果翔 遼寧維航基業(yè)科技有限公司

一、引言

隨著我們國家的工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和人們生活水平的逐漸提高[1]，電力業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)之一，取得了迅猛的發(fā)展。電力系統(tǒng)的高速度大規(guī)模的發(fā)展為我國國民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步增長提供了可靠的保障，與此同時(shí)我國電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行也面臨一些必須認(rèn)真考慮、妥善解決的問題，所以準(zhǔn)確測量電力系統(tǒng)設(shè)備的工作參數(shù)已成為電力系統(tǒng)必須面對的一個(gè)重要問題。

線路用絕緣子是輸電線路的主要絕緣支撐部件，其運(yùn)行使用壽命、可靠性、維護(hù)工作量均為絕緣子選擇時(shí)所需要綜合考慮的主要因素。輸電線路用絕緣子應(yīng)朝著高可靠性、高污耐壓、機(jī)電破壞值分散性小的方向發(fā)展。

二、絕緣子直流絕緣電阻測量系統(tǒng)背景介紹

（一）絕緣子簡介

絕緣子是將導(dǎo)線絕緣的固定和懸吊在桿塔上的電器元件。一般由絕緣體（如瓷件、玻璃鋼）和金屬附件（如鋼腳、鐵帽等）等部分構(gòu)成。在電力系統(tǒng)工程中，絕緣子的應(yīng)用很廣，它一般在大氣條件下工作，屬于外絕緣設(shè)備。架空輸電線路、發(fā)電廠和變電所的母線和各種電氣設(shè)備的外部帶電導(dǎo)體均須用絕緣子支持，并使之與大地（或接地物）或其他電電位差的異體絕緣[2]。線路絕緣子在輸配電線路中起到固定導(dǎo)線的作用，據(jù)此按其結(jié)構(gòu)不同分為針式、懸式和橫擔(dān)式三類。在架空線路所用絕緣子中，我們常用的絕緣子有針式絕緣子、蝶式絕緣子、懸式絕緣子、瓷橫擔(dān)、棒式絕緣子和拉緊絕緣子等。另一方面，依絕緣子的材質(zhì)分類，有瓷質(zhì)絕緣子，玻璃鋼絕緣子和復(fù)合絕緣子[3]。

（二）測量方法

在經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研和與客戶溝通后，決定采用絕緣電阻法，其原理是：將待測絕緣子放入加熱箱加熱至120℃并保持恒溫，緩慢調(diào)壓至30KV，待穩(wěn)定后開始測量電壓和電流信號(hào)。通過人機(jī)界面進(jìn)行測量通道、精度等設(shè)定，完成濾波和在線測量，實(shí)時(shí)顯示待測絕緣子阻值。

三、硬件部分設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)概述

本系統(tǒng)采用ZGF-60型便攜式直流高壓發(fā)生器產(chǎn)生0～30KV高壓直流電壓。將此高壓加在串聯(lián)的待測電阻和測量電阻上，通過測量測量電阻上的電壓，通過分壓計(jì)算來推算出待測電阻的阻值。測量電阻電壓由測量模塊測得，經(jīng)過通信模塊傳入上位機(jī)，上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和處理后存入上位機(jī)內(nèi)或者通過打印機(jī)打印，見圖1。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)Fig. 1 System Hardware Design

所實(shí)現(xiàn)的主要功能和性能如下：

1.利用變壓以及倍壓整流技術(shù)用于產(chǎn)生0～30KV直流連續(xù)可調(diào)電壓，并且具有過壓和過流保護(hù)；

2.實(shí)現(xiàn)檔位切換功能，在測量不同大小阻值的絕緣子阻值時(shí)，可以切換到不同的檔位；

3.完成微機(jī)顯示、錄入數(shù)據(jù)庫等人機(jī)界面功能，實(shí)現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換，高壓和低壓兩部分之間的連接安全可靠，并且不影響測量；

4.測試時(shí)電流的檔位是0～1000nA和1μA～200μA。

（二）絕緣子電阻測量方法

本系統(tǒng)使用的高壓發(fā)生器為大連理工大學(xué)研發(fā)的ZGF-60型便攜式直流高壓發(fā)生器。。

圖2中，Rx為待測電阻，在測量Rx時(shí)，所需直流高壓電源輸出一個(gè)已知的穩(wěn)定的直流高壓，隨著Rx的不同，串聯(lián)電阻Rstd會(huì)線性分得不同的電壓，通過采樣、換算Rstd上的電壓、便可以的到被測電阻Rx的阻值。依據(jù)分壓關(guān)系，我們可以得到：

