基于超高頻法的GIS局放警報(bào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明

1、 畢 業(yè) 論 文論文題目 基于超高頻法的GIS局放報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué)生學(xué)生學(xué)號(hào)專業(yè)班級學(xué)院名稱指導(dǎo)老師學(xué)院院長摘要GIS裝置具有較高的安全可靠性，但加工、運(yùn)輸、現(xiàn)場裝配等多種原因，使得GIS設(shè)備不可避免地存在絕緣缺陷而影響其長期可靠性。這些缺陷通常比較微小和隱蔽，不足以導(dǎo)致在工頻耐壓試驗(yàn)時(shí)立即擊穿，但投入運(yùn)行后在正常運(yùn)行電壓作用下會(huì)發(fā)生局部放電，使缺陷逐漸發(fā)展擴(kuò)大，甚至造成整個(gè)絕緣擊穿或沿面閃絡(luò)，從而對設(shè)備的安全運(yùn)行造成威脅。本文簡單講述了一套用于判斷GIS是否發(fā)生局部放電的在線監(jiān)測系統(tǒng)。主要設(shè)計(jì)思路如下，利用天線接收超高頻局部放電信號(hào)，然后經(jīng)過檢波比較形成脈沖信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)，使用單片機(jī)的脈沖累

2、加進(jìn)行計(jì)數(shù)，再定時(shí)讀取脈沖數(shù)進(jìn)行判斷是否達(dá)到局部放電的閾值，如果已經(jīng)發(fā)生局部放電，則通過GSM模塊發(fā)送短信進(jìn)行報(bào)警。關(guān)鍵詞： GIS局部放電；特高頻法；報(bào)警設(shè)計(jì);C語言AbstractNormally, although GIS has quite high safety and reliability , its long-term reliability will be effected by insulation defects caused by Processing, transportation and field assembly will effect withoutquest

3、ion. These Insulation defects are very tiny and hidden primarily and not east to break down in the Power frequency withstand voltage test，but these Insulation defects are very tiny and hidden primarily and not east to break down in the Power frequency withstand voltage test .But when the GIS put int

4、o product , the Insulation defects will expand gradually under the high voltage and then partial discharges happen which may make the insulation layer break down, even more it may be harm to the device and workers.This article describe a system applied to judge whether partial discharge take place o

5、r not.The following is my design idea.Using a high frequency antenna to recieve the signal of partial discharge.The signal which is high frequency turn into pluse signal whose frequency is about 2M after demodulating and comparing.This signal can be counted by MCU,when the count value reach to the p

6、reinstall value which is indicated the partial discharge has occured,then MCU control the GSM send a messege.Key Words：Partial discharge of GIS；UHF method；Alarm design；C language目錄摘要IVAbstractV目錄VI第1章緒論11.1 GIS局部放電在線監(jiān)測研究的目的和意義11.2 GIS 局部放電在線監(jiān)測國外發(fā)展現(xiàn)狀21.3 本人的主要工作31.4 論文的章節(jié)安排4第2章 GIS局部放電與超高頻法52.1 局部放電產(chǎn)

7、生的原因52.2 GIS局部放電檢測方法62.3 GIS局部放電產(chǎn)生超高頻信號(hào)的原理8第3章 GIS局放報(bào)警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)93.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)93.2 超高頻（UHF）傳感器93.3 集成檢波器113.4 比較器113.5 GSM模塊133.6 單片機(jī)系統(tǒng)133.7 供電模塊153.8 硬件電路模塊PCB板設(shè)計(jì)17第4章 GIS局放報(bào)警系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)214.1 軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)214.2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)214.3 數(shù)據(jù)分析與處理234.4 程序源代碼23第5章實(shí)驗(yàn)步驟與結(jié)果245.1 實(shí)驗(yàn)室測試245.2 工廠實(shí)驗(yàn)28第6章結(jié)論與展望326.1 工作總結(jié)326.2 下一步工作的展望32致33參考文獻(xiàn)3

