CN103698606B - 一种监测绝缘子表面污秽电导率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种监测绝缘子表面污秽电导率的系统及方法，包括依次连接的测量单元、数据采集单元、数据处理单元及计算机，上述测量单元、数据采集单元及数据处理单元采用导线连接，数据处理单元与计算机通过无线通讯网络连接；本发明是通过从测量单元中得到信号源电压信号和定值电阻电压信号，将两个信号分别通过数据处理单元得到两信号的相角差，通过相角差计算得到电导率。本发明是一种新的监测绝缘子表面污秽电导率的系统，其测量过程简单，结果准确可靠。

Description

一种监测绝缘子表面污秽电导率的方法

技术领域

本发明涉及在线监测领域，具体涉及一种监测绝缘子表面污秽电导率的系统及方法。

背景技术

长期以来，我国电力网络建设不断壮大。输电线路绝缘子长期处于各种环境中，受到空中强电磁场，骤冷骤热，空气中漂浮的污秽颗粒、液体，固体等，再加上雨，雾，露，融冰，融雪等恶劣条件，绝缘子表面的电气强度大大降低，如果长期不进行污秽处理，就容易发生污闪事故，污闪事故的损失是雷害事故的十倍，危害巨大。

监测绝缘子表面污秽电导率对防污闪具有重要意义。监测绝缘子表面污秽电导率可以实时了解绝缘子表面积污秽及受潮情况，为制定绝缘子表面污秽清扫工作提供指导。

目前已有的绝缘子表面污秽监测系统有图像处理技术，通过提取绝缘子表面污秽照片中的特征量进行分析判断；监测绝缘子表面污秽闪络放电时发出的低频声信号，根据获得的低频声信号进行判断绝缘子表面污秽量的大小；监测绝缘子表面污秽放电时发出的微波信号以及监测绝缘子表面污秽放电超声波信号等。这类监测绝缘子表面污秽的系统一般误差较大，获得修正系数难，要求精度高则设备昂贵。另一类监测绝缘子表面污秽的系统有监测泄露电流法以及监测电压分布法，这种监测系统受高压环境干扰严重，处理过程复杂，分析需要具备一定的经验和专业知识。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种监测绝缘子表面污秽电导率的系统及方法。

本发明采用如下技术方案：

一种监测绝缘子表面污秽电导率的系统，包括依次连接的测量单元、数据采集单元、数据处理单元及计算机；

所述测量单元由信号源电路、定值电阻R_s、定值电容C_s和绝缘子表面污秽的等效电阻R_x构成，其中定值电容C_s与绝缘子表面污秽的等效电阻R_x并联后依次与所述定值电阻R_s、信号源电路串联；

所述数据处理单元由第一过零比较器、第二过零比较器及相角差检测电路构成。

所述信号源电路由依次连接的电源电路、振荡电路、低通滤波电路及幅值调整电路构成。

所述定值电阻R_s由一个以上的电阻串联或并联或混联构成；所述定值电容C_s由一个以上的电容串联或并联或混联构成；绝缘子表面污秽等效电阻R_x是指悬挂在输电线路杆塔上不带电的或用于测量用的绝缘子表面污秽的等效电阻或者在实验室人工气候箱内悬挂不带电的绝缘子表面污秽的等效电阻。

所述第一过零比较器和第二过零比较器结构相同，均包括第三运算放大器F₃，三极管M₁，第七电阻R₇，第八电阻R₈及第九电阻R₉，所述第七电阻R₇连接在第三运算放大器F₃的负极输入端及信号源电路之间，第八电阻R₈连接在三极管M₁的基极和第三运算放大器F₃的输出端之间，第九电阻R₉连接在所述三极管M₁的集电极和直流电压源之间，第三运算放大器F₃的正极输入端接地线，三极管M₁的射极接地线。

所述相角差检测电路由第一JK触发器JK₁、第二JK触发器JK₂及与非门G构成；所述第一JK触发器JK₁及第二JK触发器JK₂的结构及参数是相同的，其中第一JK触发器的第一输出Q₁和第二输出分别接第二JK触发器的第三输入J₂和第四输入K₂，第二JK触发器的第三输出Q₂和第四输出分别接第一JK触发器的第一输入K₁和第二输入J₁，与非门G的输入端分别接第一JK触发器的第一输出端Q₁和所述第二JK触发器的第三输出端Q₂。

