测控08-1张晓晨毕业设计参考模板

1、目录前言11防污闪的必要性21.1中国输变电污闪现状21.2论文的主要工作22. 输变电设备污闪分析32.1污闪事故的概念32.2输变电设备污闪所造成的灾难性事故32.3输变电设备污闪机理分析42.3.1绝缘子表而积污42.3.2绝缘表面的湿润52.3.3局部放电52.3.4绝缘子完全闪络52.4输变电设备污闪的原因分析63. 提高电网抗污闪能力的措施83.1人工清扫与等值盐密的测量83.2污秽分级标准、污区分布图的绘制与调爬83.3污秽外绝缘配置原则的确立83.4合成绝缘子和RTV防污闪涂料的应用94输变电设备防污闪监测装置的设计104.1监测系统的总体结构100/664.2泄漏电流变送器的

2、设计114.2.1泄漏电流传感器114.2.2低通滤波电路的设计124.2.3信号调理电路134.3温湿度监测电路的设计144.3.1温湿度监测电路的硬件设计144.3.2温湿度测量软件设计154.4核心控制器的选择164.5人机接口电路的设计194.5.1键盘电路的设计204.5.2液晶显示电路的设计214.6时钟电路的设计234.7无线通信模块的设计284.8电源电路的设计315技术经济分析336结论34致谢35参考文献36附录A外文文献译文37附录B外文文献原文45附录C系统总体硬件电路图52附录D系统总体软件流程图53刖吕随着中国社会经济的迅猛发展，国民生活水平的不断提高，电力作为国民

3、经济发展的基 础产业，其重要性越来越显著。能否保证电力安全稳定持续的供应，关系到人民正常生活、 生命和财产安全的保证，尤其是重要的厂矿、单位和部门，一旦电力供应中断，将造成重大 的经济损失，造成重大的政治影响以及公共场所秩序严重混乱，损失不可估量。近儿年来， 社会生产的发展对电能的需求日益增长，促使发电设备的容量不断增大，也使供电网络规模 扩大，随之而来的问题就越来越多。污闪事故就是影响电网安全稳定运行的主要因素之一。 电力设备的电瓷表面，受到固体、液体或气体等导电物质污染，在遇到雾、露和细雨时，污 层电导增大，泄漏电流增加，便产生局部放电。在运行电压下瓷件表面的局部放电可能发展 成为电弧闪络

4、，这种闪络就称为污闪。电力系统发生污闪事故，往往会造成严重后果，引起 多条高压线路、多个变电所失电，棋至引起系统震荡，从而造成电网瓦解，引起大面积停电, 且恢复时间长。输变电设备发生污闪将严重影响电力系统安全运行，因此，防止输变电设备 发生污闪已成为保证电力系统安全生产的重要工作。建国后，国家在防污闪方面取得了一定 成果，采用新型的绝缘子，定期清扫运行的绝缘子等都是很有效的手段，但这些方法都比较 被动。本文针对污闪发主的原因，确定了监测参数，设计了一套能够自主监测绝缘子污秽状态 的防污闪装置，能够通过GSM无线通讯系统让工作人员掌握绝缘子的泄漏电流、环境温度 和湿度的状况，变被动为主动，最大程

5、度地防止污闪事故的发生。1防污闪的必要性1.1中国输变电设备污闪现状输变电设备的外绝缘性能对电网运行安全具有重大影响。电力系统中大量使用的绝缘子, 其表面的污染、受潮将严重影响绝缘子的电气特性，危及电网的运行安全。早在20世纪五十 年代，我国东部沿海工业发达地区就发生过电网污闪事故。六十年代后，污闪事故逐渐向全 国各电网发展。进入八十年代，随着城乡工业的迅速发展，大气环境日趋恶化，环境污染日 益加重；同时，高压输变电设备大幅度增加，电网污闪事故的出现呈明显上升趋势。八十年 代末九十年代初曾经发生了全国区域性的电网大面积污闪事故，给国民经济造成巨大损失。 自九十年代，各大电网针对输变电设备外绝缘

6、进行了大规模防污闪改造，制定了一系列预防 污闪的改造措施和对策，特别是对主干和重点线路进行了爬距调整改造，使运行线路的绝缘 水平得到提高。但是，随着电网容量、输电电圧等级的提高以及输变电设备运行环境的日益 恶劣，电网防污闪工作形势依然十分严峻。2001年初，辽宁、河南、河北及京津唐地区同时 发生了大面积污闪事故，造成直接经济损失近口亿元人民币。其中，河南省豫西、豫北电网 大面积线路、变电站污闪故障，先后有三十五条220kv及以上线路跳闸155条次；一个500kv 变电站、六个220 kv变电站闪络，造成近白万千瓦时的电量损失。因此，预防、减少污闪事 故的发生对于电网安全可嘉运行具有十分重要的意

7、义。1.2论文的主要工作1）讨论了中国输变电设备污闪的现状。2）从污闪的概念入手，分析了污闪机理的四个过程，并且针对我国电网大面积污闪情 况，分析了各地区的发生污闪的气象条件和设备状况，找出输变电设备发生污闪事故的原因。3）针对污闪事故发生的原因，提出防止污闪事故发生的措施。4）通过分析外在因素对污闪事故发生的影响程度，确定了监测绝缘子污秽状态的重要 参数。5）设计了一套输变电设备防污闪监测装置，变被动清扫为主动预防，有效防止污闪事 故的发生。2. 输变电设备污闪分析2.1污闪事故的概念污闪是输变电设备污秽外绝缘闪络的简称。输变电设备的绝缘子常会受到工业污秽或自 然界的盐碱、粉尘及鸟粪的污染。