8、4附錄3663 / 68第1章 緒論1.1 GIS局部放電在線監(jiān)測研究的目的和意義通常情況下，氣體絕緣變電站或氣體絕緣的全封閉組合電器（以下簡稱GIS）是在一個(gè)封閉的金屬外殼里將變電站里除變壓器之外的各種電氣裝置組裝到一起，同時(shí)為了可靠的實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體相間，端口間以與對外殼的絕緣，就會(huì)將SF6氣體或 SF6混合氣體充入罐體。由于GIS技術(shù)性能優(yōu)良、體積小，比起常規(guī)電器，GIS有很多優(yōu)點(diǎn)，比如運(yùn)行安全可靠、無火災(zāi)危險(xiǎn)、占地面積小、基本不受外界氣象因素的影響、檢修周期長等。傳統(tǒng)的敞開式設(shè)備比GIS 的故障率高了一個(gè)數(shù)量級，而且設(shè)備檢修周期短的。因此，近年來在許多大型重要電站GIS逐漸取代了傳統(tǒng)的敞開式設(shè)

9、備。由于SF6氣體具有優(yōu)異的絕緣性能，被GIS用來作為將諸多被組合和封閉的高壓元件的滅弧和絕緣介質(zhì)，從而使變電站面積大大減小了，供電的可靠性也提高了，綜合效益也提升了，并且電壓越高，這種綜合效益也越顯著。不過 GIS 也有很多缺點(diǎn)，GIS的早期故障之所以無法依靠人的感官發(fā)現(xiàn)的，是因?yàn)樗且粋€(gè)全封閉組合電力設(shè)備，其次它的體積小，部裝置安排相當(dāng)緊湊，一個(gè)裝置如果出了故障，臨近裝置也很容易被波與，從而使故障擴(kuò)大。一旦GIS 發(fā)生故障，其修復(fù)工作非常不簡單，修復(fù)時(shí)間可能要半個(gè)月甚至更長。所以，運(yùn)行檢測對GIS 的來說相當(dāng)重要，為了與時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理各種可能的異常或故障預(yù)兆，不僅需要認(rèn)真進(jìn)行常規(guī)預(yù)防性試驗(yàn)，

10、還要積極發(fā)展 GIS 的在線監(jiān)測技術(shù)。近年來國和國外有很多機(jī)構(gòu)在對GIS的局部放電和開關(guān)動(dòng)作等早期故障進(jìn)行技術(shù)的研究。前者是通過頻繁的測量 GIS 運(yùn)行中的絕緣狀態(tài)，了解裝置的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有故障發(fā)生時(shí)再采取不要的措施，用“狀態(tài)檢修”代替“定期檢修”，可以到達(dá)節(jié)約檢修費(fèi)用和提高設(shè)備利用率，它是一種非破壞性監(jiān)測；后者是通過記錄裝置的行程和動(dòng)作時(shí)間，從而達(dá)到發(fā)現(xiàn)裝置的機(jī)械早期故障的目的。1.2 GIS局部放電在線監(jiān)測國外發(fā)展現(xiàn)狀目前，有很多國外學(xué)者和專家們在硬件監(jiān)測裝置和軟件監(jiān)測方法上做出了很好的成績，GIS的局部放電在線監(jiān)測技術(shù)正在蓬勃發(fā)展，例如：1995-1997年，清華大學(xué)相繼研發(fā)出330

11、kV GIS局部放電在線檢測系統(tǒng)和基于超高頻法的具有實(shí)用性較強(qiáng)、采用外部傳感器、放電源的定位方便等特點(diǎn)的便攜式局部放電檢測儀。但是該設(shè)備還沒有完善對采集到信號(hào)的分析處理，還處于進(jìn)一步研發(fā)階段。1998年，超寬頻帶局部放電傳感器誕生了，該設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)分析儀的測量，其具有相當(dāng)好的頻率響應(yīng)特性，其研發(fā)地點(diǎn)是位于交通大學(xué)的電力設(shè)備電氣絕緣的國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。英國的Strathclyde大學(xué)與NGC和Scottish Power plc一起研發(fā)了一套超高頻監(jiān)測系統(tǒng)。通過將一個(gè)鉗位二極管安裝在耦合器輸出處和在UHF信號(hào)調(diào)節(jié)處從而防止了斷路器工作時(shí)產(chǎn)生快速暫態(tài)過電壓（VFTO），監(jiān)測系統(tǒng)得到了相應(yīng)的保護(hù)。在線

