（高电压与绝缘技术专业论文）在线测量瓷质低零值绝缘子阻值装置的研究.pdf

! e ； i i l r 声明尸明 叭吣 1 删0 燃5 0 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文在线测量瓷质低零值绝缘子阻值装置 的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 名：盈 固殳 口 墨 查一 名 期 签 再p 崛” 导 日 ! l 华北电力大学硕士学位论文 摘要 输电线路绝缘子是使用量庞大并且非常重要的电力设备，准确、方便、快捷经济的 在线检测出绝缘子串中的低零值绝缘子对于电力系统的安全稳定运行有着重要的意义。 针对目前的一些检测绝缘子的方法存在准确度不高，操作复杂、检测器材笨重昂贵、 检测结果不直观等问题，本论文首先通过仿真软件验证了检测原理的可行性，并设计一 种可以在线检测瓷质绝缘子低零值的装置。通过此检测装置可以有效的检测出低值和零 值绝缘子，并通过无线数传系统实时显示出测量的绝缘子阻值数据，还可以把检测结果 数据回放和备份。论文最后通过具体实验验证了检测仪的可行性，并通过检测机构出具 了权威的检测报告。 关键词：绝缘子，在线检测，旁路电容，无线传输 a b s t r a c t t r a n s m i s s i o nl i n ei n s u l a t o r sa l ea l a r g e m o u n to f i m p o r t a n t e l e c t r i c a l e q u i p m e n t s t h e r e f o r e ，o n l i n ed e t e c t i n gt h el o w - v a l u ei n s u l a t o r sa c c u r a t e l ya n de c o n o m i c a l l y p l a y sav i t a lr o l ef o rs e c u i t ya n ds t a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m f o rs o m ec u r r e n tm e t h o d so fd e t e c t i n gt h ei n s u l a t o r s ，t l l e yh a v es o m ed i s a d v a n t a g e ss u c h a s ：t h er e s u l t sa r en o tp r e c i s e ，t h eo p e r a t i o ni ss oc o m p l e x f i r s to fa l l ，t h ep a p e rd i ds o m e s i m u l a t i o na n a l y s i sf o rt h ek e yt e c h n o l o g yo ft h ed e t e c t o ra n dt h e nan o v e lf a u l t yo n l i n e i n s u l a t o rd e t e c t o ri sd e s i g n e d b yu s i n gt h ed e v i c e ，t h el o w v a l u ei n s u l a t o r sc a nb et e s t e d e f f e c t i v d y t h ed e v i c ec a ns e n dt h er e s i s t a n c ed a t at h r o u g ht h ew i r e l e s sd a t a - t r a n s m i s s i o n s y s t e ma n dr e a l i z e st h er e a l - t i m ed a t ad i s p l a ya n ds t o r a g eb yu s i n gc o m p u t e r , a l s oi te n a b l e s t h ed e t e c t o rt oh a v es o m ei n t e l l i g e n c e a tl a s t ，t h ed e t a i lr e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t ss h o w st h a t t h ef u n t i o no ft h ed e t e c t o rc a nb eav e r yg o o di m p l e m