一种监测绝缘子表面污秽电导率的方法，包括如下步骤：

S1数据采集单元采集信号源电路的电压信号及定值电阻的电压信号，并将所采集信号传输到数据处理单元；

S2数据处理单元经过处理得到两个信号的相角差信号，并将该信号通过无线网络传输到计算机；

S3计算机判断经过无线网络接收的相角差信号的占空比d是否小于0.25，是则计算相角差θ，否则重新读取相角差信号占空比，要重新读取信号差占空比，

所述计算相角差θ的公式为：

θ=d×360°

其中，θ为绝缘子表面污秽相角差，d为相角差占空比；

S4根据相角差θ，得到绝缘子表面污秽等效电阻R_x的计算公式为：

$R_x=\frac{\frac{1}{{\mathrm{\ωC}}_s}+\sqrt{{\left(\frac{1}{{\mathrm{\ωC}}_s}\right)}^2+\frac{{4R}_s}{{\mathrm{\ωC}}_s\tan \left(\mathrm{\θ}\right)}-{4R}_s^2}}{2[\frac{1}{\tan \left(\mathrm{\θ}\right)}-R_s{\mathrm{\ωC}}_s]}$

其中，R_x为绝缘子表面污秽的等效电阻，ω为测量电路中的角频率，C_s为定值电容，R_s为定值电阻，θ为相角差；

S5进一步得到绝缘子表面污秽电导率γ的计算公式为：

γ=fK_t/R_x

其中，f为绝缘子表面形状系数，Kt为绝缘子表面温度补偿系数，R_x为绝缘子表面污秽的等效电阻；

S6计算机将S5得到的电导率与发生闪络报警阀值进行比较，判断出输电线路是否处于危险期，如果处于危险期，则及时发出报警。

本发明的有益效果：

（1）本发明测量装置简单，连接方便，计算机上可以直接观察绝缘子表面污秽电导率的实时动态，无需复杂的操作，稳定性好等优点；

（2）本发明的监测绝缘子表面污秽电导率系统中利用了一种测量两电压信号相角差的方法来监测绝缘子表面污秽电导率，这是一种监测方法上的创新。

附图说明

图1是本发明一种监测绝缘子表面污秽电导率的系统的结构图；

图2是本发明信号源电路结构图；

图3是本发明测量单元电路的电路连接图；

图4是本发明过零比较器的电路连接图；

图5是本发明相角差检测电路的电路连接图；

图6是本发明一种监测绝缘子表面污秽电导率的方法的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，一种监测绝缘子表面污秽电导率的系统，包括依次连接的测量单元、数据采集单元、数据处理单元及计算机，上述测量单元、数据采集单元及数据处理单元采用导线连接，数据处理单元与计算机通过无线通讯网络连接；

如图3所示，所述测量单元由信号源电路Us、定值电阻R_s、定值电容C_s和绝缘子表面污秽的等效电阻R_x构成，其中定值电容C_s与绝缘子表面污秽的等效电阻R_x并联后依次与所述定值电阻R_s、信号源电路串联；

所述定值电阻R_s由一个以上电阻串联或并联或混联构成；所述定值电容C_s由一个以上的电容串联或并联或混联构成；绝缘子表面污秽等效电阻R_x是指悬挂在输电线路杆塔上不带电的或用于测量用的绝缘子表面污秽的等效电阻或者在实验室人工气候箱内悬挂不带电的绝缘子表面污秽的等效电阻，优选地，本实施例例中选取定值电阻R_s的阻值为1kΩ，定值电容C_s的电容值为50nF。

所述数据采集单元是完成采集测量单元中信号源电路电压信号及定值电阻Rs电压信号，将采集到的信号数据传输到数据处理器中。

如图2所示，所述信号源电路由依次连接的电源电路、振荡电路21、低通滤波电路22及幅值调整电路23构成，其中振荡电路输出正弦交流信号频率是200～600Hz,，由于振荡电路输出的正弦交流信号有高频信号干扰，因此加入低通滤波器，正弦交流信号通过低通滤波器后幅值会下降，因此还需增加一个幅值调整电路，最后将满足要求的正弦交流信号接入测量电路中。