12、、事故和歷史是該系統(tǒng)的3種工作模式，對平常的監(jiān)測和事故之后分析情況提供了很好的幫助。但無法保證這套系統(tǒng)的精度，因?yàn)樗鼘π盘?hào)分析的因素跟局部放電產(chǎn)生UHF信號(hào)無關(guān)。通過結(jié)合窄帶和寬帶，Neuhold在瑞士Zurich大學(xué)研發(fā)出實(shí)時(shí)響應(yīng)，多通道的GIS局部放電測量系統(tǒng)。每個(gè)測量通道都有一個(gè)帶有自動(dòng)高壓暫態(tài)保護(hù)低噪聲寬帶傳感器。該裝置能初步實(shí)現(xiàn)對故障源的監(jiān)測、識(shí)別和定位，但是精度不高，還需要進(jìn)一步的研究，適宜于開發(fā)過程中的實(shí)驗(yàn)室測試和GIS的長期監(jiān)測。一種用來研究自由移動(dòng)微粒、固定微粒和突出物以與漂浮物引起的局部放電的超聲波絕緣分析器由挪威TransiNor As公司的Schei研制出來。利用該裝置

13、能夠?qū)植糠烹娺M(jìn)行監(jiān)測、定位以與模式識(shí)別。2000年，一種用于分析電磁場的有限時(shí)域差分(FDTD)方法被Judd在英國Strathclyde大學(xué)提出出來。離散形式在空間和時(shí)間上表達(dá)電場E和磁場H，這樣使得任意位置的放電信號(hào)（即使是快速暫態(tài)量）能夠確切的被數(shù)學(xué)變量表達(dá)。當(dāng)電場模型整個(gè)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜時(shí)，采用該方法分析問題是否有效的程度跟放電信號(hào)的位置和特性成正比。同年，俄羅斯科學(xué)家Arakelian提出一種新的物理化學(xué)診斷方法，它是一種化學(xué)檢測法，比較適用于用作輔助分析絕緣故障時(shí)使用。它的基本原理是：當(dāng)局部放電發(fā)生時(shí)， SF6中包含一些雜質(zhì)（O2、N2、CF4等）在壓力和溫度的作用下，會(huì)改變濕度、密

14、度和酸堿度的一些參數(shù)。局部放電的程度根據(jù)產(chǎn)生化合物的種類和密度，可以判斷出出來。1.3 本人的主要工作國外一直致力于GIS局部放電檢測的研究，已經(jīng)研制出應(yīng)用于現(xiàn)場的GIS局部放電檢測的裝置，這些裝置既能夠檢測到GIS設(shè)備是否發(fā)生了局部放電，而且能判斷出局部放電的類型和位置，但價(jià)格上非常昂貴，如果在GIS設(shè)備每個(gè)套管上安裝上這么一個(gè)該裝置，成本更是大大提高，不宜推廣。因此，我的想法是，做一個(gè)成本相對低廉的在線監(jiān)測報(bào)警裝置，在每個(gè)套管上裝上這么一個(gè)設(shè)備，當(dāng)有局放發(fā)生時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，工廠的工作人員可以跟據(jù)報(bào)警的套管位置，定向的啟用國外的那套檢測設(shè)備，這樣必將降低成本。在對國外的GIS局部放電檢測研

15、究分析的基礎(chǔ)上，針對實(shí)驗(yàn)室研究局放的基礎(chǔ)，我做了如下工作：1. GIS局部放電機(jī)理的研究2. GIS超高頻信號(hào)特性，信號(hào)傳播的研究3. 在以上研究的基礎(chǔ)上研制了一套基于超高頻法的GIS局部放電在線監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)由超高頻傳感器，檢波器，比較器，單片機(jī)控制模塊以與基于GSM的報(bào)警模塊1.4 論文的章節(jié)安排第1章總體介紹本論文，包括GIS局部放電在線監(jiān)測研究的目的和意義GIS、局部放電在線監(jiān)測國外發(fā)展現(xiàn)狀、論文的主要工作和章節(jié)安排。第2章主要容是GIS局部放電和超高頻法，包括產(chǎn)生GIS局放產(chǎn)生的原因分分析、近幾年國外出現(xiàn)的新方法、新技術(shù)、在線監(jiān)測方法對比、在線監(jiān)測中存在的問題。第3章是本人做的