e n t a t i o n a tt h es a m et i m e ，a n a u t h o r i t a t i v et e s tr e p o r tw a si s s u e db yt h et e s t i n go r g a n i z a t i o n w u s o n g ( h i g hv o l t a g ea n di n s u l a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db y p r o f l iw e i g u o k e yw o r d s ：i n s u l a t o r , o n - l i n ed e t e c t i o n , b y p a s sc a p a c i t y ，w i r e l e s st r a n s m i s s i o n 华北电力大学硕士学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言1 1 1 本课题研究的背景1 1 2 出现劣化绝缘子的原因2 1 2 1 制造过程中产生的问题2 1 2 2 绝缘子运行过程中产生的问题3 1 2 3 绝缘子老化问题3 1 3 国内外低零值绝缘子检测方法综述3 1 3 1 非接触式检测法3 1 3 2 接触式检测法5 1 4 本项目的研究意义和论文所做的工作6 1 4 1 整体项目介绍6 1 4 2 本论文研究工作介绍8 第二章本检测仪检零原理及理论依据j 9 2 1 对绝缘子串电压与电场分布的研究9 2 1 1 利用差分方程分析绝缘子电压的分布9 2 1 2 计算结果分析1 0 2 2 检测仪测量的基本原理1 l 2 2 1 绝缘子是否劣化的判定原则1 1 2 2 2 检测仪原理概述1 2 2 3 系统关键问题分析1 2 第三章绝缘子检测过程仿真1 4 3 1 仿真软件e w b 简介1 4 3 2 仿真模型的建立1 4 3 2 1 带电绝缘子仿真模型的建立1 4 3 2 2 检测系统仿真模型的建立1 5 3 2 3 检测系统工作过程仿真分析1 6 3 3 仿真结果与总结1 8 第四章系统硬件模块设计2 0 4 1 对检测仪的硬件的要求2 0 4 2 检测仪的硬件模块组成2 0 4 2 1 中央处理模块2 2 4 2 2 电源模块2 4 4 2 3 直流升压系统2 5 4 2 4 信号采集设计2 8 4 2 5 低零值报警系统3 0 4 2 6 无线通讯模块3 1 i i 华北电力大学硕士学位论文 4 2 7 绝缘子检测臂的研制3 6 4 2 8 地面站计算机3 6 4 3 硬件抗干扰设计3 7 4 3 1 干扰源的分类3 7 4 3 2p c b 板的抗干扰设计3 7 4 3 3 检测仪的抗干扰屏蔽技术3 8 4 4 本章小结3 8 第五章绝缘子检测仪软件部分的设计开发3 9 5 1 检测端软件系统要求3 9 5 2 软件系统开发平台3 9 5 3 检测系统软件开发3 9 5 3 1 系统软件流程图3 9 5 3 2 程序整体介绍4 0 5 3 3 测量数据的校准4 2 5 4 地面站接收端软件的设计4 2 5 5 软件抗干扰设计4 3 5 5 1 软件抗干扰的前提4 3 5 5 2 软件抗干扰的措施4 3 5 6 无线通信协议和抗干扰研究4 4 5 6 1 无线数传芯片寄存器配置4 4 5 6 2 串口通信帧格式4 5 5 6 3 无线通信模块软件抗干扰设计4 5 第六章实测结果与讨论分析4 6 6 1 不带电检测大电阻试验4 6 6 2 检测绝缘子实验4 6 6 2 1 检测环境条件4 6 6 2 2 不带电检测零值绝缘子4 6 6 2 3 带电检测零值绝缘子4 6 6 3 误差分析4 8 6 4 无线传输模块测试4 8 第七章总结与展望4 9 7 1 小结4 9 7 2 需要改进和不足4 9 7 3 相关研究展望4 9 参考文献5 0 致谢5 3 附录1 一华北电力科学研究院检测报告：5 4 在学校期间发表的学术论文和参加科研情况5 8 华北电力大学硕士学位论文 1 1 本课题研究的背景 第一章引言 近年来，随着我国工农业的发展和人们生活水平的提高，作为国民经济的基础之一， 电力行业取得了迅猛的发展。因此，电力需求的增长、电力系统装机容量和电力设备的 扩充和输电线路电压等级的不断提高是不容置疑的。电力系统的送配电安全性和可靠性 越来越受到电力科研人员的关注。 在电力系统和设备中，绝缘子是使用量巨大并且极其重要的电力设备。它的用途是 将电位不同的导体在机械上相互连接，而在电气上相互绝缘。目前在国内架空输电线路 上绝缘子按结构形式分有盘型悬式和棒型悬式两大类；而按电介质材料分常用的有三种 绝缘子瓷质绝缘子、钢化玻璃绝缘子和有机复合绝缘子。