电气设备绝缘在线监测系统

        硬件电路原理框图如图1。硬件电路包括传感器部分、前置处理电路部分、数字波形采集装置、现场通信控制电路等，它能实现信号的转换、放大、滤波、触发、采样等多种功能。
2 电流传感器
        电气设备绝缘在线监测系统需要采集的信号有：①电容型设备绝缘泄漏电流，它包括电流互感器TA，电压互感器TV，耦合电容OY，电容式电压互感器CVT，变压器套管BUSH，它的范围从几十毫安到几百毫安，属电容性电流；②MOA避雷器的泄漏电流，它的范围从几百微安到毫安，属阻容性电流；③变压器铁心接地电流和变电站污秽泄漏电流，前者从几十毫安到安，后者从几毫安到几百毫安，都属于有功电流；④作用在各设备上的母线电压；⑤变电站环境温度、湿度。由于这些信号的性质和大小不同，所需用的取样探头性能差异也较大，因此必须面向对象研制相应的电流传感器才能满足在线监测的要求。

        鉴于电流传感器的重要性，我们采用如图2所示的类似TA的无源电流传感器。由于电流传感器的原边要串入设备的接地线(或末屏接线)，因此，电流传感器做成环形，原边用等效直径为φ10的编织圆铜线，根据信号大小的需要决定原边环绕匝数，然后通过有绝缘套管的φ10铜棒引线与接地线串接。
3 前置处理电路
        对于绝缘监测的电流信号，由于不同的设备其电流幅值大小也不同；对同一设备，在正常运行和出现异常时，其电流幅值大小也不同。当设备绝缘良好、清洁干燥时，流过设备末屏的电流较小；设备运行过程中，因受潮、绝缘老化等原因可能使流过设备末屏的电流增大。  在这种情况下，若硬件电路放大倍数固定不变，则无法满足测量要求，不利于准确测量。A/D转换器对输入的模拟信号的电平大小是有一定要求的，如0~2V，0~5V或-5~5V等。为了减少转换误差，希望送来的模拟信号在A/D转换输入的允许范围内尽可能大，这就要求对采集到的信号的幅值进行必要的调整，选择合适的放大倍数。电路由放大倍数可调的集成放大器、分压器，模拟开关，电压跟随器，同相比例放大器组成。
        经传感器在现场采集的电压、电流信号不可避免地要受到来自外界的电磁干扰信号的影响，而传感器或放大电路本身也可能产生一些噪声信号，严重时待测信号将被淹没。若直接将信号输入采样保持器，将使采样得到的数据出现误差，严重时甚至得不出正确的结论。为此，需要对采集到的信号进行滤波处理，抑制杂散干扰信号，以提高系统的信噪比。
4 数字波形采集装置
        利用计算机对信号进行分析，必须要求有高精度的A/D转换电路，同时，由于是同时对电压和电流信号进行同步采样，还需要为每路信号设计采样保持器。因此，这部分电路需要实现频率跟踪、采样/保持、A/D转换等功能，具体结构框图如图3。

        采样保持电路实现了同步锁存电压、电流波形的模拟信号。2个采样保持器共用一个逻辑控制信号，该信号来自频率跟踪电路的2＂倍频率输出，可自动跟随输入信号频率的变化，控制采样保持器在每个周波内准确采样2＂点。
        A/D转换器是整个监测系统的重要组成部分，它将模拟量转化为数字量，为计算机进行数字处理提供数据，A/D转换的精度直接关系到整个监测系统的测量准确度。根据系统的实际情况，在满足采样定理的要求和采样精度的前提下，选用了12位高速、高精度的A/D采集卡，其主要性能如表l。