8、绝缘子是一种特殊的绝缘控件，能够在架空输电线路中起 到支撑导线和防止电流回地的重要作用。干燥情况下，绝缘子表面污层的电导很小；对闪络 电压影响很小，对运行没有什么大的危害。但当大气湿度较高，尤其在大雾、毛毛雨、凝露、 融雪融冰等不利的气象条件下，绝缘子表面污层被湿润，其表面电导剧增使绝缘子表面泄漏 电流急剧增加。结果绝缘子的闪络电压大大降低，棋至有可能在其工作电压下发生闪络，通 常把绝缘子的这种闪络称为污闪【2】。由于这类气候条件可能广泛发生，所以污闪事故发生的 事故点多、涉及面广，不同电压等级可能同时发生，事故持续时间长，事故损失大，抢修的 工作量也大。2. 2输变电设备污闪所造成的灾难性事

9、故据不完全统计1971年至1980年，输电线路发生的污闪事故有1126次，变电设备的污闪 事故有761次。到了 80年代，输电线路的污闪事故达1907次，变电设备污闪事故达695次, 后十年的污闪事故次数总的来讲比前十年乂有增加。污闪事故突出，不但表现为次数的增加, 而且表现为污闪面积的扩大及其严重性。污闪事故造成的电量损失，以及给国民经济带来的 损失是十分惊人的。1976年2月上海闸北电厂一次污闪事故，就少发电1013万kw.h,导致 上海北部地区大面积停电。乂如，1977年1月份至2月份之间，山东省淄博、昌邑、烟台、 惠民四个地区相继发生了地区性大面积污闪，涉及35-220kv线路，63条

10、线路跳闸，105个变 电站停电，损失电量431万kw.ho同时，造成多口油田关闭、输油管凝固等重大事故。到了 90年代，我国的华东、华中、华北、东北、西北等地发生跨省市的大面积污闪事故，都曾造 成地区网络的儿度瓦解。据1971到1990年的不完全统计,全国污闪事故共计损失电量43180.3 万kw.ho 1989年至1990年初，我国跨省市的大面积污闪，特别是500kv线路的大量跳闸， 引起了电力部门的高度重视，曾投入大量人力、物力解决输变电设备的污闪问题，也收到了 相当大的效果，电力系统的污闪跳闸率和事故率在儿年内连续下降。但是，到了 1996年末 至1997年初，全国性的大面积污闪再度发生

11、，使有关人员再一次认识到大面积污闪的严重性 和抗污闪工作的长期性和艰巨性。因此，研究分析绝缘子的污闪特性，探讨防污闪方法，对 于采取有效防污措施，保障输变电设备安全可靠运行具有十分重要的意义。2. 3输变电设备污闪机理分析空气的污染和水分的凝结是导致绝缘子污闪的直接原因。在线运行的绝缘子，在自然环 境中，受到so”氮氧化物以及颗粒性尘埃等大气环境的影响，在其表面逐渐沉积了一层污 秽物。在天气干燥的情况下，这些表面带有污秽物的绝缘子保持着较高的绝缘水平，其放电 电压和洁净、干燥状态时接近。然而，当遇有雾、露、毛毛雨以及融冰、融雪等潮湿天气时, 在空气中的水分作用下变得湿润时，绝缘子的绝缘性能下降

12、，在施加电压不够高时，流过表 面污层的泄漏电流很小，不足以在绝缘子表面形成烘干区，即使形成烘干区后产生的局部电 弧也不能得到充分发展，只有当施加的电压等于或超过临界闪络电压时，在外加电压作用下 表面泄漏电流将大大增加，从而可能导致运行中的绝缘子沿污秽表面发生完全闪络。山于绝 缘子的形状、结构尺寸的影响以及绝缘子表面污层分布不均和潮湿程度不同等因素，使绝缘 子表面各部位的电流密度不同，其结果在电流密度比较大的部位形成了干燥带。干燥带的形 成促使绝缘子表面电压分布更加不均匀，干燥带承担较高的电压。当电场强度足够大时，将 产生辉光放电，继而产生局部电弧。这时，染污介质的表面放电模型，相当于表面局部电

13、弧 串联着一段污层电阻。此时局部电弧有可能熄灭，也有可能发展。当局部电弧不断发生和发 展达到和超过临界状态时，电弧贯穿两极，才可能使局部电弧发展成为绝缘子完全闪络。山 此可见，绝缘子污闪发展一般经过4个阶段：1）绝缘子表面污秽积累。2）在潮湿的环境条件下污秽变湿润。3）在表面泄漏电流的热效应作用下出现干区从而改变电压分布并引起局部电弧。4）局部电弧发展成为绝缘子完全闪络。2.3.1绝缘子表面积污绝缘子表面沉积的污秽，来源于该地大气环境的污染，也受大气条件的洗涤，例如，风 吹和雨淋使绝缘子上下表面的积污不均匀，一般是下表面积污重于上表面，污秽越严重的区 域，上表面和下表面的污秽不均匀程度越明显。