16、基于超高頻法的高壓GIS局放報(bào)警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的介紹，包括各個(gè)模塊設(shè)計(jì)的要求、器件的選型與其電路。第4章主要講該系統(tǒng)中單片機(jī)控制模塊的軟件設(shè)計(jì)，包括軟件系統(tǒng)的要求與報(bào)警策略實(shí)現(xiàn)方案。第5章是對整體工作的總結(jié)與有待進(jìn)一步研究工作的展望。第2章 GIS局部放電與超高頻法2.1 局部放電產(chǎn)生的原因電場強(qiáng)度在電氣設(shè)備的絕緣系統(tǒng)各部位的通常是不相等的，局部放電是指當(dāng)局部區(qū)域的電場強(qiáng)度上升到該區(qū)域的擊穿場強(qiáng)時(shí)，該區(qū)域就會(huì)出現(xiàn)一種不會(huì)降整個(gè)絕緣系統(tǒng)擊穿的放電現(xiàn)象。絕緣介質(zhì)中的電場分布和絕緣的電氣物理性能是產(chǎn)生局部放電的條件，局部放電一般發(fā)生是在高電場強(qiáng)度下的絕緣體的電氣強(qiáng)度較低的部位發(fā)生。GIS 中主要絕緣缺

17、陷如圖2.1所示，包括以下幾種缺陷：圖2.1 GIS中幾種主要的絕緣缺陷1、能夠在GIS罐體自由移動(dòng)的金屬顆粒。在GIS的制造、裝配和運(yùn)行這三個(gè)過程中會(huì)中產(chǎn)生可以自由移動(dòng)的金屬顆粒，它們能夠吸附電荷。在交流電壓場的作用下會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)并放電。當(dāng)靠近高壓導(dǎo)體，即使還沒有接觸，也可能發(fā)生放電。2、固定缺陷。指的是導(dǎo)體和外殼表面上的金屬凸起和固體絕緣表面上的金屬顆粒。一般是在不良的制造工藝或是安裝時(shí)不小心摩擦導(dǎo)致的，在電壓快速變化是，例如脈沖、快速暫態(tài)過電壓(VFTO)情況下容易發(fā)生局部放電。3、傳導(dǎo)部分的接觸不良。它包括GIS里部件的松動(dòng)和靜電屏蔽等。可能性最大的是部件的松動(dòng)，但這種缺陷檢測非常簡單，

18、且有反復(fù)的放電趨向。4、在制造絕緣子時(shí)產(chǎn)生的部空隙、做實(shí)驗(yàn)時(shí)造成的導(dǎo)體表面不光滑以與制造時(shí)嵌入的金屬顆粒。另外產(chǎn)生氣泡和空隙的原因還可能是金屬電極和環(huán)氧樹脂的收縮系數(shù)不同導(dǎo)致的。GIS 中產(chǎn)生局部放電主要是由以上幾種絕緣缺陷導(dǎo)致的，并且局部放電會(huì)導(dǎo)致這些缺陷越來越嚴(yán)重，最終擊穿，造成很嚴(yán)重的后果。2.2 GIS局部放電檢測方法GIS 的局部放電在線監(jiān)測方法基本上可以分為電測法和非電測法兩大類型，其具體主要可分為以下五種方法1、聲學(xué)檢測法GIS中局部放電會(huì)產(chǎn)生具有比較寬的帶寬（20250kHz）的超聲波信號(hào),可在GIS外部用超聲波接收傳感器檢測到。聲學(xué)方法的優(yōu)點(diǎn)有非侵入式，可以在10cm對局部放

19、電源進(jìn)行的定位并且不受GIS外部噪聲源影響，但是信號(hào)通過絕緣子和氣體會(huì)有嚴(yán)重的衰減，所以只有有限的幾種放電能被聲學(xué)檢測法檢測得到，而且在線監(jiān)測時(shí)需要太多的傳感器，從而限制了聲學(xué)檢測法的應(yīng)用。聲學(xué)檢測法一般用在現(xiàn)場測試，操作人員拿著傳感器在GIS表面移動(dòng)來檢測局部放電信號(hào)，這樣下來，一個(gè)GIS站的檢測往往需要很多天的時(shí)間，該技術(shù)的推廣受到了限制。目前，利用聲學(xué)方法取得了不錯(cuò)效果的有交通大學(xué)。2、化學(xué)檢測法通過檢測SF6被擊穿分解后的生成物SOF2和SO2F2來間接檢測局放的方法叫做化學(xué)檢測法。這兩種氣體可以利用質(zhì)譜分析和氣相色譜儀可以檢測出來,靈敏度可達(dá)1ppm。不受電氣干擾的影響化學(xué)檢測方法的

