陈飞林雪梅
基于绝缘子检测的系统测量端硬件设计摘要随着我国现代化工农业生产、交通运输、科学技术、信号传输、国防建设以及日常生活等各个领域飞速的发展，为绝缘材料也提供了广阔的发展前景。绝缘子在电气行业和高压输电行业更是得到了空前的发展机遇。绝缘对电气设备的寿命和可靠性具有决定性作用。电网中也有相当多的绝缘材料。绝缘子在电网上可以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。众所周知，绝缘子作为电网中用量庞大、种类繁多的零部件，对电气设备或导体既要起绝缘作用，又要起固定悬挂作用，当然其质量特别是电气绝缘性能和力学性能在实用中起着至关重要的作用。由于绝缘子长期运行于强电场、高温日照、机械应力、湿度、污秽物等环境下，当其劣化达到一定程度时，其绝缘性能就会降低。特别在高压输电线路上，绝缘子的劣化直接威胁着电力系统的安全运行。如果绝缘子串中存在零值，相当于有部分绝缘子被短路，相应的也减少了绝缘子串的整体爬电距离，因而大大增加了该串绝缘子的闪络概率。一旦发生闪络，零值绝缘子的钢帽经常会炸裂或脱开，从而出现绝缘子串的掉串和电力线路的导线落地等严重事故。随着我国电力系统的不断发展，电网安全、稳定运行越来越受到重视。目前，我国电网存在输变电设备老旧，设备没有改造完，抗御多重事故能力差等问题，故障原因机理的研究和有效的检测方法与国外先进企业相比，还有一定的差距。为了保障电网的线路安全运行，急需对输电线路劣化绝缘子检测技术进行深入研究和改进。本论文的立足点和研究方向正是基于上述原因而设立的。关键词：绝缘子，测量端，硬件设计，检测The Measurement System of The Hardware Design Based on Insulators ABSTRACT With Chinas modern agriculture transportation science and technology the signaltransmission national defense construction and daily lif海门市东洲小学
苍之涛剧情e fields and rapid developmentfor insulation also offers broad development prospects. Insulators in electrical industryand high-voltage transmission industry got unprecedented opportunities fordevelopment. Insulation of electrical equipment life and reliability of decisive
role.Network has quite a lot of insulating materials. Insulators in grid can be differentconductor in mechanical potentiometer connected and in the electrical insulation oneach other. Known as the dosage of power insulator various kinds of spare parts forelectric equipment or conductor insulation effect both fixed and hung its quality ofcourse especially electrical insulation resistance and mechanical properties in practicalplays a vital role. Due to the insulator in strong electric field temperature humiditysunshine mechanical stress ceremonially unclean such as the environment degradationdegree its insulation performance will be reduced. In particular the pressure on thetransmission of insulator degradation directly threaten safe operation of the powersystem. If the insulator string to zero the existing in some insulator was short circuitthe corresponding also reduced the insulator string and the overall creepage distance ofinsulator string greatly increased the probability of flashover. Once flashover zeroinsulator steel cap often burst or thus appeared the insulator string string and power linewires ground etc serious accidents. With the continuous development of electric powersystem in China secure and stable operation of the grid more and more attention.
At present our country electric power equipment existing old equipment withoutmodification organ-tissues multiple accident ability failure mechanism and effectivedetection methods compared with advanced foreign enterprises have certain disparity.In order to ensure the safe operation of electric circuit transmission line need todegradation of insulator detecting technology research and improvement. This paper
isbased on a foothold and research direction and the establishment of the above reasons.KEY WORDS: insulator measuring hardware design testing 目录前言................................................................................................ 1第 1 章绝缘子的有关介绍............................................................... 3 1.1 绝缘子的种类.................................................................... 3 1.1.1 按形状分类的绝缘子................................................. 3 1.1.2 绝缘子按材质分类...................................................... 4 1.2 绝缘子的损坏和事故原因................................................. 5 1.2.1 绝缘子制造质量问题.................................................. 5 1.2.2 绝缘子零值问题.......................................................... 6 1.2.3 绝缘子老化问题.......................................................... 6 1.3 国内外研究现状................................................................ 6 1.3.1 非电量测试法.............................................................. 7 1.3.2 电量测试法................................................................ .. 7第 2 章在线检测劣质绝缘子的方法................................................ 9 2.1 用绝缘电阻表进行检测.................................................. 9 2.2 分布电压测试法............................................................. 9 2.3 分布电压法................................................................... 11 2.4 敏感绝缘子法............................................................... 11第 3 章绝缘子检测系统设计原理................................................. 13第 4 章系统硬件设计..................................................................... 15 4.1 测量端硬件设计.................................................................. 15 4.1.1 分压器设计................................................................ 15 4.1.2 信号调理电路............................................................ 16 4.1.3 控制电路.................................................................... 18 4.2 无线通信硬件设计.............................................................. 20 4.2.1 芯片功能介绍............................................................ 20 4.2.2 nRF905 的工作模式及设置........................................ 21 4.2.3 nRF905 的状态输出.................................................. 21 4.3 天线的阻抗匹配设计.......................................................... 22 4.4 无线工作频率的选择和通信距离的计算........................... 23 4.5 PCB 布局和电磁兼容设计.................................................. 24第5 章系统软件设计..................................................................... 25 5.1 系统检测方法..................................................................... 25 5.1.1 测量端软件设计方案.........................................