本论文的研究对象主要是 输电线上的瓷质悬式绝缘子。瓷质悬式绝缘子在我国是最早使用，也是目前应用广泛的 一种绝缘子，具有良好的绝缘性能、抗气候变化的性能以及耐热性等，还具有爬距有效 系数大，制造工艺简单，成本低等优点n 删。虽然现在输电线路也越来越广泛使用玻璃绝 缘子和合成绝缘子，但是瓷质绝缘子还是短期内无法完全替代的。 据统计，绝缘子故障占输电线路所有故障的首位h 1 。在长期的运行中，绝缘子会受 到雷击、污秽、鸟害、冰雪、高温、温差等环境因素的影响，在电气上要承受强电场、 雷电冲击电流、工频电弧电流的作用，在机械上要承受长期工作荷载、综合荷载、导线 舞动等机械力的作用。当瓷件的颈部存在微气孔等缺陷，或在运行中出现裂纹时，有可 能将瓷件击穿，出现零值绝缘子，绝缘子出现故障的几率很大，严重威胁电力系统的安 全运行。绝缘子一旦出现低零值缺陷，就必须尽快更换。文献 5 中提到这样一组数据： 1 9 8 6 年6 月至1 9 9 6 年8 月的十年期间，福建省2 2 0 k v 线路发生绝缘子断串掉线事故1 6 起共2 0 串，其中在1 9 9 0 年6 月至1 9 9 2 年3 月不到2 年内，断串竟达1 1 串之多。统计 表明，在断串的2 0 串中，除一串因绝缘子胶装不良，运行中铁帽自行脱出而断串外， 其余1 9 串皆因雷击闪络或污闪时串中的劣质绝缘子被电击穿后，炸碎瓷件头部并使铁 帽炸裂，导致绝缘子铁帽与钢脚分离而断串。 当绝缘子串中存在低值或零值绝缘子时，在污秽环境、过电压甚至工作电压用下就 极易发生闪络事故。当雷电过电压作用于零值绝缘子时，零值绝缘子被完全击穿，强大的 雷电流及工频续流从零值绝缘子头部的瓷件缝隙流过，将引起零值绝缘子过热炸开。零 值绝缘子是造成输电线路重大事故的隐患。 电力系统中运行的绝缘子数量多，分布广，在成千上万的运行绝缘子中，只要某一 串有一片绝缘子发生炸裂脱落或劣化绝缘子数超过规定的允许数而发生闪络，都会导致 事故。因此，绝缘子故障诊断是一项重要课题，多年来一直受到人们的重视。必须对输 华北电力大学硕士学位论文 电线路进行定期巡视检查，随时掌握和了解输电线路的运行情况以及线路周围环境和线 路保护区的变化情况，以便及时发现和消除隐患，预防事故的发生，确保供电安全。 我国1 9 8 1 年第一批投产之一的某5 0 0 k v 线路，由于当时带电测零的工具尚未得到 解决，在1 9 8 4 年7 月对该线7 5 0 0 0 只绝缘子进行高空停电绝缘摇测，所花的人工和时 间是可想而知的h 1 。低值、零值绝缘子的方法主要还是依靠人工登杆逐片检测，属于高 空作业或高空带电作业，受环境影响大且危险性和劳动强度非常大。我国目前1l o k v 以 上的电力线路近九十万公里，数量巨大，这样的作业平均一到两年要进行一次。有些地 区的甚至每年要进行多次巡线作业。采用复合材料绝缘子可以避免零值问题，但由于线 路绝缘子数量巨大，在相当长的时间内还无法全部替换。正是由于此项作业的高危险性 和高劳动强度，国内外均开展了大量研究，以减少作业量。国内外一直在努力探索绝缘 子的在线检测方法，并取得了一定得成就。寻找一种经济、切实有效的绝缘子在线检测 方法一直是国内外电力部门亟待解决的问题。 1 2 出现劣化绝缘子的原因 悬式绝缘子一般是由钢帽、钢脚等金具和绝缘介质、填充物等几部分组成。绝缘子 在线运行一定年限后，因各种因素的影响必然会出现劣化，进而造成绝缘子的绝缘性能 的丧失，出现低零值情况或者自爆。综合分析并参考文献 6 得知，造成绝缘子劣化、 出现低零值的原因主要有以下几个方面： 1 2 1 制造过程中产生的问题 绝缘子的制造是一个工序接着一个工序的过程，制造中的每一个环节对产品的质量 和性能都有着重要的影响。陶瓷绝缘子的制造工艺一般由制粉( 机械制粉、气相反应、 固相反应、热分解) 、成型( 干压成型、注浆成型、静压成型) 、烧结( 高温等静压烧结、 反应烧结、微波烧结等) 和机加工等工序组成，在不同的工序中都可能引入缺陷，如表 1 1 所示。 表1 1 陶瓷材料在制备过程中可能引入的缺陷 工序 可能引入的缺陷 材料制备晶粒尺寸的分布不均匀、结块、 夹杂物、成分分布不均、晶体缺陷 成型 组织混合不均、夹杂物、分层裂纹、 微空隙、孔洞、应力、掉块 烧结密度波动，孔洞，微观组织不均、 裂纹、大晶成长、应力结块 机加工 应力、表面缺陷 2 华北电力大学硕士学位论文 1 2 2 绝缘子运行过程中产生的问题 运行中的绝缘子由于受到外界各种因素的影响，会逐渐出现绝缘水平降低的老化现 象。对瓷质绝缘子来说，就是指其绝缘性能降低到零或者绝缘电阻值很低，通常称之为 零值或者低值绝缘子。 绝缘子在运行过程中，导线承受的风振动力可以通过铁脚直接作用在瓷件上，时间 一长就可能会在瓷件上产生裂纹，造成零值绝缘子的隐患。 