其中，V1為高壓發(fā)生器產(chǎn)生的電壓，V2為測得的電壓。

在在測得電壓信號(hào)后，由PEC8000型PLC把數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)。

四、絕緣子特性分析及軟件部分設(shè)計(jì)

（一）絕緣子特性

在對絕緣子的特性進(jìn)行分析后，得出絕緣子本身具有容性負(fù)載特性。直流線路所用瓷質(zhì)絕緣子的電介質(zhì)瓷是中性固體電介質(zhì)，其極化主要是電子位移極化和離子位移極化，他們是無損的或者幾乎是無損的；氣體電介質(zhì)的極化率很小。因此，瓷質(zhì)絕緣子的等效電路可以化簡為R1與Cg的并聯(lián)，如圖3所示。

圖3 簡化等效電路Fig. 3 Simplify Equivalent Circuit

（二）濾波算法

由于絕緣子具有容性負(fù)載特性，以及高壓直流電源提供的50Hz電壓會(huì)有高次諧波干擾，所以本文對一階滯后濾波法、數(shù)字低通濾波器濾波法、和把均值濾波與限幅濾波結(jié)合的均值限幅濾波法三種方法進(jìn)行了比較[5]。

在真值為8.5453e-5的測試條件下，經(jīng)過三種方法處理后的結(jié)果對比表1[6]。由表中數(shù)據(jù)可以清楚的看到，均值限幅濾波法無論在結(jié)果還是標(biāo)準(zhǔn)差上都優(yōu)于其他兩種方法，因此選用此方法。

表1 三種方法處理后的結(jié)果對比Tab. 1 Comparison of results by three methods

（三）人機(jī)界面設(shè)計(jì)

在啟動(dòng)測量軟件進(jìn)行絕緣子直流絕緣電阻測量之前，按相關(guān)的絕緣子測量操作規(guī)程將待測絕緣子置入保溫箱，升溫至要求溫度后啟動(dòng)測量軟件。圖5所示為主頁面，可以設(shè)置測試次數(shù)、試樣、精度等參數(shù)并實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)。通過主頁面下方的幾個(gè)按鈕可以進(jìn)入其他頁面，包括產(chǎn)品型號(hào)管理頁面，數(shù)據(jù)管理頁面，歷史參考頁面。

圖4 測量頁面Fig. 4 Measurement Page

（四）數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

按照結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法，數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的步驟包括：需求分析、概念設(shè)計(jì)、邏輯設(shè)計(jì)、物理設(shè)計(jì)、實(shí)施與測試、運(yùn)行維護(hù)等幾個(gè)階段。與此同時(shí)，可進(jìn)行系統(tǒng)程序的開發(fā)設(shè)計(jì)。

首先進(jìn)行系統(tǒng)的需求分析。我們需要建立一個(gè)簡單的數(shù)據(jù)庫，它的內(nèi)容包括產(chǎn)品型號(hào)、測試溫度、電壓幅值、電流強(qiáng)度、電阻阻值、式樣型號(hào)等。同時(shí)對數(shù)據(jù)庫能夠進(jìn)保存、查找、添加、刪除等基本操作，并且能夠與VB進(jìn)行良好地進(jìn)行交互和操作[8]。

圖7 ER實(shí)體模型Fig. 7 ER Solid Model

五、結(jié)論

本文給出了絕緣子直流絕緣電阻測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研設(shè)計(jì)了合理的測量方法和硬件裝置，開發(fā)了易于操作、功能完善的人機(jī)界面，使每組產(chǎn)品測量時(shí)間間隔縮短，提高了工作效率。系統(tǒng)經(jīng)現(xiàn)場安裝調(diào)試后，運(yùn)行穩(wěn)定，得到客戶的認(rèn)可和好評(píng)。

致謝：

感謝我的導(dǎo)師楊建華教授在我學(xué)習(xí)和工作上的悉心指導(dǎo)和幫助。