20、優(yōu)點(diǎn)，但從發(fā)生局放到由分析氣體檢測出來所需要的時(shí)間太長，有時(shí)候幾天也得不到結(jié)果，這是的化學(xué)方法在局放檢測中的使用收到非常嚴(yán)重限制。3、光學(xué)檢測法因?yàn)楣怆姳对銎髂軌驒z測到甚至一個(gè)光子的發(fā)射，在診斷技術(shù)中,檢測放電產(chǎn)生的光是最靈敏的方法。雖然SF6和玻璃對光的吸收能力很強(qiáng)，但檢測時(shí)采用石英透鏡，并且路徑選擇得當(dāng)，就能檢測出來。光學(xué)法對于檢測已知點(diǎn)的放電非常有效，但是對于GIS中諸多未知的放電源，光學(xué)法的靈敏度就會(huì)大受影響。此外，光學(xué)檢測法是把傳感器放到GIS里面，因此只能離線測試而不適合用于在線監(jiān)測。4、超高頻法20世紀(jì)80年代初期英國中央電力局（CEGB）實(shí)驗(yàn)室提出了超高頻（UHF）法。UHF法

21、利用安置在GIS中的傳感器檢測局部放電的電磁波UHF(300MHz3GHz)部分。UHF法的具有抗干擾性很強(qiáng)（通常的噪聲干擾頻率都在500MHz以下）和定位局部放電源能力（理論上可以小于10）等優(yōu)點(diǎn)。但在線檢測需要很多的傳感器，因?yàn)樾盘?hào)衰減程度跟局部放電源的距離成正比（約2dB/m）,導(dǎo)致傳感器間的距離較小(510m)。5、常規(guī)電測法1981年，IEC正式提出并被廣泛采用的局部放點(diǎn)檢測被稱作常規(guī)電測法，又稱脈沖電流法（IEC60270）。用一個(gè)有電荷損耗的集中電容能夠等效GIS，要想測得發(fā)生局部放電時(shí)的電量（檢測局部放電的頻率圍為40kHz1MHz），可以通過在外部并列安裝一個(gè)耦合電容傳感器。

22、為了獲得最佳的靈敏度，常規(guī)電測法可以通過調(diào)節(jié)GIS等值電容和傳感器的比值，同時(shí)標(biāo)度測量系統(tǒng)。此外這套裝置需要完全屏蔽，從而防止受到外部的電磁干擾，獲得最高的測量靈敏度，但完全屏蔽對于測試整個(gè)GIS通常是行不通的。前三種是非電測法，后兩種是電測法，對GIS中局部放電放的各種檢測方法總結(jié)如下：1、這幾種方法的靈敏性都能夠達(dá)到良好。2、常規(guī)電測法不能定位局部放電源，聲學(xué)和UHF法可以做到。3、常規(guī)電測法不能用于運(yùn)行中的GIS，因?yàn)樗枰粋€(gè)外部耦合電容，其他方法則可以。目前在線檢測一般采用化學(xué)和光學(xué)檢測法，因?yàn)樗鼈兊撵`敏度不高，現(xiàn)場檢測適用采用聲學(xué)檢測法，而連續(xù)在線監(jiān)測最好采用UHF法。GIS中局部

23、放電監(jiān)測方法的性能如表2.1所示。表2.1 GIS局放監(jiān)測主要方法的性能一覽表2.3 GIS局部放電產(chǎn)生超高頻信號(hào)的原理通常地，GIS局部放電現(xiàn)象伴隨著GIS部電場的畸變，并會(huì)產(chǎn)生上升時(shí)間與持續(xù)時(shí)間僅為納秒( ns ) 級的脈沖電流，該電流脈沖將激發(fā)出主要頻段為0.33GHz高頻電磁波，該電磁波就會(huì)從GIS上的盤式絕緣子處泄露出來。這種信號(hào)就是GIS局部放電產(chǎn)生的超高頻信號(hào)。第3章 GIS局放報(bào)警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)硬件由超高頻傳感器，集成檢波器，比較器，單片機(jī)控制模塊以與基于GSM的報(bào)警模塊組成。將超高頻傳感器貼在GIS外壁上，通過用50歐姆同軸電纜將傳感器接收超高頻局部放電