所述电源电路采用直流稳压电源适配器，提供直流电，本实施例优选采用两个直流稳压电源适配器作为供电电源，为电路提供±12V的直流供电电压。

所述振荡电路21由第一运算放大器F₁、第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃、第四电阻R₄、第一电容C₁、第二电容C₂、第一硅二极管D₁和第二硅二极管D₂构成；其中，第一电阻R₁和第二电阻R₂的阻值相等，第一电容C₁和第二电容C₂的电容值相等，第四电阻R₄的阻值是第三电阻R₃阻值的2～3倍，第一硅二极管D₁和第二硅二极管D₂的参数相同；然后，第一电阻R₁和第一电容C₁相并联后再连接到第一运算放大器F₁的正极输入端与地线之间，第二电阻R₂和第二电容C₂相串联后再连接到第一运算放大器F₁的正极输入端和第一运算放大器F₁的输出端之间，第三电阻R₃连接到第一运算放大器F₁的负极输入端和地线之间，第一硅二极管D₁和第二硅二极管D₂反向并联后和第四电阻R₄串联再连接到第一运算放大器F₁的负极输入端和第一运算放大器F₁的输出端之间。在本实施例中优选地取第一运算放大器型号为UA741CN芯片，振荡电路输出的频率为400Hz。

所述低通滤波电路22是由第五电阻R5和第三电容C3构成，其中，第五电阻R5连接在运算放大器F1的输出端和幅值调整电路23的输入端之间，电容C3连接在幅值调整电路23的输入端和地线之间。优选地，本实施例中选取第五电阻R5的阻值为4.7kΩ，第三电容C3的电容值为0.1μF。

幅值调整电路23由第二运算放大器F₂、第六电阻和电位器R_w；其中，电位器Rw的最大阻值是第六电阻R6阻值的2～3倍。第六电阻R6连接在第二运算放大器F2的负极输入端和低通滤波电路22的输出端之间，电位器Rw连接在第二运算放大器F2的负极输入端和第二运算放大器F2的输出端之间，第二运算放大器F2的正极输入端接地线。优选地，在本实施例中选取第二运算放大器F2的型号为UA741CN芯片。

所述数据处理单元由第一过零比较器、第二过零比较器及相角差检测电路构成。

如图4所示，所述第一过零比较器和第二过零比较器是完全相同的，均包括第三运算放大器F₃，三极管M₁，第七电阻R₇，第八电阻R₈，第九电阻R₉，第七电阻R₇连接在第三运算放大器F₃的负极输入端和测量单元的信号源电路之间，第八电阻R₈连接在三极管M₁的基极和第三运算放大器F₃的输出端之间，第九电阻R₉连接在所述三极管M₁的集电极和直流电压源之间，第三运算放大器F₃的正极输入端接地线，三极管M1的射极接地线。优选地，本实施例中选取第三运算放大器F₃为OP07CP芯片以及选取三极管M₁为2222A元件。

如图5所示，所述相角差检测电路由第一JK触发器JK₁、第二JK触发器JK₂及与非门G构成；所述第一JK触发器JK₁及第二JK触发器JK₂的结构及参数是相同的，其中第一JK触发器的第一输出Q₁和第二输出分别接第二JK触发器的第三输入J₂和第四输入K₂，第二JK触发器的第三输出Q₂和第四输出分别接第一JK触发器的第一输入K₁和第二输入J₁，与非门的输入端分别接第一JK触发器的第一输出端Q₁和所述第二JK触发器的第三输出端Q₂。优选地，本实施例中选取JK触发器为SN74LS76A芯片，与非门G选取具有四输入的与非门74LS00芯片。

第一过零比较器及第二过零比较器的作用是将正弦波信号转变成方波信号，在过零时进行转变，相角差检测电路将两信号相角差检测出来，然后再将检测到的相角差信号通过无线通讯网络发送到计算机。

所述无线通讯网络是全球移动通讯系统（GSM，GlobalSystemforMobileCommunications）或通用分组无线业务（GPRS，GeneralpacketRadioServices）。

