通信方式。因此，在絕緣子檢測中，比較兩 種方式，采用了無線傳輸的方式。比較而言，GSM與GPRS的最大區別是GPRS引入了數據網。GPRS擁有 171.2kbps更快訪問速度；在連接建立時間方面，GSM需要1030秒，而GPRS 只需要極短的時間；而對丁費用而言，GSM是按連接時間計費，而GPRS只需要 按數據流量計費；同時GPRS對丁網絡資源

35、的利用率而相對遠遠高丁 GSM。因此 在絕緣子數據傳輸中對常規少量數據傳輸，采用 GSM方式即可滿足要求，而應 對大量數據傳輸，采用GPRS方式可以更加可靠的完成數據傳輸， 避免因數據丟 失而造成的多次重發和問斷從而使傳輸費用降至最低。在選擇了短信息和 GPRS兩種無線傳輸方式后，無線通信模塊選用了 ETPPro229Ai型無線通信模塊。該模塊與普通GPRS無線通信模塊的區別是內嵌 了 TCP/IP協議棧。無需在使用無線通信模塊的微控制器中嵌入 TCP/IP協議，免 去在這部分復雜和繁瑣開發工作。 同時簡化了接口設計和外部伺服電路， 更適合 丁惡劣的工業現場。采用通用接口可方便實現 RS-23

36、2,使用AT指令交互即可提 供短信息通信，語音通信和數據通信。2.7軟件設計2.7.1模塊軟件設計單片機應用系統的軟件設計既要有各種計算程序設計，還要結合具體的硬件電路 進行各種輸出程序設計。軟件設計必須在硬件、軟件功能劃分的基礎上進行。本系統軟件采用模塊化的設計方法，其結構如圖 2-8所示：圖2.4系統軟件結構圖本監測系統的軟件設計采用MSP430匯編語言，由丁系統軟件需要實現多信號采 樣計算、通信、顯示、響應外部中斷等多種功能，且各方面的實時性要求很高， 合理地安排各個軟件模塊的相互關系對系統的穩定性至關重要，因此，在軟件設計時，充分借鑒已經有嵌入式實時操作系統的思想，設計了實時多任務的調

37、度機制。該任務調度機制給不同任務以不同的優先等級，優先級高的程序具有中止低級優先級程序的權限；反之則無，使重要的任務能及時的執行，提高系統的可靠 性、安全性。軟件主程序流程如圖2-9所示，具體的執行流程是：先進行系統的 自檢和初始化，以確定系統能夠正常工作， 初始化包括各寄存器的初始化、 始終 芯片的初始化，并取出非易失性存儲器中的閥值數據。隨后根據任務調度程序所 給的優先級，主程序進入相應的模塊處理程序。2.7.2基站系統手機短信作為一種使用方便、費用低廉的即時通訊方式，在眾多通信手段中 脫穎而出，得到越來越多廣泛的應用。 在許多商業和工業級短信應用中， 均要求 短信收發設備非常可靠，發送速

38、度快， 能夠適應長期不問斷工作，而普通手機的 工作方式則難以滿足要求。FT35A GSM專門針對短信應用設計，內嵌西門子工業級TC35模塊，簡化了 通信接口，性能穩定可靠，符合各種商業和工業級短信應用要求，適用丁各行各業，各個領域作無線數據通信，短信息通告，短信查詢等應用，您可以完全放心 地將它集成到您的軟件系統中。2.7.2.1短信終端設備特點1. 極高的信號靈敏度采用西門子工業級TC35模塊，配合獨特的天線信號增強技術，保證了極高 的信號靈敏度，即使在金屆機箱內也能穩定工作。2. 兼容性好與現有西門子TC35T GSM MODEM/WaveCom GSM MODEM 兼容，支持標 準GSM

39、申口 AT命令集。3. 使用方便配套5V電源適配器,GSM增強天線,SIM卡接口，申口數據線，本產 品充分考慮廣大用戶使用習慣，簡便易用，外形美觀大方。2.7.2.2基站系統的功能：1. 收集各采集終端單元上送數據2. 將報警信息發送到相關人員的手機上3. 向各局中心數據庫導入數據4. 接受“絕緣子在線監測中心”的 GPS校時5. 向“絕緣子在線監測中心”以 GPRS方式發送數據6. 提供系統的遠程維護、監測通道2.7.2.3 GSM網絡數據遠程通訊利用GSM網絡的短信功能，中央數據采集控制單元存儲滿一條短信時將數 據主動上送，從而降低了系統的運行費用。同時系統還將專家分析系統發出的請 求數據