....... 25 5.1.2 控制端软件设计方案................................................ 26 5.2 数据处理和劣化绝缘子判断............................................... 27 5.3 无线通信软件设计.............................................................. 28 5.3.1 初始化配置................................................................ 28 5.3.2 数据的发送和接收方式............................................. 29 5.3.3 无线跳频设计............................................................ 31结论.............................................................................................. 33谢
辞................................................................................................ 34参考文献.......................................................................................... 35附录.............................................................................................. 37外文资料翻译.................................................................................. 38 前言随着我国电力系统的不断发展，电网安全，稳定运行越来越受到重视，绝缘子在输配电系统中应用广泛，尤其是近年来大力发展的超高压、特高压交直流输电系统中，绝缘子的安全运行问题更是越来越受到人们的重视。绝缘子在电气设备和输电线路中应用广泛。在电网中有相当多的绝缘材料，我国制造绝缘子用的原材料丰富，制造技术水平也很高，对这方面的开发与研究居于世界领先地位，对于沿海的中国省份，设在沿岸线附近的输电线，发电厂和发电站，由于盐分和灰尘附着在绝缘子表面上，使绝缘子强度降低，构成所谓的盐害问题。而且绝缘子长期运行于强电场、高温日照、机械应力、湿度、污秽物等环境下，当其劣化达到一定程度时，其绝缘性能就会降低。特别在高压输电线路上，绝缘子的劣化直接威胁着电力系统的安全
运行。绝缘子的绝缘下降可能引发闪络、绝缘子炸裂、掉串、导线落地等事故，危及电网安全。如果绝缘子串中存在零值，相当于有部分绝缘子被短路，相应的也减少了绝缘子串的整体爬电距离，因而大大增加了该串绝缘子的闪络概率。一旦发生闪络，零值绝缘子的钢帽经常会炸裂或脱开，从而出现绝缘子串的掉串和电力线路的导线落地等严重事故。这在绝缘设计上是需要作为极其重要的问题对待的。关于这方面的调查研究工作很早就开始进行了，这方面所需的实验研究设备，中国也是做得最好的一个，为全球做过很大贡献。关于绝缘子的调查研究，以论文和调查报告的形式发表的很多。本论文也是对绝缘子有关调查进行汇总，它叙述了绝缘子的种类及其历史变迁，同时阐明了绝缘子的材质等材料方面的物理和电气性能，绝缘子老化及危害，以及最重要的对线路存在缺陷的绝缘子进行检测。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。依据这些特征和差异，可用相应的仪器或装置，采用不同的测量方法进行检测。至今已有的检测方法主要有两种，分别是以超声波检测法、激光多普勒振动法及红外热像仪法等为代表的非电量测量法和以电压分布检测法、绝缘电阻法及脉冲电流法等为典型的电量测量法。非电量测量法在我国采用得不多，因为在实际应用中还受到一定限制，而采用电量测量法。在线检测劣化绝缘子有时候可停电，，也可带点测量其绝缘电阻。不过有时候需用到PLC 方面的有关知识，例如C8051 的运用，就是将单片机知识当中，采用硬件设计、软件设计对绝缘子进行在线检测，为了得到准确的测量结果对数据反复处理比较。测量数据是否有效完全由测量端MCU 智能判断。依据测量要求标准，对测量结果综合考虑分析，判断，比如测量端的数据、采集和计算过程中是