        这种A/D采集卡可以采用软件设置模拟输入电压范围，具有灵活的采样触发方式(包括软件触发、程控计数触发和外部脉冲触发)，承受过压高(最大可持续承受±30V)。它还带有l k的FIFO(先进先出队列)，可以设置其中断方式；数据传送可以采用程序控制、中断方式或DMA方式。
5 现场通信控制电路
        为了实现可靠的远距离数据传输，拟采用ICP的ND型RS-485通讯模式。ND型RS-485网络的信号传输方式类似于计算机网络总线通信方式。所有ND型控制模块下挂的信号集中箱体只有l根信号输出线，而所有的这种信号线最终都连接到一根主信号电缆上，这样不但结构简单明了，而且大大节省了信号电缆的敷设置。实际应用时，选择ND型模块作为系统的核心组件，除了考虑到RS-485网络运行的高可靠性外，还因为RS-485网络通讯仅需要2根一般的信号线，如双绞线，这就减少了主控室主机到现场控制电缆的敷设数量，简化了系统结构，本系统中ND型RS-485网络的具体结构如图4。

        由于变电站待监测的设备较多，相应的待监测信号也较多，而这些待监测信号都集中在现场的端子箱内，进行处理后在任意时刻只有一个待监测信号被传入波形采样装置。由于待监测的信号很多，考虑采用多路模拟开关来完成待监测信号选通，由RS-485现场通信网络经过I-7043D提供相应的挖制信号。
        具体的译码控制电路原理框图如图5。工控机通过RS-232串口将控制信号传送到RS-232到RS-485的变换器I-7520，经l-7520转换为RS-485信号后送到两线的RS-485网络上。挂接在该RS-485网络上的I-7043D将检测RS-485网络上传送来的控制信号，并判断是否应该接收该控制信号，若不应该接收，则不作任何响应；否则，接收该RS-485网络上的控制信号，然后输出相应的数字控制信号。I-7043D输出的数字控制信号的低4位经过缓冲电路缓冲后用作4片多路模拟开关的选通信号；高位经过译码电路译码产生相应的译码信号作为4片多路模拟开关的使能信号。多路模拟开关在选通信号和使能信号的作用下保证在任意时刻只有一个待监测信号出现在输出端，然后被送往波形采样装置。

6 调试结果分析
6.1 介损和电容量
        为了检验以电压、电流过零相位差原理在线测量介损的正确性，处理误差方法的正确性和微机测量的定量性，与QS-1型电桥超行了对比测量，测量结果见表2。结果表明以该原理做成的微机测量装置，用上述方法对教据进行处理和计算，其测量数据的精度与QS-1型电桥相当。

        为了检验微机装置的稳定性和可靠性，进行了较长时间的在线测试，将测量得到的数据绘制成曲线，如图6，结果表明微机测试装置是稳定、可靠的。

6.2 氧化锌避雷器
        根据MOA避雷器的等值电路，用集中参数的电阻、电容模拟氧化锌阀片。由于避雷器阀片的非线性性能，在几十伏电压下模拟较困难，考虑到它对模拟实验结果不会带来原理性错误，因此，用线性电阻替代非线性电阻。
        为检验该仪器的可靠性和定量性，用理论计算值、TD1000型数字表与该仪器测量数值相比较、见表3～5。线性模拟实验接线如图7。

        结果表明，该系统精度较高，完全能满足工程在线监测的要求。
6.3 铁心电流
        铁心电流采用三路自动选择测量范围，为检验测量的准确性，在实验室做了模拟测量，测量数据见表6。                  

        结果表明，三路自动选择准确，监测值与理论值和TD1000表的值基本相当，经过实验室较长时间的测量表明，具有较高的稳定性。
6.4 温度和湿度
        在实验室和现场进行了温度和湿度测量，结果见表7、8。

7 结束语
        本系统试运行1年的结果表明：系统的投入没有影响变电站电气设备的正常运行，系统能自动连续地进行监测、数据处理和存储，具有较好的抗干扰能力，满足了工程要求的监测灵敏度，监测结果具有较好的可靠性、重复性和合理的精确度，并具有自检和报警功能。用类似互感器原理研制成功的无源和有源电流传感器，根据信号强弱，可分别用于从几百微安到几十毫安的信号采集，实现了对不同数量级绝缘泄漏电流采集的最佳选配；在同类系统中首次采用电源自动控制技术，解决了在线监测系统中有源电流传感器使用寿命短的技术问题。