雷电过电压作用于正常绝缘子和零值绝缘子的结果是完全不同的。当雷电过电压作 用于正常绝缘子时，由于绝缘子的沿面闪络电压低于其瓷件的固体击穿电压，故有可能 发生绝缘子( 串) 的沿面闪络事故。而当雷电过电压作用于零值绝缘子时，零值绝缘子被 完全击穿，强大的雷电流及工频续流从零值绝缘子头部的瓷件缝隙流过，将引起零值绝 缘子过热炸开。例如，广西2 2 0 k v ) ( n 线曾于1 9 8 1 年4 月1 2 日发生雷电绕击该线路2 3 号杆塔a 相导线的严重事故h 1 。 1 2 3 绝缘子老化问题 绝缘子在长期运行中不可避免地会发生各种物理和化学变化，从而使其电气性能及 机械强度随时间的增加而逐渐劣化，这一现象称为绝缘子的老化。引起绝缘子老化的原 因很多，主要是电的作用、机械力的作用以及周围环境的影响，比如日晒、风吹雨淋及 各种射线的作用等。经常是各种引起老化的因素同时起作用，还常常互相影响和促进， 使老化过程加速。 综上，造成绝缘子劣化的原因是多方面的，为避免低零值绝缘子在电网中继续运行， 减少各种恶性事故的发生，国内外一直在努力探索绝缘子的在线检测方法，并取得了一 定得成就。寻找一种方便经济、准确有效的绝缘子在线检测方法一直是国内外电力部门 亟待解决的问题。 1 3 国内外低零值绝缘子检测方法综述 近年来，国内外不断探索检测零值不良绝缘予的新方法。从绝缘子的劣化特征、劣 化原因的分析中可知，劣化绝缘子在电气性能、局部放电、温度分布等多个方面与良好 绝缘子相比，存在着差异。从这些差异入手，可以得出一系列的劣化绝缘子检测方法， 这些方法主要分为两类：一类是非接触式检测法刮另一类是接触式检测法。 1 3 1 非接触式检测法 主要包括超声波检测法、激光多普勒振动法、红外测温法、电晕摄像机法及无线电 波检测法等。其原理、主要设备及优缺点见表1 2 。 3 华北电力大学硕士学位论文 表1 2 非接触式榆测法 检测方法检测原理概述主要设备优点不足 超声波检 当绝缘子存在裂隙，超超声波发射可以准确的检 对未开裂的绝缘子 测法 声波会在裂隙处发生及接收装置测出开裂的绝 不起作用；需到现 反、折射和模式变换。缘子 场逐个检测并且存 通过对接收到的超声 在一些的不确定因 波进行处理可检测出 素；对检测人员的 劣质绝缘子 素质要求较高n 帕 激光遥测 由一种偏振激光射到待激光发射器检测方法新颖、 设备造价很高，体 扫描绝缘子串，偏振激和接收器安全 积庞大，笨重，操 检测法1 1 1 光通过待扫描绝缘子串 作及维修复杂，不 产生漫反射光，由光电 适用于野外作业； 检测器感应到光强后将 需到现场逐个检测 其转换成电信号进行数 据处理和判断 红外测温 利用绝缘子表面电流引红外热像仪对半导体釉绝 设备造价高；对玻 起的热效应进行测量缘子的检测效 璃绝缘子及普通釉 检测法n 2 1 果明显 的瓷绝缘子检测效 果不明显；环境对 检测效果影响大； 需到现场逐个检测 无线电波不良绝缘子放电发出电 电磁波接收设备简单操作抗干扰能力差、灵 检测法磁波，根据接收电磁波装置 方便敏度低、准确度差； 天线的方向及电磁波的需到现场逐个检测 强度来判断是否存在劣 质绝缘子 电晕摄像不良绝缘子的存在使其 电晕摄像机可以清晰的测对内部放电观察不 机法 他正常绝缘子上的电晕到电晕放电而到；设备造价较高； 现象增强不受阳光辐射需到现场逐个检测 的影响 非接触检测法具有不与被测量物体直接接触、没有高压绝缘问题困扰从而比较安全 的优点，但是在具体运用时，需要外加多种辅助设备，因此检测成本比较高。检测设备 4 华北电力大学硕士学位论文 和被测物体都或多或少会受到外界环境因素的影响，再加上检测设备本身的不完善和使 用过程中人工操作的误差，广泛应用有一定困难。 1 3 2 接触式检测法 接触式检测法按工作原理主要有交流旁路测量电阻法、电压分布法、泄露电流检测 法及脉冲电流检测法等n 朝。 1 3 2 1 交流旁路测量法 文献 1 4 提出日本发明一种自走式不良绝缘子检测器：原理是根据测量绝缘子的绝 缘电阻来判断不良绝缘子。检测时依靠一个高压电容器与被测绝缘子并联连接，使绝缘 子的交流分量旁路，并且在检测器内部向其施加直流电压( 1 0 0 0 v ) ，从而测出直流绝缘 子电阻值，并从该值的大小来判断绝缘子的好坏。优点是可以直接测量绝缘子的阻值， 准确性比较高；缺点是这种测量装置机械结构复杂，容易出现故障，还可能在测量的过 程中容易引起绝缘子串闪，并且使用很原始的磁带记录器来记录被测绝缘子的检测结 果。本检测仪是基于这个检测器的原理并加以优化改进开发出来的，比如改进了直流检 测高压为2 5 0 0 v ；记录检测结果的装置由磁带记录器改为无线传输系统和地面站计算机， 更加方便的保存数据和进行历史回放。 