40、實時、準確地發送到數據采集終端。目前國內 GSM網絡在全國的覆蓋率21西安工程大學本科畢業設計（論文）已達到95%以上，而且隨著經濟的發展、技術的進步，GSM網絡的覆蓋率將會不斷提高。GSM網絡在高壓線周圍具有很強的抗電磁干擾特性。系統采用數據壓縮技 術來減少實際數據傳輸量；采用具有糾錯功能的數據編碼方式來減小誤碼的影 響；采用路由探測技術來選擇合適的數據群發時間，對數據進行動態修正。系統同時還采用了大量措施來提高數據的傳輸效率、速度和可靠性。數據通訊系統采用“中國移動”、“中國聯通” GSM網絡的短信功能。系統 選用西門子工業級通訊模塊。可以在高壓線周圍具有很強的抗電磁干擾特性，能夠保證信號

41、的正常傳輸。解決了高壓輸電線路在線監測的通訊問題。系統利用GSM網絡的短消息業務進行數據通訊，GSM通訊分為兩種方式： 主動上送，系統存儲滿一條短信內容時將數據主動上送信息中心，系統有報警、閃絡時將數據主動上送信息中心的功能。操作人員可在需要時主動請求監測數據、校時、修改配置等。2.7.2.4通訊協議通訊協議是通訊雙方共同遵守的約定， 協議的制定應考慮能方便可靠的進行 數據的收發操作。在指定的協議中，對丁前端機來說。必需能處理以下一些問題： 通信中，前端機可以識別外部傳來的附加在命令之上的數據； 通信中，前端機應該能夠識別無效指令； 多機情況下，前端機能夠辨別本條命令是傳送給本機的，還是給其他

42、前端機的； 通信中，前端機應能處理一些通信錯誤，并對錯誤做出相應的處理。因此，在通信協議中，至少應包含以下幾個部分的內容： 命令部分：指定每次通信需要完成的工作； 數據部分：指定每條命令所附加的數據信息； 編號部分：在多機通信中，必需為每一個前端機設定一個地址編號。 有了編號 部分，在通信時，前端機就能只響應上位機發給自己的命令； 錯誤檢測部分：在通信過程中，可能會有通信錯誤發生。為了檢測到通信錯誤， 可以使用硬件的方法，比如在信息中加入奇偶校驗；也可以使用的軟件的方法， 比較簡單也比較流行的方法是，給每次通信的信息中，加入一個字節的校驗和，發送時，發送方將待發送數據的有效部分相加起來，生成一

43、個校驗和；接收時，接收方做同樣的工作，然后比較校驗和， 如果相同則認定本次通信有效，否則認為通信中出現了錯誤，接收方可以返回一個錯誤編號，請求發送方重發。因為前端機工作在強電磁環境中，因此在軟件中加入校驗和是十分必要的； 區分一幀信息：一幀信息表示在通信時傳送一條有效指令所具有的所有信息。在實際的通信過程中，通信雙方應有確定一次通信的機制， 否則在連續的通信的 過程中，接收方將無法確定每次通信的起始和終止部分，當然也就無法確定它所 收到的是一次通信的內容還是幾次通信的內容。 這就要求通信協議應有區分幀的 能力。一個較為實用的方法是給每幀數據加上幀頭和幀尾。本協議中所有的命令 與數據信息均包括幀

44、頭和幀尾。2.7.3后臺軟件系統專家分析系統軟件包括：A、應用軟件：絕緣子在線監測系統 2.01;B、操作系統： WindowsXP、WindowsNT > Windows2000 等；C、數據庫：Microsoft SQL server200O,可方便的與 Sybase Oracle!大型數據進 行無縫連接。專家分析系統是本系統的重要組成模塊，分別有：線路、桿塔、絕緣子檔案 的建立；操作員檔案管理；系統參數建立；泄漏電流值、脈沖頻次等的圖表及曲 線查詢；溫度、濕度查詢；報警、閃絡查詢；同塔各絕緣子申同溫度、同濕度泄 漏電流比較；各桿塔絕緣子申在不同時期的最大值； 不同線路絕緣子申之間同

45、時 期泄漏電流的比較。最重要的是：它根據所測泄漏電流及氣象參數，利用趨勢分析技術，可以模 擬的分析出污穢等值附鹽密度及污穢發展趨勢，反映線路絕緣子的積污狀況。通過監測某一地區絕緣子積污的速度來估算該區域的鹽密（劃分污區），同時與歷史數據對比，指導檢修或發出預警信號。23西安工程大學本科畢業設計（論文） 第3章現場信號采集3.1數據采集終端數據采集終端（前端機）由太陽能電池、數據閃爍存儲器、14位微處理器、14位A/D轉換器，泄漏電流傳感器、溫濕度傳感器、無線通訊模塊接口、太陽 能電池板、充電電路、分機軟件以及其他配套電路構成。數據采集終端功能：1、采集泄漏電流、脈沖電流、溫度、濕度等參數。2、