否准确得到符合条件的电压信号。信号的发射也用了无线阻抗匹配，对信号进行处理加强。通过以上种种方法，不但可以满足信号采集的精简，安全，高效，可靠，而且也保证了系统所能实现的智能检测，高效省电，通信可靠，从而达到对绝缘子的完美检测。目前的劣化绝缘子检测技术尚不能完全满足实际需要问题重重，而且还有一定的复杂程度。我们做这项工作就是为了能使整个测量过程更简单有效安全。这次论文的写作目的就是为了更好保障电网线路的安全运行，对输电线路劣化绝缘子检测技术进行深入研究和改进。论文的立足点和研究方向正是基于上述原因对绝缘子进行检测的，绝缘子的质量有了保证，电器行
业和高压输电行业才能一路走得更稳健快速，我国的国民经济才能更快速的发展进步。第 1 章绝缘子的有关介绍1.1 绝缘子的种类绝缘子可按以下分类：（1）按形状分类；（2）按工作电压分类；（3）按材质分类。1.1.1 按形状分类的绝缘子 1.悬式绝缘子悬式瓷绝缘子是使用最早、应用最广泛的一种绝缘子。这种绝缘子是由帽状的瓷件为绝缘体，在其上将铁帽和钢脚联结金属附件用水泥胶装而成。使用时将一至数十绝缘子连接。因为其绝缘性能随着使用时间的延长会逐渐降低甚至完全丧失，即发生“老化”现象。因此而使良好绝缘子变为不良绝缘子，甚至零值绝缘子。零值绝缘子指的是在运行中绝缘子两端的电位分布接近零或等于零的绝缘子 1 。2.盘形绝缘子由铁帽（可锻铸铁）、钢脚（低碳钢）和瓷件（或钢化玻璃）组成。瓷件和钢化玻璃称为介质。制造悬式绝缘子用的介质，必须具备架空输电线路运行所需要的电气和机械特性并且在大气条件变化时有足够的稳定性。上面所讲的电瓷和
钢化玻璃是广泛用来制造悬式绝缘子的介质，现在也增加了复合材料或高分子材料制造绝缘子和绝缘构件。3.针式绝缘子针式绝缘子它是一种伞状的瓷件为单体或叠成层状，并用水泥胶装的，装有像伞柄一样的绝缘子。它是承受弯曲负荷的，高度加大，弯距也加大，所以需要绝缘子的直径相应地增大。这样，使得针式绝缘子的尺寸大、笨重，工艺复杂，质量上不易保证，技术和经济上都不合理，因此35KV 以上的高压线路都使用悬式绝缘子或由其组成的悬式绝缘子串。按结构外形，悬式绝缘子分为盘式和棒形两种，悬式绝缘子串中，各元件用球绞接头或销子接头互相软连接，导线拉力对绝缘子串只产生轴向拉力负荷，没有弯距，较好地解决了高压输电线路绝缘的机械强度问题。4.线性柱式绝缘子线性柱式绝缘子的使用情况和针式绝缘子一样，用钢脚将它安装在铁横担或木横担上。这种绝缘子是在实心圆柱状瓷件上设置有适当数量的伞，与针式绝缘子一样，用绑扎线等将导线固定支持在其顶部。1.1.2 绝缘子按材质分类绝缘子按材质分类有瓷绝缘子、玻璃绝缘子、树脂绝缘子。1.瓷绝缘子电瓷是绝缘件中最常用的介质，电瓷是无机绝缘材料，由石英、长石和粘土焙烧而成，能耐受不利的大气环境和酸碱污秽等的长期作用而不受侵蚀，抗老化性好，而且具有足够的电气和机械强度2 。在均匀电场中，薄瓷片（厚度 1.5mm）有很高的电气强度，每毫米可以耐受20KV的工频电压。随着厚度的增加，由于在制造中瓷质的不均匀性，瓷的电气强度显著降低，所以瓷件的壁厚一般不超过30—40mm。瓷是一种脆性材料，它的抗压强度比抗拉强度大得多。普通上釉电瓷试样的抗压强度达50KN/cm ，但抗拉强度却只约3KN/cm 。不上釉的瓷，表面粗糙容易开裂，机械强度还要低20％左右，所以为了使电瓷有较高的机械强度，设计时应尽可能使瓷件承受压应力。2.玻璃绝缘子在生产和
解州