14、还与绝缘子本身的结构、表面光洁度有着密 切的关系。如光滑表面，气流大则积污少；表面粗糙乂在涡流、气流速度下降处，则积污多。 根据污秽物的不同，污秽可分为自然型污秽和工农业污秽两大类，而后一类则具有更多的化 学性微粒，是最严重的一类。长期的经验表明，城市工业区及大气污染严重的地区，一般绝 缘子表面的积污也多。工业规模愈大，对周圉影响的范圉也愈大。原电力部电力科学院等单 位研究表明，对于大气扩散和传送能力强的地区，大城市工业污染扩散对电力系统污染的影响范圉可达2030km以上。一般来说，距离工业污染源愈远，影响愈弱，绝缘子表面积污的盐密值也逐渐 减少。另外，大气环境中充满了各种气态、液态污染物和固

15、体微粒。固体微粒中直径较大者, 在重力作用下垂直降落。直径较小的微粒呈悬浮状态，也在绝缘子周圉运动着。微粒在绝缘 子表面上的沉积，受风力、重力、电场力的作用，其中风力是最主要的。重力只对直径较大 的微粒起作用，且主要影响污染源附近的绝缘子的上表面。微粒在交流电场中作振荡运动， 作用在中性微粒上的电场力指向电力线密集的一端。空气运动的速度和绝缘子的外形决定了 绝缘子表面附近的气流特性，在不形成涡流的光滑表面附近，微粒运动速度快，从而减少了 它们降落在绝缘子表面的可能性。反之，下表面具有高棱和深槽的绝缘子，其表面附近则易 形成涡流，使气流速度下降，创造了污秽沉积的有利条件。由于风力对绝缘子表面的积

16、污起 主要作用，因此，有风、无风及风大、风小均对微粒沉积较大，也直接影响绝缘子上、下表 面积污的差别。2. 3. 2绝缘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模式，绝缘 子表现的闪络电压才会降低，其中闪络电压降低的程度与污层的电导率有关。长期的运行经 验表明：雾、露水、毛毛雨最容易引起绝缘子的污秽放电，其中雾的威胁性最大。雾是悬浮 于空气中、由水蒸汽冷凝而成的水滴，出现机率一般在夜间和清晨。在烟雾、工业废气、粉 尘、SO2等较多的地区，当空气相对湿度达到一定程度时，不仅绝缘子

17、的积污过程加快，而 且绝缘子表面各个部位亦被充分湿润。经验证明，绝缘子积污特性在干燥和潮湿状态下有着 很大的不同，潮湿状态下的绝缘子其积污速度比干燥状态下的积污速度要增大2倍以上。2. 3. 3局部放电绝缘子表面受潮、湿润后，其污秽中的电解质首先发生电离，在绝缘子表面形成一层导 电膜，从而在表面产生了泄漏电流。曲于污秽在绝缘子表面的分布是不均匀的，因此绝缘子 表面泄漏电流分布也是不均匀的。在表面泄漏电流密度大的区域，如盘形绝缘子的钢帽、钢 脚附近，泄漏电流就大，产生的热量也大，从而形成烘干区。当烘干区场强超过介质表面空 气放电的临界场强时，此处就会发生局部放电，出现蓝色小火花。2. 3.4绝缘

18、子完全闪络局部电弧的热效应，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；当周圉湿润的条件继续使污层电阻不断减小， 泄漏电流不断增大，局部电弧的圧降不断减小时，局部电弧可不断向对极发展，直至闪络。 总之，绝缘子污闪现象不是一种单纯的空气间隙击穿，污闪的实质是一种与电、热、化学因 素有关的污秽表面气体电离及局部电弧发展的热平衡过程，即泄漏电流、局部电弧、完全闪 络。2.4输变电设备污闪的原因分析空气的污染是近年来造成绝缘子污秽程度加重的主要原因。空气污染是指分散在空气中 的有害气体和颗粒物质累积到超过空气自净化过程（稀释、沉降等作用）所能降低

19、的程度， 在一定的持续时间对生物及非生物产生危害的物理现象。弥漫在空气中的污秽物日积月累地 沉积在运行设备外绝缘表面上，形成污秽层，其中的可溶性导电物质在湿润（污秽层中有不 可溶的吸水性物质）、溶解后，将使表面污秽层的电导急剧增大，致使绝缘的电气强度显著 下降。因此，空气污染是导致电力系统发生闪络事故的重要原因之一。沉积在外绝缘上的污 秽类型可分为工业型和自然型两大类。1）工业型污秽工业型污秽是在工业生产过程中山烟囱排出的气相、液相和固相污秽物质。它主要分布 在工业城市及近郊和工业集中的地区，包括化工厂、冶炼厂及火电厂的排烟，水泥厂、煤矿 及矿场的粉尘，循环水冷却塔或喷水池的酸化水雾等。我国由

20、工业生产而排出废气超过6亿h以上，除尘量大于1000万吨/年，SQ排出量超过150万吨/年。在各类工业污秽中，化工 污秽对绝缘子电气强度的影响最严重，其次是水泥、冶金等污秽。2）自然污秽在自然条件下产生的污秽可分为尘土、盐碱污秽，海水盐雾和鸟粪污秽。尘土污秽主要 成分是从地面扬起的尘土，农作物施加的化肥和农药，农村燃烧柴草、农作物茎叶、牛粪等 排出的炊烟等。在尘土污秽区，绝缘子的污染程度主要取决于土壤的性质，特别是土壤的含 盐量、可溶性与生成电解质的能力；风对土壤的侵蚀以及尘土在绝缘子表面上的黏附能力。 在大多数尘土污秽区，尘土污秽儿乎不含盐类等强电解质，溶解度也小，可溶性导电物质的 平均含盐