46、以無線接力、GSM/SMS網絡等方式與基站系統進行數據通訊。3.1.1泄漏電流采集器因輸電線路絕緣子工作在強電場環境下， 而正常絕緣子的泄漏電流在幾毫安 以下，而多由微處理器為主體的數據采集單元易受到強電磁輻射、雷電沖擊、高頻噪聲和諧波干擾的影響，引起可靠性降低，誤動作等后果。目前的檢測技術大多是將電流互感器放在最后一片絕緣子上方的球頭處，但存在屏蔽性弱、抗干擾能力差、不能帶電作業、安裝麻煩、造成一片絕緣子的短路。本文采用方法如下：在高壓線路絕緣子申靠近桿塔一側的絕緣子上加裝一個 FYJLH-041型集流環，集流環收集電流信號通過屏蔽電纜后經桿塔入地。為提高故障判斷的準確性，本系統中采用泄漏電

47、流和脈沖電流兩個傳感器并采用穿芯式 結構，套在屏蔽電纜芯線上，安裝丁前臺單元的屏蔽箱內。整個檢測裝置均置丁 屏蔽箱中，固定丁線路桿塔上。泄漏電流采集器采用優質 ABS工程塑料或尼龍和特殊結構設計，具有耐老 化、耐腐蝕、抗變形的功能。由丁泄漏電流安裝在靠近鐵塔側的最后一片絕緣子表面， 它離絕緣子的鋼帽 只有1-2cm,能采集到絕緣子申中幾乎全部的泄漏電流， 而且不影響絕緣子的絕緣 性能和線路安全運行。泄漏電流采集器采用多層屏蔽技術，將各個傳感器和主電子線路分別置丁獨 立的屏蔽盒中，既解決了系統的抗干擾問題，乂起到了防富、防滲、防潮、耐低 溫等作用。把耐高溫、耐老化的特制互感器置丁獨立的殼體內有效

48、地解決了互感 器對線路板的干擾。#西安工程大學本科畢業設計（論文）米集電路循環米集各路絕緣子申上的泄漏電流， 米集頻率根據環境溫度、濕 度與信號值變化情況實時調整。溫度較大或信號變化急劇時,提高采樣頻率以捕 捉瞬變信號，反之則降低采樣頻率以減小功耗。前臺系統主要采集線路上 ABC三相絕緣子申的泄漏電流有效值、泄漏電流 峰值、泄漏電流脈沖頻度、電暈電流和溫濕度等數據。由丁電流傳感器輸出信號 十分微弱，在確保抗干擾措施的前提下，必須對信號米取放大，濾波等措施。該 系統中采樣信號進入微處理系統, 先濾波和限幅，再由數字信號處理器控制進入 信號放大環節，根據輸入信號幅值對其進行相應倍數的放大。 然后由

49、14位的A/D 對這幾路信號分別進行高速采樣，計算相應周期內的電暈電流、泄漏電流有效值、 泄漏電流峰值、并統計泄漏電流脈沖頻度。系統還要實時監測環境溫度、濕度， 并從定性的角度來檢測雷擊的發生。采集后的信號都存儲在前臺存儲單元中。3.1.2數據采集設計1.軟件設計數據采集主要是完成由 ADC轉換過來的數據，并對這些數據進行處理。主 要的采集量是泄漏電流。采用的14位ADC ,最大采樣率為500KSPS,可以同時對這些信號進行處理。 A/D轉換器頻率fA/D = fplck /(N1)其中，為fplck為PLCK的頻率，N為預分頻器值。轉換時間tA/ D =1/(fA/D / M )其中，fA/

50、D為PLCK的頻率,M為每周期采樣點數根據香農采樣定律，采樣頻率必須大丁基波頻率的2倍，對泄漏電流工頻分量，每周期采樣32點，采樣率定為1.6k;對泄漏電流高頻分量，每周期采樣 32 點，按ADC最高采樣頻率計算，采樣率為78.125k。為了與低頻采樣公用一個定 時器，選擇泄漏電流高頻分量采樣率為 1.6k*45=72k ,這樣用16位的PWM定時 器Timeo來產生中斷，這樣對每45次中斷對低頻分量采樣1次，每次中斷對高 頻分量采樣1次。采樣完畢后即可對低頻部分 FFT變換，對高頻部分脈沖計數， 其中NAND Flash可滿足對大容量歷史數據的存儲。根據系統所要完成的功能，編寫部分任務流程如