1 3 2 2 电压分布法 经过理论和实践已经证明，正常绝缘子串的电压分布为不完全u 型分布n 5 - 1 8 】，如图 1 1 所示：横坐标表示绝缘子编号，纵坐标表示电压值，即靠近导线处绝缘子所承受电 压最高，而绝缘子串中间部分所承受的电压最低。当存在劣化绝缘子时，绝缘子串上的 电压将重新分布，如把实际测得电压分布与正常时绝缘子串上的电压分布作比较，就可 以判断劣化绝缘子是否存在。目前基于电压分布原理进行绝缘子检测的方法较多。主要 有短路叉法n 钔、火花间隙法嗍、声脉冲检测法等。 u ( k v ) l2n - i i i 绝缘子编号( 从导线坝4 到横担懊j ) 图1 1 绝缘予串电压分布示意图 5 华北电力大学硕士学位论文 短路叉和火花间隙法为代表的绝缘子承担电压检测方法是早期最常用的高压输电 线路零值绝缘子检测方法。火花叉式不良绝缘子检测器由触头、绝缘棒、火花间隙等构 成。检测时，把火花叉的触头逐一接触绝缘子的上下金具，使这片绝缘子上承担的工作 电压加在火花间隙上，引起间隙放电，检测人员依靠火花放电的声音判断绝缘子承担电 压的大小。检测人员必须熟悉正常绝缘子承担电压的大小，逐片检测绝缘子的过程中要 适当调整火花间隙的大小。 火花叉检测2 2 0k v 及以上等级的输电线路绝缘子时，会遇到：绝缘子片数多，离 杆塔较远，检测人员劳动强度很大，容易漏测：5 0 0k v 线路上绝缘子离杆塔过远，无法 将火花叉接触到绝缘子上：大多数杆塔上都有绝缘子电晕和导线电晕现象，电晕的声 音会淹没从远处传来的已经很小的火花放电声音：处于绝缘子串中不同位置的绝缘子 承担电压差别更大，检测人员难以掌握火花间隙的大小。 文献 2 1 提到的声脉冲检测法的主要原理是某片绝缘子上电压通过两个探头组成 的回路对电容器充电，然后经放电管和扬声器放电，扬声器发出声波的频率及发声间隔 随两个探头之间电压变化而变化，因此根据测量扬声器所发出的声脉冲周期及频率来检 测沿绝缘子的电压分布。 1 3 2 3 泄露电流法及脉冲电流法 文献 2 2 提出一种利用泄露电流检测劣化绝缘子的方法：绝缘子的泄露电流与其表 面的污秽程度密切相关，且不良绝缘子阻值降低使正常绝缘子上分得的电压变大，电晕 脉冲电流增大。当绝缘子表面污秽物积累到一定程度或者不良绝缘子劣化到一定程度 时，在一定的外界环境下就可能造成绝缘子的闪络，因而可通过测量泄露电流的大小变 化来对绝缘子进行检测。 泄露电流的大小受周围环境( 杆塔结构、温度、湿度、气压、风速等) 的影响，是 否采用屏蔽措施以及绝缘子的种类等因素的影响都很大。泄露电流的测量是通过连接在 绝缘子上的泄露电流传感器测得的，较方便的方法是将整个采集系统固定在杆塔顶端， 将采集的数据通过无线电或红外数据传输装置发送到地面的接收装置处，但仍需工作人 员到现场采集数据。脉冲电流法是通过宽频率范围、大的信号放大倍数的传感器从杆塔 接地线中测得脉冲电流，多数仍需到现场逐个测量。并且泄露电流值在正常情况下亦是 一个随时问变化的量，存在一个如何正确判定绝缘子串是否存在劣化绝缘子，即如何确 立判断标准的问题。 1 4 本项目的研究意义和论文所做的工作 1 4 1 整体项目介绍 本论文的研究对象是华北电力大学与厦门电业局合作的国家电网公司科技项目。低 6 1 一 j 华北电力大学硕士学位论文 零值绝缘子检测飞行机器人 的子课题绝缘子在线阻值检测仪的研究。 整体项目是研究一种线路绝缘子低零值检测飞行机器人，具有如下功能： 1 以四轴飞行器为基础搭载必要的检测仪器，在地面的遥控下飞临绝缘子。 2 飞行机器人具有目标识别功能，在距离绝缘子串一定距离内，依靠安装在飞行机 器人内的图像处理系统，可以自动寻找绝缘子串，并锁定最上端绝缘子，然后利 用本论文所研究的检测装置依次在线测试每一片绝缘子的阻值。 3 可以区分垂直或水平放置的绝缘子串，并调整测试工具与之适应。可以分辨杆塔、 避雷线、导线、金具、线路避雷器等障碍物，以免与之碰撞。具有弹性边缘，使 之偶然发生碰撞也不会造成设备破损。 4 把测量阻值的结果和动态图像无线传输到地面站接收机上。 5 另外，飞行检测系统应具备高出勤率、高效率、高安全性、高经济性等综合性能； 能适应简易的起降场地、易于操作，同时应具有低速灵活转向、超低空、垂直起 降、空中悬停、续航时间长等飞行性能。 本项目的工程样机已经制作完毕，如图1 2 所示。飞行器整体采用轻便结实的碳纤 维制作而成，外围用弹性细线做成防撞圈。中间屏蔽罩中包括的核心部分包括：飞行控 制器、陀螺仪、绝缘子检测仪、超声波避碰系统、无线发射模块等等，用来进行绝缘子 的检测等工作。检测飞行器下面可以加装摄像头或数码相机，用于对绝缘子的近距离拍 照和进行图像设别等工作。 ； ，卜一1 、，i 、 “_ 、，、 、 。，? j 专。