21、量只有0.3%-1.5左右；污层与绝缘子表面不易黏结，污沿表面分布也不均匀，很容 易被雨水冲洗掉。由此可见，尘土污秽自身电导率并不大，但近年来随着化肥和农药的大量 施放、乡镇企业的发展和运输车辆的剧增，不仅导致尘土污秽中可溶性导电物质含量增大， 而且导致湿沉降水酸度增高，加之城市地区工业污秽的飘移，使轻度污染的尘土污区也频繁 发生污闪事故。我国2000年3月以来出现了7次扬沙和沙尘暴天气，对外绝缘是否有影响呢？ 扬沙与沙尘暴都是山于本地或附近尘沙被风吹起而造成的，其共同特点是能见度明显下降， 出现时天空混浊，一片黄色。两者大多是冷空气过境或雷雨、胞线影响时出现，北方在春季 容易出现。所不同的是

22、扬沙天气风较大，能见度在l-10km之间；而沙尘暴风很大，能见度小 于lkm。而浮尘是山于远地或本地产主沙尘暴或扬沙后，尘沙等细粒浮游空中而形成，俗称 “落黃沙”，出现时远方物体呈黃色，太阳呈苍白色或淡黄色，能见度小于10km,大致出现在 冷空气过境前后。黃沙主要山石英、长石、碳酸钙及黏土矿物组成，不但黏土矿物中伊利石 所占的比例相当高，而且黄沙中所含的大量碳酸钙等物质碱性过重，降到外绝缘表面可以中 和酸性污染物（HNO、H2SO4等）。因此，从目前的研究来看，扬沙和沙尘暴一般不会导致外绝缘污闪 1叫在盐碱地区，不仅尘埃中含有大量能溶于水而生成电解质的微粒，而且大多数盐碱地区 还存在含有可溶矿

23、物质的水域，风自盐湖水面吹起，含导电物质的水汽蒸发后在空气中留下 电离物质。因此，盐碱地区（特别是半沙漠地带）属于重污区。按土壤盐渍化的程度可将盐 碱土分为含盐量弱、中、强或很强的土壤，其可溶性盐的含量分别为小于0.5%. 0.5%-1.5%、 1.5%-3.0%、大于3.0%。在含盐量很强的土壤地区，污秽中的可溶成分达20 %-30 %,其电 导率接近NaCl的物质约为50%,其至达100%。由于细小的盐粒更易被风扬起，因此，绝缘子 污层中的含盐量比土壤中的含盐量可高出儿倍。这类地区绝缘子污染的特点是：因风雨的净 化作用，上表面积污比下表面小好儿倍，特别是下表面有棱的绝缘子污染更严重。在田野

24、、森林、草原和盐碱地区，野鸟繁多，鸟类污秽往往也造成污闪事故。我们经常 可以看到，在送电线路杆塔上栖息着大型喜鹊、乌鸦、灰鹤、苍鹭等鸟禽。这些鸟禽白天觅 食，夜间休息。经过一夜的消化，清晨是它们排泄粪便较集中且数量最大的时间。因鸟类的 尿液和粪便一腔同道且含有大量的电解质成份，当它们在绝缘子串上方排便时，粪便的一部 分进入导线与地之间的电场，立即使原场强发生强烈畸变，运行的绝缘子外绝缘强度急剧下 降；由于鸟粪连续不断的地下落，也就不断地缩小着带电导线对地距离；当组合间隙达到一 定程度，导线便通过粪流柱对地发生放电。3. 提高电网抗污闪能力的措施3.1人工清扫与等值盐密的测量20世纪80年代前是

25、我国局部区域电网形成期，电圧等级限于110-220kVo当沿海及少数重 工业城市电网发生污闪时，为保证安全运行要求，普遍釆用人工清扫的办法应对污闪事故。 曲于电网规模小、电压等级低，维护人员相对充足且责任心强，人工清扫有很强的可操作性, 同时，工程设计因国家经济实力不足、从业人员多、技术落后、对污闪的危害尚无深刻认识, 用清扫弥补绝缘配置不足有其合理性。随着对污闪即污秽绝缘子表面沿面放电的进一步了解, 东北电网首先开始了等值盐密的现场测量工作，这为后来进行污秽等级划分奠定了基础。3.2污秽分级标准、污区分布图的绘制与调爬20世纪70年代，工业较发达地区发生的污闪事故使人们逐渐认识到，应将电网根

26、据所受 污染程度的不同划分为不同的区域，并依此进行绝缘配置。1983年4月原水利电力部颁发了我 国首个划分电网污秽等级的标准，与此同时，北京供电局等先后根据污秽等级的划分绘出了 所辖电网的污区图。1990年华北电网大面积污闪后，人们对大面积污闪给电网带来的危害有了更清醒的认识, 加大了电网防污闪工作的力度。原能源部连续3次召开全国电网防污闪工作会议，出台了关 于防止电网大面积污闪事故若干措施的实施要求，明确了加强领导、明确责任等8项内容。 从管理方面讲，电力系统各级管理机构都成立了相应的领导小组，设计、基建和生产各部门 责任明确，绝缘子全过程的管理制度建立；从技术方面讲，在制定新污秽等级划分标

27、准的同 时，全国电网开展电网污区图的绘制工作，污闪多发区域开展了大面积的输变电设备特别是 线路的调整爬距工作，在调爬中复合绝缘获得工业性大范圉的应用。3.3污秽外绝缘配置原则的确立2001年华北再次发生的大面积污闪，终于使人们充分认识到，现代化电网的安全运行不 能建立在“群众运动”式的人工清扫上，必须下决心从根本上改变这一与国际普遍做法相违背 的设计思想与运行维护方式，与此相联系的是改变现有的基建、生产投资“两张皮”的管理模 式，综合计算输变电工程建设与运行的经济效益与社会效益。总之，把电网的维护从工人繁 重的手工劳动中解放出来已成为建设国家坚强电网的需要。无论是从电网的安全可靠性还是 从最大