运行的头几年，就发现它比瓷绝缘子有如下一系列优点：（1）用来制造玻璃绝缘子的原料，就其本身成份来说，比制造电瓷用的原料更为稳定，为稳定玻璃的电气特性和机械特性创造了良好的条件。（2）制造玻璃绝缘子的全部工艺流程可以实现完全的自动化和机械化，消除了生产人员对绝缘子性能的人为影响。此外，建设制造玻璃绝缘子的工厂的投资比建设瓷绝缘子的工厂的投资要少得多3 。因此，大批生产的玻璃绝缘子的价格比瓷绝缘子低。（3）钢化玻璃的机电性能比瓷的高得多，制造同等类型的绝缘子，而其尺寸和重量比瓷绝缘子要小得多。（4）由于玻璃的透明性，在外形检验时容易发现细小裂缝以及各种内部缺陷和损伤。（5）采用玻璃绝缘子，可以取消在运行过程中绝缘子进行的带电定期预防性试验4 。这是因为钢武英高速公路
化玻璃的每种损坏都会造成绝缘子的破坏，运行人员在巡线时很容易发现它。当绝缘子损坏时，钢帽和铁脚附近的玻璃碎片被卡住，绝缘子剩余部分的机械强度足以防止绝缘子串断脱。（6）由于钢化玻璃绝缘子表层的机械强度高，使表面不易发生裂缝。玻璃的电气强度一般在整个运行期间保持不变，并且其?匣 瘫却梢 郝 枚啵 虼瞬ＡЬ 底又饕 捎谧运鸹刀 ǚ希 谠诵械谝荒昴诜⑸ 墒谴删
底拥娜毕葜挥性谠诵屑改暌院蟛趴 挤⑾帧Ｒ虼耍 跃 底拥幕 疽 笫牵河凶愎坏牡缇 登慷龋 艹惺芤欢ǖ幕 蹈汉桑 芫 懿焕 幕肪澈痛笃 饔谩?3.树脂绝缘子1930 年由瑞典研制的环氧树脂，因为有许多特征股进入19 世纪50 年代，在欧洲试验应用。60 年代日本研制出10kv 及100kv级的支柱绝缘子，现大部分用于户外。材料多半是环氧树脂，也有使用环氧树脂的5 。1.2 绝缘子的损坏和事故原因绝缘子在挂线运
行一段年限后，因环境等因素的影响必然会出现劣化，进而造成绝缘子绝缘丧失，出现低零值情况或者自爆，综合分析，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 绝缘子制造质量问题因为制造工艺问题，瓷质绝缘子在制造过程中造成得微气孔、微裂纹，连接件与瓷质材料收缩系数不一致造成空隙等缺陷，使用中这种微小裂缝会发展造成绝缘子绝缘性能性能。为控制新上网绝缘子的质量，福建省绝缘子质检中心从1993 年开始，连续 5 年对新绝缘子按国家标准逐批进行抽样验收试验，试验结果表明，新绝缘子的质量不能令人满意。5 年中共送检264 批绝缘子，其中检出不合格27 批，不合格概率占10.2。如每批平均按2500 只估算，则不合格的新绝缘子总数多达6.75 万只，可以想象，若没有执行抽样验收把关，让这些劣质绝缘子混入电网运行，由此带来断串事故的隐患是显而易见的，其后果亦不堪设想。1.2.2 绝缘子零值问题运行中的绝缘子由于受到外界各种因素的影响，会逐渐出现绝缘子水平下降的老化现象。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，通常称之为零值绝缘子或低值绝缘子。瓷和玻璃绝缘子为内胶装结构，内胶装使用粘合剂。因为瓷（玻璃）、水泥、钢脚热膨胀系数各不相同，当绝缘子受冷热变化时，瓷件（玻璃件）受到较大的压应力和剪切应力，故绝缘子易开裂或被击穿而形成零值绝缘子。零值或低值的瓷绝缘子从外表看并不能识别出来，需要通过器具进行检测判断。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6 。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
梦幻之声值绝缘子过热炸开7 。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。引起绝缘子老化的因素很多，主要有热的作用、电的作用（包括局部放电的作用）、机械力的作用以及周围环境的影响，例如受潮、臭氧及各种射线的作用等。1.3 国内外研究现状线路绝缘子的在线检测因其安装位置的特殊性及分布区域的广泛性，一直是绝缘在线监测的一个难点，若干年来，国内外一直在寻有效的解决方法。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。依据这些特征和.
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