51、圖3.1所示。經由A/D轉換得到的數據先放在一個數據組中， 待需要時另行處理，這樣做是問了滿足高速的數據處理，不占用過多的資源，轉而在系統比較空閑的時候進行數據計算，合理安排有限資源。L 血 ACXXOHfr NQ -碼FLG 抑一 i 11諄樣YES心琨椅隹*htn齊EHflt神區情富我圍網區VES r" , I最小中斷圖3.1數據采集模塊程序流程2.系統功能需要對與系統的幾個功能，我們分別按執行復雜度、實時性、重要性做出評價，如表示：任務列表復雜度需要執行/監測時間實時性重要性電源管理中一直低高采集微氣候低10分/次低低泄露電流米集高間隔30分（或更長）（依賴環境）中中閃絡/雷擊

52、報警低一直高高數據存儲高隨電流電壓圖片任務執行高高數據傳輸高10次/天（按后臺設定）中高表1-1系統任務分析按上表分析，可將任務分解為如下：電源管理和微氣候以及閃絡/雷擊報警任 務由主單片機完成，這些任務實時性不高，并且任務執行并不復雜， 一個簡單的 單片機完全可以完成。根據這些條件啟動泄漏電流；泄漏電流， 數據存儲和傳輸任務執行比較復雜，適合由 ARM來完成。如圖示：通訊任務泄露電流采集任務報警處理串口打印調試數據存儲數據傳輸ARM圖3.2輸電線路狀態在線監測系統功能框圖3.2電流傳感器的設計與實現3.2.1概述信號的拾取是整個在線監測系統非常重要的組成部分，他從信號源一級保證 了帶電在線絕

53、緣介質的精確測量，擔負著信號獲取、轉換的任務，因此，零磁通 傳感器時本絕緣在線監測系統的核心組成部分。一般的傳感器時直接申聯接入設 備末屏的，這樣有可能造成設備末屏接地或接地線開路，危及設備的安全運行， 比如避雷器設備就不允許在接地線上申接任何阻抗元件。另外一方面,由丁傳感 器安置在一次設備上，處丁強電磁干擾環境下， 同時乂受到溫度、濕度等外界環 境的影響，這些因素都會影響信號的采集， 造成系統測量精度的不穩。而對丁零 磁通傳感器，有效地解決了在線監測系統對信號傳感器的要求， 其電流測量范圍 為10mA10A,在要求的范圍內有著良好的線性度。圖3.3電流傳感器組成框圖高壓設備泄露電流一般很小，

54、mA級的泄露電流要求傳感器磁芯必須采用高 導磁率材料制造，如坡墨合金、非晶態合金。一般傳感器采用普通互感器原理， 傳感器工作在磁滯回線上很短的一個區域， 這個區域可以近似為一條斜線，它們 極易受材料內應力以及溫度的影響，造成磁滯回線變化，測試數據極不穩定，零磁通傳感器時由一個。型線圈、一個I/V變換器和一組放大器組成。結構如上圖 示，原邊線圈流過電流i時，在磁環內產生一個磁通 B,檢測線圈檢測到該磁通 后，便控制電流源向補償線圈中提供一個補償電流，其產生的磁場大小與B相同，而方向相反，與 B相抵消。若抵消不完全，則剩余的磁通會被檢測線圈檢 測到，進一步調節補償電流的大小和方向。這是一個典型的自

55、動負反饋系統，其 最終平衡點是補償后磁環中的磁通為零（故稱為零磁通傳感器），此時經I/V變換后u=ki。此傳感器的關鍵在丁整個傳感器工作在磁通為零的這個工作點，而不像傳統傳感器工作在一條磁滯回線上，所以避免了傳感器的特性隨溫度漂移、非 線性不好等缺點。27西安工程大學本科畢業設計(論文)3.2.2電流傳感器的電路圖圖3.4電流傳感器的電路原理圖(1) 檢測線圈來的電流信號經過 U2放大電路產生一個反饋線圈電流，這個電 流通過反饋線圈產生反響磁力線來抵消原有磁力線。(2) U1、U3組成檢測信號放大電路，通過對流經反饋線圈的電流信號進行I/V轉換、信號放大，得到檢測信號，經過接插件J1的3腳至總

56、線控制器。3.2.3電流傳感器的結構設計電流傳感器由三部分組成：(1) 電流互感器選用坡莫合金作為次新材料，它具有高導磁率、線性度好、穩定度好、穩定性好 等優點。其內徑=25mm外徑=32mm(2) I/V變換器電路板物理尺寸=98*54mm(3) I/V變換器屏蔽殼屏蔽殼采用流線型結構設計，材料選用鋼制鋁合金。其長度=180mm 寬度=110mm高度=52mm(4) 物理引線電流傳感器與信號控制器的連線有四根：+12V、-12V、底線、信號線等。 傳感器有一個或三個引線孔，根據設備的相序和安裝方式選擇。集流環的選擇FYJLH-041型集流環技術參數：工作電壓0240VDC/380VAC ;最高耐壓1000 VDC;最大工作電流5A;最大工作轉速250轉/