j ，j 毛 _ j 0j 、! i p 量、“i _ 1 i i l ， i l 。 少i 形7 卜r 1 i 一 1 l 山o ，；。o 一、，舔： 、 = 二i l j 一：批二。幺 d a 弛，。础t 。玉疆“翮鱼丘盛 华北电力大学硕士学位论文 1 4 2 本论文研究工作介绍 本文的研究内容是研制出一种检测装置，实现在线检测绝缘子串中运行中的绝缘子 的阻值，并根据阻值的大小来判断是否为低零值绝缘子。可以对可能发生故障和已发生 故障的绝缘子进行迅速的发现和定位，科研人员能够把握电力线路的绝缘情况，大大减 少维护和检修的工作量。 此检测仪既可以搭载同步研究的绝缘子检测飞行机器人，进行自动的不用登杆塔的 绝缘子检测；也可以单独成品，由人工登塔进行检测绝缘子的操作，具有很大的灵活性。 论文针对系统设计中的一些关键问题展开了深入的研究，在论文中对以下几点内容做了 详细的介绍。 ( 1 )第一章描述了绝缘子阻值检测系统的应用背景和可能导致绝缘子低零值的原 因，并参考有关文献综述了目前国内外现有的检测劣化绝缘子的各种方法， 分析了它们的优缺点。 ( 2 )第二章讨论了检测仪检零时的检测依据和绝缘子串电压分布等相关问题。 ( 3 )第三章介绍了系统检测绝缘子时的仿真工作，利用电脑仿真软件方便、有效 的搭建起电路平台，可以验证检测仪的基本原理，以及对元器件的选取都有 很大的参考作用。 ( 4 )第四章描述了检测仪的硬件设计，通过并联大容量高压电容旁路交流电压的 原理，设计并研制了检测仪的主体部分：电源系统、直流电压升压模块、中 央处理模块、低零值报警模块、金属检测臂部分和无线发射模块等硬件部分。 ( 5 )第五章介绍了测量端软件部分，通过改进算法、优化程序使得测量的阻值更 加精确，并设计了合理的低零值报警模式，提示操作人员在不同的命令下进 行相应的操作，并设计了地面端的软件部分。 ( 6 )由于现场系统工作在高压铁塔附近，受到周围的干扰比较大，系统的安全可 靠性非常重要。本人从理论上分析了整个系统受干扰的情况，提出了一些硬 件和软件抗干扰措施，并在系统中得以应用。 ( 7 ) 第六章给出了实验室现场检测绝缘子的情况，验证了检测仪的检测性能，并 进行了误差分析。 ( 8 )最后第七章对全文进行了总结和对进一步研究工作进行了展望。 8 华北电力大学硕士学位论文 第二章本检测仪检零原理及理论依据 2 1 对绝缘子串电压与电场分布的研究 由于绝缘子与输电线、杆塔之间存在杂散电容，导致绝缘子串上的电压并非均匀分 布，局部场强较高，从而容易产生电晕、劣化、闪络甚至击穿。为防止运行中的绝缘子 被击穿，必须要使绝缘子串上分压最小的绝缘子其压降小于击穿电压，并留有一定裕度。 由于电压分布能反映绝缘子的一些电气特征，如污秽分布状况，绝缘子绝缘状况等，关 系到绝缘子的选型、金具设计等。因此，首先要确定绝缘子串的电压分布情况。其次， 绝缘子串上的电压分布情况对绝缘子串的测试奠定了基础，同时为本论文所研究的绝缘 子阻值检测仪的测量原理和软件编写也提供了至关重要的参考价值。 2 1 1 利用差分方程分析绝缘子电压的分布 长绝缘子串的电压分布，一般是通过实际测量来求取的，为得到准确的电压分布情 况，需要多种试样，经过多次试验才能确定。这样做所需周期长，经费多，所以用计算 机模拟计算研究其在线运行情况就显得比较有意义。随着电子计算机的发展，近年来国 内外开始用数值计算方法确定长绝缘子串电压分布。 近年来，电力科学工作者们开拓了多种数值方法来计算绝缘子串的电压和电场，已 经发展起来的数值分析方法可以分为微分方程法和积分方程法两大类1 。微分方程法主 要包括有限差分法( f d m ) 和有限元法( f e m ) ；积分法还可再分为模拟电荷法( c s m ) 和边界“ 元法( b e m ) 。 根据文献 2 3 2 5 利用差分方程式法分析计算绝缘子串的电压分布：设某架空高压 输电线对地电压为u 伏，悬垂绝缘子m 个，在绝缘子串中每个绝缘子除了有极间部分电 容c 之外，还有对地的部分电容c 。以及对高压导线的部分电容c 。若不计漏电导的影 响，整个悬垂式绝缘子串的等值电路图如图2 1 所示 图2 1 绝缘子串电容分布等价模型 9 u 守乎与 华北电力大学硕士学位论文 现设c ，c o ，c l 之间的关系为c 。= k o c ，q = 毛c 。, o ，毛为大于零小于1 的常数。 对第n + 1 个结点，总的电荷代数和为零，所以得出下式： q 秒乇嘭2 屯) - 圮- o u m t _ 删1 ) - - o 。