28、经济效益和社会效益方面考虑，防治大面积污闪的根本出路都是提高输变电设备特别 是输电线路的绝缘水平，对于超、特高压输电工程尤其如此，为此，国家电网公司提出了“绝 缘到位，留有裕度”的基本原则。绝缘到位，就是依靠输变电设备（特别是输电线路）本体绝缘水平来保障电网的安全可靠运行，而不是把电网的安全寄 托在线路的“一年一清扫”和变电设备的“逢停必扫上”；留有裕度，要求考虑大气污染日益增 长和局部污源不断增多的威胁以及在可能出现灾害性浓雾的地区必须考虑湿沉降的影响。按 此原则，LI标是按照饱和等值盐密及有效盐密下的耐受电压配置外绝缘，在中等及以下污秽 地区可采用传统电瓷，在重污秽地区须采用硅橡胶复合绝缘

29、，线路在不改变U前杆塔结构尺 寸的情况下使用复合绝缘子，变电设备使用复合支柱和套管或在瓷套管喷涂长效电瓷喷涂室 温硫化硅橡胶涂料。3. 4合成绝缘子和RTV防污闪涂料的应用合成绝缘子具有机电强度高、耐污性能好等优点，在同样的爬距及污秽条件下，合成绝 缘子的污耐压明显高于瓷绝缘子和玻璃绝缘子。在1990年电网大面积污闪后，线路合成绝缘 子得到了快速发展，其良好的耐污闪性能在各地区发生的污闪事故中得到了证实，特别是在 大面积污闪中儿乎没有合成绝缘子污闪的记录。如2001年初电网污闪事故中，凡使用合成绝 缘子多的地区，线路污闪就少，损失也小；凡使用合成绝缘子少的地区，污闪就多，损失也 大。山东线路污

30、秽区使用10万只合成绝缘子，此次灾害性浓雾所到之处均未发生污闪。京津 唐、河北、河南和辽宇电网，凡全线使用合成绝缘子的线路儿乎都没有发生停电事故。这次 事故后，辽亍电网在调爬中共使用硅橡胶复合绝缘子30000支，4年过去了，经过儿次大雾 的考验，到口前为止辽宇电网主干线路没有发生大污闪事故。成功的经验和试验证明，合成 绝缘子能有效防止污闪事故的发生。RTV涂料是有机硅弹性体。其防污性能关键的特性在憎 水性和憎水迁移性。在绝缘子表面施涂RTV后，所形成的涂层包覆了整个绝缘子表面，隔绝 了瓷瓶与污秽物质的接触。当雨水或露珠接触到涂层表面时，就会变成水珠自动滴落，而不 会形成连续的水链或铺展成水膜。

31、更重要的是，当污秽物质降落到涂层上后，由于RTV憎 水迁移性，而被雨水或潮雾中的水分所润湿，因此该污秽物质不被离子化，从而能有效地扼 制泄漏电流，极大地提高了绝缘子的防污闪能力。1999年，沈阳大成一次变、阜新局六家子 一次变等污染严重的变电所使用了 RTV涂料后，放电现象明显改善；2000年辽F电网污秽 较重的变电所均使用了 RTV涂料，鞍山局在部分污秽严重的线路也使用了 RTV涂料，防污 效果明显。再如对天津、山东重污区的多座变电站进行调查了解，凡使用RTV的设备（比距 一般为1.74-2.52cm/kv）在2001年初发生的污闪事故中不仅无一闪络，而且放电非常轻微。 很明显，RTV是大幅

32、度提高变电设备绝缘水平、抵御灾害性浓雾侵害的有效措施。4. 输变电设备防污闪监测装置的设计通过上述讨论可知，绝缘子的等值附盐密度和泄漏电流都可以作为监测对象，达到防止 污闪的U的，本文选取绝缘子的泄漏电流作为监测对象。另外，绝缘子周围环境的温度和湿 度对绝缘子的污秽程度有很大影响，因此，也将温度和湿度作为监测对象使系统的功能更完 善，更有效的实现输变电设备的在线监测14*5'61 o4. 1监测系统的总体结构本文设计的输变电设备防污闪监测装置硬件结构框图如图4-1,系统包括泄漏电流变送器 电路、温湿度采集电路、人机接口电路、时钟电路、GSM通讯模块以及电源电路。监测系统 以单片机ATM

33、EGA128为控制核心，用泄漏电流传感器采集绝缘子的泄漏电流，泄漏电流信 号经调理电路处理后，送入单片机内的AD转换器内，完成模数转换后，山单片机进行数据处 理。通过温湿度传感器，釆集绝缘子周围环境的温度和湿度等气象参数，送入单片机后和电 流信号汇总进行远程通信。系统采用GSM三频模块实现无线通信，当采集到的泄漏电流、温 度和湿度超过预设的警戒值时，单片机控制无线通信模块向工作人员发出报警短信，使工作 人员能够笫一时间掌握绝缘子的状况，有效防止污闪事故的发生。系统的总体软件流程图 见附录B。图4J系统硬件结构框图Fig.4-1 Block diagram of the system hardw