如图6所示，一种监测绝缘子表面污秽电导率的方法，包括如下步骤：

S1数据采集单元采集信号源电路的电压信号及定值电阻的电压信号，并将所采集信号传输到数据处理单元；

S2数据处理单元经过处理得到两个信号的相角差信号，并将该信号通过无线网络传输到计算机，所述相角差信号是两个电压信号的初始相角相减后取绝对值得到相角差；

S3计算机判断经过无线网络接收的相角差信号的占空比d是否小于0.25，如果不是则重新读取相角差信号占空比，是则计算相角差θ：

θ=d×360°，其中θ为绝缘子表面污秽相角差，d为相角差占空比；

S4根据相角差θ，得到绝缘子表面污秽等效电阻R_x的计算公式为：

$R_x=\frac{\frac{1}{{\mathrm{\ωC}}_s}+\sqrt{{\left(\frac{1}{{\mathrm{\ωC}}_s}\right)}^2+\frac{{4R}_s}{{\mathrm{\ωC}}_s\tan \left(\mathrm{\θ}\right)}-{4R}_s^2}}{2[\frac{1}{\tan \left(\mathrm{\θ}\right)}-R_s{\mathrm{\ωC}}_s]}$

其中，R_x为绝缘子表面污秽的等效电阻，ω为测量电路中的角频率，C_s为定值电容，电容值为50nF，R_s为定值电阻，电阻值为1kΩ，θ为绝缘子表面污秽相角差。

S5进一步得到绝缘子表面污秽电导率γ的计算公式为：

γ=fK_t/R_x

其中，f为绝缘子表面形状系数，K_t为绝缘子表面温度补偿系数，R_x为绝缘子表面污秽的等效电阻；

绝缘子表面形状系数f的计算公式为：

$f={\∫}_0^L\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{\πD}\left(x\right)},$

其中，L为电极泄漏电流宽度，πD(x)为电极长度；

绝缘子表面温度补偿系数K_t的计算公式为：

K_t=1.6/(1+0.03t)

其中，t为绝缘子表面温度。

S6计算机将S5得到的电导率与发生闪络报警阀值进行比较，判断出输电线路是否处于危险期，如果处于危险期，则及时发出报警。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种监测绝缘子表面污秽电导率的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1数据采集单元采集信号源电路的电压信号及定值电阻的电压信号，并将所采集信号传输到数据处理单元；

S2数据处理单元经过处理得到两个信号的相角差信号，并将该信号通过无线网络传输到计算机；

S3计算机判断经过无线网络接收的相角差信号的占空比d是否小于0.25，是则计算相角差θ，否则重新读取相角差信号占空比，

所述计算相角差θ的公式为：

θ＝d×360°

其中，θ为绝缘子表面污秽相角差，d为相角差占空比；

S4根据相角差θ，得到绝缘子表面污秽等效电阻R_x的计算公式为：

$R_x=\frac{\frac{1}{{\mathrm{\ωC}}_s}+\sqrt{{\left(\frac{1}{{\mathrm{\ωC}}_s}\right)}^2+\frac{4R_s}{{\mathrm{\ωC}}_s\tan \left(\mathrm{\θ}\right)}-4R_s^2}}{2\[\frac{1}{tan\left(\mathrm{\θ}\right)}-R_s{\mathrm{\ωC}}_s\]}$

其中，R_x为绝缘子表面污秽的等效电阻，ω为测量电路中的角频率，C_s为定值电容，R_s为定值电阻，θ为相角差；

S5进一步得到绝缘子表面污秽电导率γ的计算公式为：

γ＝fK_t/R_x

其中，f为绝缘子表面形状系数，K_t为绝缘子表面温度补偿系数，R_x为绝缘子表面污秽的等效电阻；

S6计算机将S5得到的电导率与发生闪络报警阀值进行比较，判断出输电线路是否处于危险期，如果处于危险期，则及时发出报警。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信号源电路由依次连接的电源电路、振荡电路、低通滤波电路及幅值调整电路构成。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述定值电阻(R_s)由一个以上的电阻串联或并联或混联构成；所述定值电容(C_s)由一个以上的电容串联或并联或混联构成；绝缘子表面污秽等效电阻(R_x)是指悬挂在输电线路杆塔上不带电的或用于测量用的绝缘子表面污秽的等效电阻或者在实验室人工气候箱内悬挂不带电的绝缘子表面污秽的等效电阻。