将c o 、c l 代入上式，整理得式( 2 ) ： ( 1 ) u + 2 一a u + l + 砜= 一向u ( 2 ) 上式是一个二阶线性差分方程式，最后解得此差分方程的解：第n 个结点对地电压 以= 熹卜枇m ，舞州洳一1 ) ( 3 ) 第n 片绝缘子两端电压u ( 剃) 为： 玑川) = 虬一乩_ i ，即 州，= 老i f 譬茅一 式中：口：c h - l ( 1 + 华) 2 1 2 计算结果分析 可以利用m a t l a b 等数学工具进行运算此差分方程，计算电压等级为1 l o k v ，每串8 片绝缘子的绝缘子串的电压分布情况，计算结果如表2 1 所示， 表2 1ll o k v 线路绝缘子电压分布情况 绝缘子 l2345 678 编号 电压值 2 5 1 81 41 l71 0l l1 4 并用m a t l a b 生成坐标示意图，其中横坐标表示绝缘子的编号，纵坐标表示作用在 绝缘子上的电压值( 单位k v ) ，如图2 2 ： 1 0 l 华北电力大学硕士学位论文 图2 2 绝缘子串电压分布曲线 从图表中数据可见，计算结果与第一章中所提到的文献中描述的基本一样：靠近导 线侧的绝缘子电压降u 最大，离导线远的绝缘子电压降逐渐减小，随后又略有增大。绝 缘子片数越多，电压分布越不均匀。如存在劣化绝缘子，劣化绝缘子上的压降约为零， 势必造成电压分布曲线更加不均匀。 研究绝缘子串的电压分布对检测低零值绝缘子有重要的参考作用，在平时的巡查过 程中也要重点关注分压较大的几片绝缘子，因为他们局部场强较大，容易产生劣化现象， 在进行绝缘子低零值检测的时候更要重点关注这些分压较大的易劣化绝缘子。 2 2 检测仪测量的基本原理 t ， 2 2 1 绝缘子是否劣化的判定原则 根据d l t 7 4 1 2 0 0 1 架空送电线路运行规程，对绝缘子的劣化评判可分为两种情 况，一是对绝缘子的个体而言，即在检测过程中，如何判定该绝缘子是合格还是不合格； 二是对该批或该条线路的绝缘子而言，即如何判别该批或在线绝缘子是否还符合电力线 路继续安全运行的要求。 低零值绝缘子判定标准如下三种： 1 ) 用火花叉一类的测试方法，主要以经验为主，对此前面已经有了论述。 2 ) 根据g b j 2 3 3 1 9 9 0 l1 0 - 5 0 0 k v 架空电力线路施工及验收规范规程规定： 新装绝缘子的绝缘电阻应大于或等于5 0 0 mq 。 运行中绝缘子的绝缘电阻应大于或等于3 0 0 mq 。 绝缘子绝缘电阻小于3 0 0 mq ，而大于2 4 0 mq 可判定为低值绝缘子。 绝缘子绝缘电阻小于2 4 0 mq 可判定为零值绝缘子。 3 ) 当用分布电压检测绝缘子时，若被测的绝缘子的电压低于标准值的5 0 0 5 时，则该绝缘 华北电力大学硕士学位论文 子为劣化绝缘子。若发现劣化绝缘子时，在低零值绝缘子两侧的两只绝缘子所受的 电压有较明显提高。因此，当这两只为低值绝缘子时，仍有误判漏检的可能。为避 免这种情况的发生，就要用“相邻比值法 和“相邻差值法 补救。 2 2 2 检测仪原理概述 此检测仪根据以上第二条判定准则进行相关系统软件设计：在线检测时，当检测结 果小于3 0 0 mq 但大于2 4 0 mq 时被判定为低值绝缘子；当检测结果小于2 4 0 mq 时被判定 为零值绝缘子，并会出现报警提示。 本项目所研究的检测仪检测原理：首先利用d c d c 升压电路模块把1 2 v 直流电压升 压到2 5 0 0 v ，检测时2 5 0 0 v 直流检测电压通过金属检测臂直接加在待测绝缘子的上下金 具上；原来作用在绝缘子上的工频交流电压通过并联在检测仪内部的高压电容基本旁路 掉，使整个检测回路上只剩下直流分量和部分未被旁路掉的工频电压；检测系统采集由 此产生在绝缘子上的电流，通过中央处理器的计算和判定，并把最后的检测结果通过无 线数传模块发回到地面站计算机并同时有相关低零值报警提醒。这样做的目的是既可以 实时看到检测结果，又可以把相关数据通过地面站计算机进行回放和保存。由于高压线 路现场电磁环境复杂，绝缘子上还存在各种泄露电流，所以必须要进行相关的滤除杂波 的处理。 检测仪的外观效果见图如图2 3 所示。 2 3 系统关键问题分析 图2 3 人工登塔操作用检测仪 本系统应用在2 2 0 k v 及以下高压输电线路盘型悬式瓷质绝缘子的阻值检测上，要求 1 2 华北电力大学硕士学位论文 能够定量的带电测量绝缘子的阻值，确定低零值绝缘子。按照系统功能和现场的测试要 求，本检测仪分为测量端和地面站两个部分，两个部分之间通过无线通信进行信息交换。 本检测仪设计的关键点在于： ( 1 ) 在线测量绝缘子阻值。目前一些绝缘子阻值测量装置都需要停电检测，带电测 量绝缘子阻值的装置还是鲜有介绍。本检测仪基于电容旁路的原理，在输电线路带电情 况下进行测量绝缘子阻值，以最直观的方式显示绝缘子的运行状态。对系统的各方面要 求都比较高，要求测量系统对每一个环节的误差都要严格控制。因此，制作一个精度满 足要求，并且重量轻、体积小、便于携带、并且在强烈电磁环境下有较好的抗干扰性的 检测仪是本论文着重解决的难题。 ( 2 ) 检测仪器的电气绝缘能力：由于仪器的检测臂直接接触带电绝缘子的上下金具， 仪器的绝缘能力非常重要，如果绝缘薄弱，或者安全爬距不够，就可能会引起检测仪损 坏和绝缘子闪络等事故。 ( 3 ) 检测仪的数据传输方式和抗干扰能力：因为是带电现场检测，所以本检测仪采 用无线传输数据的方式来进行通信。但是由于高压输电线路周围电场复杂，存在着各种 谐波、输电线路中的电流、电晕等产生各种频段的干扰信号，对检测电路和无线通信都 有一定的影响，因为抗干扰能力也是本论文需要注意的一个问题。 ( 4 ) 与绝缘子零值检测飞行机器人的配合问题：本装置既可以由人工登塔进行检测 绝缘子，也可以搭载另外进行同步研究的绝缘子零值检测飞行机器人配合使用。所以检 测仪应首先预留出了外部扩展端口0 比如电源接口( 为了减轻重量，此时检测仪使用飞 行机器人自身电源) ，数据传输接口和安装接口等；其次检测仪的外形设计要与检测飞 行机器人相匹配，重量问题、飞行时候的平衡问题都是本论文需要考虑的重点。 1 3 华北电力大学硕士学位论文 第三章绝缘子检测过程仿真 由于本系统主要工作在高电压强磁场环境中，所以不太可能在加高电压的情况下对 检测仪系统的各种参数进行测量和调试，所以为了验证绝缘子检测仪功能实现的可行性 和为旁路电容的选取提供参数参考，本论文利用仿真软件e w b 进行了系统模型的仿真试 验。 3 1 仿真软件e w b 简介 e w b ( e l e c t r o n i c sw o r k b e n c h ，虚拟电子工作平台) 是由加拿大的i n t e r a c t i v ei m a g e t e c h n o l o g i e s 公司推出的一种专门用于各种电力电子线路设计与仿真的软件，利用它 可以完成从电路的仿真设计到电路板图生成的全过程任务。该软件不仅克服了传统的电 子电路设计过程中，由于受工作场地、仪器设备和元器件品种与数量的限制，使一些必 要的调试无法进行的弊端，既能准确验证所设计的电路是否达到预期的目标，又能通过 改变元器件的参数，使所设计的电路性能达到最佳。 e w b 软件界面友好、功能强大，提供了丰富的元器件库：包括模拟器件、数字器件、 无源器件、有源器件、分立元件以及集成电路等等：提供了示波器、万用表、电压表、 电流表、频谱仪等多类齐全的分析检测虚拟电子仪器。它提供的电子元器件及仪器仪表 的功能与真实仪器非常相像，且各元器件的值或参数均可以进行修改以满足不同情况下 的需要。e w b 元器件的选用和仪器仪表的操作非常方便，只需用鼠标简单的拖拉元件和 布线就可以实现电子元器件的仿真。它有强大的绘图功能和波形显示功能，能方便的进 行电路仿真测试，观察电路状态结果，还可以更改电路元件，改变电路参数，设置电路 故障，并同时观察其电路变化情况，能方便的进行电路分析设计：m 。 3 2 仿真模型的建立 3 2 1 带电绝缘子仿真模型的建立 由图2 1 可知，在绝缘子串中每个绝缘子除了有极间部分电容c 之外，还有对地的 部分电容c 。以及对高压导线的部分电容c 。一般情况下可取：c 7 0 p f ，c 。5 p f ，c 约为l p f 可以忽略不计。 假如在理想的情况下，并且假设绝缘串的分布电压是均匀分布的情况下：以ll o k v 线路7 片绝缘子组成的绝缘子串为例，等效交流源为1 l o k v 5 0 h z 交流电压源，电源的 阻抗等效为7 个7 0 p f 的电容串联，其值为l o p f ，并参考教材 2 8 建立带电在线运行的绝 缘子的等效模型如图3 1 ： 1 4 j】 1- 华北电力大学硕士学位论文 10p f 图3 1 带电绝缘子仿真图 7 0p f 3 2 2 检测系统仿真模型的建立 根据前文2 2 2 阐述的检测系统检测原理，利用仿真软件e w b 建立检测系统的仿真 模型如图3 2 ： c 1 1 0o f p 5 1 0 m 0 h m r 3 1 0 m 0 h m c 4 d 2d 11 0n f 手i 叫1 1 0 n v 1 0 h z _ f 0 p 2 3 0 0 m ( 屯_ 。套 c 3 1 0n f d 。伽。意加啊 图3 2 绝缘子检测模型原理图 如上图，最左面的交流电压源v 1 用于模拟实际作用在绝缘子上的带负载的工频1 l o k v 高压；3 0 0 m 欧姆的电阻r 2 和7 0 p f 的电容c 2 并联等效为待测的绝缘子。r 3 一r 7 分别 为检测仪内部的保护电阻，使检测仪在带电检测的时候有一定的绝缘保护而不至于发生 闪络等危害仪器和人身安全的情况。交流电压表m 1 用于观测交流旁路电容的旁路效果； 检测仪的数据测量部分等效为两个电压表，其中一个表m 2 用于测取回路的电压信号(