34、are structure4.2泄漏电流变送器的设计泄漏电流变送器山泄漏电流传感器、滤波电路和信号调理电路等三部分构成。4.2. 1泄漏电流传感器在变电站高压电气设备绝缘在线监测装置中，电流传感器起着关键作用，其性能直接影 响高压设备介质损耗测量精度的可靠性和稳定性，为保证高压设备和信号的取样安全，主要 选用穿芯结构，山于高压设备如套管，互感器，耦合电容器，避雷器等高压设备的泄漏电流 很小均在mA级，且传感器工作在电磁干扰严重的现场，故传统的无源传感器无法保证相位变 换误差的精确度和稳定性，难以满足绝缘在线测量介质损耗的要求。采用有源零磁通技术是 提高小电流检测精度的最好途径。在本系统中，釆用

35、BCT-2型零磁通穿芯小电流传感器来采集绝缘子的泄漏电流。该传感 器是专门为高压电气设备绝缘在线监测而研制的一种小电流传感器，选用起始导磁率高，损 耗小的坡莫合金做铁芯，采用了独特的深度负反馈技术和独特的屏蔽措施，能够对铁芯全自 动补偿，使铁芯工作在理想的零磁通状态。穿芯结构的设计更能保证设备的安全(孔径30毫 米)，长期使用表明，该传感器能够准确检测1 OOpA700mA的工频电流。相位变换误差不 大于0.01。，不需要任何校正及修改，所有设备一样，互换性极强。具有极好温度特性和电磁 场干扰能力，完全满足复杂的电站现场干扰下的设备取样的精确度。图4-2为该电流传感器接 入监测系统电路的原理图

36、。其接线定义如下：1) VCC+： +15V或+12V；2) VCC-： -15V或-12V3) GND：地ECT-2VCC+VCC-GNDDATA4) DATA：信号输出+121JT .1聖韦4CURRENT图4-2泄露电流传感器原理图Fig.4-2 Leakage current sensor principle4. 2. 2低通滤波电路的设计在电力系统中，山于非线性负荷的作用，使得电压和电流的波形产生畸变，电网中出现 了大量的高次谐波，特别是三次和五次谐波的存在，给数字测量采集系统带来极大危害，也 使得所测参数值精确度不高。为了避免这些谐波的影响，必须有滤波电路将各次谐波滤除。 常用的滤

37、波电路有无源滤波和有源滤波两大类。若滤波电路元件仅山无源元件组成，则称为 无源滤波电路。无源滤波的主要形式有电容滤波、电感滤波和复式滤波。若滤波电路不仅山 无源元件，还山有源元件（双极型管、单极型管、集成运放）组成，则称为有源滤波电路。 无源滤波电路的结构简单，易于设计，但它的通带放大倍数及其截止频率都随负载而变化， 因而不适用于信号处理要求高的场合。有源滤波电路的负载不影响滤波特性，因此常用于信 号处理要求高的场合。有源滤波电路一般山RC网络和集成运放组成，因而必须在合适的直流 电源供电的情况下才能使用，同时还可以进行放大。根据阻带的不同，滤波电路可分为低通、 高通、带通、带阻滤波电路，电网

38、中的谐波绝大多数是高次奇次谐波，因而本监测系统需要 低通滤波器。根据上述讨论，本文使用带有运算放大器的低通滤波电路，曲于釆用了集成运算放大器, 使系统具有高输入阻抗、低输出阻抗和一定程度的反馈，避免了因负载分压而造成的输出信 号幅值变小的缺点。常用的滤波器有巴特沃斯型和切比雪夫型。巴特沃斯型滤波器的特点是 通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零，截止特性 缓慢。切比雪夫型滤波器在通频带内，输出信号幅值以某一值为中心，在一个小范围内上下 波动，这个范圉的大小用纹波系数来表示。其通频带与带阻之间变化曲线较为陡峭，截止特 性好。本文的口的在于滤除工频电流中的三次、五次

39、、七次谐波，设讣了四阶切比雪夫模拟 滤波器，用来消除三次以上谐波对监测系统造成的影响19"。其设计性能要求三次谐波衰减 达到40dB,其电路结构和参数如图4-3。Fig.4-3 Filter circuit4. 2. 3信号调理电路由于ATMEGA128单片机内的AD转换器只能转换正电压，而山滤波器输出的交流信号 既有正值，也有负值，所以应将输出的负电压提升到0V以上。如图4-4,该功能用曲一个差分 电路实现。LM285D1.2是1.235V精密电压源，工业级器件，它的工作电流很宽，从10pA到 20mA,精度为1%,它保证了输出正弦波中值的稳定。为避免输出过电压损坏单片机，在输 出

40、端加了 3V稳压管。10KIl4 T IANODECATHODEMCMCMCMCMCMCLM285D1.2367HR71OKR1OKR91OKRIO1OK11LM224DITillIKCURRENT图44信号调理电路Fig.4-4 Signal Conditioning4.3温湿度监测电路的设计4. 3. 1温湿度监测电路的硬件设计温湿度的采集选用SHTlx型温湿度传感器中的SHT15o该系列温湿度传感器将传感元件和 信号处理电路集成在一块微型电路板上，输出完全标定的数字信号。传感器采用专利的CMOS技术, 确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容性聚合体测湿敬感元 件、

41、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上，与14位的A/D转换器以及串行接口 电路实现无缝连接。因此，该产品具有品质卓越、响应迅速、抗干扰能力强、性价比高等优 点。两线制的串行接口与内部的电压调整，使外圉系统集成变得快速而简单。SHT15接口定 义如表4-1：表4SHT15芯片接口说明Tab.4-1 Interface delaration 其中SCK用于微处理器与SHT15之间的通讯同步。DATA引脚为三态结构，用于读取传感器数 据。肖向传感器发送命令时，DATA在SCK上升沿有效且在SCKiS电平时必须保持稳定oDATA 在SCK下降沿之后改变。为避免信号冲突，微处理器应驱动DATA在

42、低电平。需要一个外部 的上拉电阻（例如：10kQ）将信号提拉至高电平。图45为SHT15温湿度传感器接入监测系统引脚GNDDATASCKVDDNCNC描述地串行数据，双向串行时钟，输入口电源必须为空NC1234NCNCNONCNC的电路图。R1210KJSHT15T1PB12PB234I'1GNDDATASCK VDDC5 lOOnF图45温湿度传感器电路图Fig.4-5 Temperature and humidity sensor circuit diagram4. 3. 2温湿度测量软件设计温湿度传感器进行通讯，在，传感器通电后，需要11ms进入休眠状态，在此之前不允许 对传感器

43、发送任何命令。然后，用一组“启动传输”时序来完成数据传输的初始化。它包括， 当SCK时钟高电平时DATA翻转为低电平，紧接着SCK变为低电平，随后是在SCK时钟高电平 时DATA翻转为高电平。“启动传输”时序如图4-6。二二二二 Z图4©洎动传输"时序图Fig.4-6 Diagram of starting transmission timing山单片机发布一组测量命令（90000101，表示相对湿度RH, 90000011，表示温度T）后控制器 要等待测量结束。SHT15通过下拉DATA至低电平并进入空闲模式，表示测量结束。控制器 在再次出发SCK时钟以前，必须等待这个“

44、数据备妥”信号来读岀数据。其流程图如图牛7。图47温湿度测量流程图Fig.4-7 Diagram of temperature and humidity measuring4. 4核心控制器的选择本系统选用ATmegal28单片机作为核心控制器。U前ATmegal28是基于增强的AVR RISC 结构的低功耗8位CMOS微控制器，是8位机中性能最高的一种，对于漏电保护系统的应用， 这种单片机是比较适合的。ATmegal28具有如下特点：1）先进的RISC结构：133条指令，大多数可以在一个时钟周期内完成：32x8通用工作寄 存器+外设控制寄存器；全静态工作；工作16MHZ时性能高达16MIPS

45、；只需两个时钟周期 的硬件乘法器。2）非易失性的程序和数据存储器：128K字节的系统内可编程Flash； 4K字节的 EEPROM： 4K字节的SRAM；多达64K字节的优化的外部存储器空间；可以对锁定位进行编 程以实现软件加密；可以通过SPI实现系统内编程3）外设特点：两个具有独立的预分频器和比较功能的8位定时器/计数器；两个具有预 分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器、讣数器；具有独立预分频器的实时时钟讣数器; 8路10位ADC；面向字节可两线接口；两个可编程的串行USART；可工作于主机/从机模式的 SPI串行接口；具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器；片内模拟比较器；53个可编程

46、I/O 口线和64引脚TQFP与64引脚MLF封装；工作电压4.5V-5.5V。图4-8为ATmegal28的最小系统。51；C2522pFC26| 2 加：F11121314151617181925262728293031322345$789PBl(SCK)PA1CAD1)PB2(MOSI)PA2CAD2)PB3(hUSO)PA3(AD3)PB4(OCO)PA4(AD4)PB5(OC1A)PAX AD 5)PB6(OC1B)PA6(AD6)PB7(OC2/OC1C)PA7(AD7)TOSC2/PG3TOSC1/PG4PCO(AS)PCl(AP)PDO(scL/nnro)PCi(AlO)PDi

47、(SDA/nrri)PC3(AL1)PD2(Rxr>i/D?rr2)PC4-(A12)PD3(TXD lm-nsjPC5(A13)PD4(IC1)?C6(AL4)PD5(XCK1)PCT(A15)PDO(TI)PD7(T2)PF7(ADC7/TD1)PF6(ADC6/TDO)PE»(R«D0/PLI)PF5(ADC5/nitS)PEl(rXDO/PDO)PF+(ADC4/TCK)PE2(XCK0/AIN0)PF3(ADC3)PE3(OC3MJNL)PF2(ADC2)PE4(OC3Jm-mjPFl(ADCl)PE5(OC3C/n-lT5JPM(ADCO)PE6(I3/I

48、OT6)PE7(IC3/DH7)VCCVCCAVCCPGQ(VJR)-AREFPGl(RD) atriVTT-.PU2(2Lh-)GWDRESETGNDPENKTAL2KTAL120T3334435049484746454435363738394041543J5657585960 6?21 q52J6462 C28| O.luF225363C27I卩.即宀宀兔宀一IOOhlH图48 ATmegal28单片机最小系统Fig.4-8 Smallest system of Atmegal28该最小系统一般包括单片机、晶振电路和复位电路。XTAL1和XTAL2分别为作用片内振 荡器的反向放大器的输入和

49、输出。这个振荡器可以使用石英晶体，也可以使用陶瓷谐振器。 熔丝位CKOPT用来选择这两种放大器模式的其中之一。当CKOPT被编程时振荡器在输出引脚 产生满幅度的振荡。这种模式适合于噪声环境，以及需要通过XTAL2驱动第二个时钟缓冲器 的情况。而且这种模式的频率范围比较宽。当保持CKOPT为未编程状态时，振荡器的输出信 号幅度比较小。其优点是大大降低了功耗，但是频率范禺比较窄，而且不能驱动其他时钟缓 冲器。对于谐振器，CKOPT未编程时的最大频率为8MH乙CKOPT编程时为16 MH乙C1和 C2的数值要一样，不管使用的是晶体还是谐振器。最佳的数值与使用的晶体或谐振器有关， 还与杂散电容和环境的

50、电磁噪声有关。本系统选用16MH乙ATmegal28有5个复位源，包括上电复位、看门狗复位、掉电检测复位、JTAG AVR复位和外部复位。此最小系统釆用手动复位。外部复位时，当引脚/?出£丁上的低电平持续时间大于最小脉冲宽度时MCU复位。在设计电路时，直接拉一只4.7K的电阻到VCC即可(R26)。 为了可靠，再加上一只O.lpF的电容(C20)以消除干扰、杂波。DIO (IN4148)的作用有两 个：一是将复位输入的最高电压钳制在Vcc+0.5左右，另一个作用是系统断电时，将R26电阻 短路，让电容C20快速放电，以便下次来电时，能够产生有效的复位。当单片机在工作时， 按下复位键时

51、，复位脚变成低电平，触发单片机芯片复位。ATmegal28各引脚说明如下：1) vcc：数字电路的电源2) GND：地3) RESET：复位输入引脚4) XTAL1：反向振荡放大器及片内时钟操作电路的输入5) XTAL2：反向振荡放大器的输出6) AVCC：端口F及ADC的电源7) AREF： ADC的模拟基准输入引脚8) PEN： SPI串行下载的使能引脚9) 端口A(PA7- PAO)：为位双向I/O端口，并具有可编程的内部上拉电阻；输出缓冲器 具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流；作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则 端口被外部电路拉低时将输出电流；复位发生时该端口为三态。10)

52、端口B(PB7-PB0)、C(PC7- PC0)> D(PD7-PDO)、E(PE7- PEO):与端口A具有相 同的I/O性能。11) 端口F(PF7- PFO)：为ADC的模拟输入引脚或作为8位双向I/O端口，并具有可编程的 内部上拉电阻；输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流；作为输入使用时, 若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流；复位发生时该端口为三态；可 以作为JTAG接口。12) 端口G(PG4- PG0)：为5位双向I/O端口，并具有可编程的内部上拉电阻；输出缓冲 器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流；作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，

53、则端口被外部电路拉低时将输出电流；复位发生时该端口为三态。13) 端口A、B、C、D、E、F、G：都可以作为第二功能引脚使用。4.5人机接口电路的设计人机接口电路包括键盘电路和LCD显示电路。键盘电路采用4x4矩阵式键盘，LCD显示电路的芯片选择为带字库的HS12864o4.5.1键盘电路的设计键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片 机的重要手段。键盘实际上是一组按键开关的集合。通常，键盘开关利用了机械触点的合、 断作用。键的闭合与否，反映在行线输出电压上就是呈现高电平或低电平。常用键盘分为独 立式键盘和矩阵式键盘。独立式键盘就是各键相互独立，每个按键各接

54、一根输入线，通过检 测输入线的电平状态可以很容易的判断哪个按键被按下。在按键数U较多时，独立式键盘电 路需要较多的输入口线且线路结构复杂，故此种键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合, 山于本系统所用的按键数U较多，则需要采用矩阵式键盘。本系统中的16个按键用于系统时 钟的设置，键盘设置如表4-2。表4-2按键设巻Tab.4-2 Keyboard setting按键设置(S1)(S2)(S3)(S4)0123(S5)(S6)(S7)(S8)4567(S9)(S10)(S11)(S12)89 （日期）A （年）B （月）(S13)(S14)(S15)(S16)C （日）D （时）E （取消）（分

55、）F （确定）用PF的8个I/O 口接4x4矩阵键盘即可满足需要，其中PF4-PF7为行线，PF0-PF3为列 线。按键位于行、列的交义点上。行线通过上拉电阻（10K）接到+5V上。无键按下时，行线处 于高电平状态，而当有键按下时，行线电平状态将山与此行线相连的列线的电平决定。列线 的电平如果为低，则行线电平为低；列线电平如果为高，则行线的电平亦为高。这一点是识 别矩阵键盘是否按下的关键所在。山于矩阵式键盘中行、列线为多键共用，各按键均影响该 键所在行和列的电平。因此各按键彼此将相互发生影响，所以必须将行、列线信号配合起来 并作适当处理，才能确定闭合键的位置。识别思路如下，假设S4键被按下，初

56、使化时先让PF0-PF3 口输出低电平，然后读入PF4-PF7 位，结果P7=0,而P4、P5、和P6均为1,因此第一行出现电平变化，说明第一行有键按下, 再让PF4-PF7输出全为0,然后读入PF0-PF3位，结果PF0=0,而PF1、PF2和PF3均为1, 因此，第四列出现电平变化，说明第四列有键按下。综上所述，即第一行第四列按键被按下, 此按键即为S4键卩键盘电路如图牛9。Fig.4-9 Keyboard circuit为了确保CPU对一次按键动作只确认一次按键有效，必须消除按键抖动期的影响。一般 采用软件来消除按键抖动。采用软件来消除抖动的基本思想是：在第一次检测到有键按下时, 该键所对应的行线为低电平，执行一段延时10ms的子程序之后，确认该行线电平是否仍为低 电平，如果仍为低电平，则确认该行确实有键按下。当按键松开时，行线的低电平编程高电 平，执行一段延时10m