24、信號(hào)輸入檢波器，再經(jīng)過比較器的比較功能形成脈沖信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)，使用單片機(jī)的脈沖累加功能進(jìn)行計(jì)數(shù)，再定時(shí)中斷讀取脈沖數(shù)判斷是否達(dá)到局部放電的閾值，如果已經(jīng)發(fā)生局部放電，則通過GSM模塊發(fā)送短信進(jìn)行報(bào)警。下圖為基于超高頻法的GIS局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3.1單片機(jī)控制模塊信號(hào)數(shù)字化模塊GSM報(bào)警模塊集成檢波器UHF傳感器圖3.1 GIS局放在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.2 超高頻（UHF）傳感器作為UHF局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵之一的UHF傳感器，它具備抑制低頻（300MHz以下）干擾的能力，能夠檢測GIS中由局部放電所激發(fā)的電磁諧振波，主要頻率為300MHz-3GHz。根據(jù)安裝方式，UHF傳感器

25、可分為外置式和置式兩種。前者的靈敏度要差一些，但具有不影響系統(tǒng)的運(yùn)行、安全性較高、安裝靈活等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)有研發(fā)產(chǎn)品得到了較為廣泛的應(yīng)用。后者靈敏度雖然高一些，但由于對制造安裝的要求較高的缺點(diǎn)，很少被采用，特別是在早期設(shè)計(jì)制造的GIS中，但目前英國新制造的GIS均要求加裝置傳感器。下圖3.2為購買的德國產(chǎn)UHF傳感器，圖3.3為實(shí)驗(yàn)室研制的UHF傳感器圖3.2 德國產(chǎn)UHF傳感器圖3.3 實(shí)驗(yàn)室研制的UHF傳感器3.3 集成檢波器由于超高頻傳感器接收的是類似已調(diào)波信號(hào)，載波頻率相當(dāng)?shù)母撸浒j(luò)是M級別的，而我們這套系統(tǒng)只需提取其包絡(luò)信號(hào)就能夠判斷是否有局放發(fā)生。本套系統(tǒng)采用了ADI公司的一個(gè)集成

26、檢波器AD8361，安裝其芯片手冊上提供的參考電路如圖3.4，其檢波出來的波形是反向的，由于我們這套系統(tǒng)只需要判斷是否有局放發(fā)生，因此沒有影響。圖3.4 檢波電路3.4 比較器檢波后的信號(hào)還是模擬信號(hào)，需要把它整成數(shù)字信號(hào)才能被單片機(jī)的脈沖累加器識(shí)別。本套系統(tǒng)采用了ADI公司生產(chǎn)的一款比較器AD8561，從改芯片的數(shù)據(jù)手冊上可以看到，它可以單電源供電，也可以雙電源供電，由于檢波出來的信號(hào)是正向的，所以只要單電源供電就行。此外還可以看到5伏供電是該芯片只有7ns的傳播延時(shí)，理論上工作能夠頻率能達(dá)到100多兆，實(shí)驗(yàn)室測得其只能達(dá)到70M左右，但已經(jīng)足夠滿足我們的需求。圖3.5它的電路圖，電路比較簡

27、單圖 3.5 比較器電路 1腳是供電腳，此套系統(tǒng)5伏供電；2腳跟3腳分別是比較器的正端跟負(fù)端，一個(gè)接檢波輸出，一個(gè)接參考電壓；4腳是雙電源供電的負(fù)電源端，單電源供電接地即可；5腳的作用是鎖存輸出，高電平有效，本系統(tǒng)不要，接地即可；6腳是為地腳；7腳跟8腳為比較輸出，一正一反，隨便取哪個(gè)輸出都可以。 此外為了讓比較器的參考電壓能夠任意調(diào)節(jié)，我用了TI公司的一款DA芯片DAC081S101，改款芯片可以2.75.5V供電，采用串行通信，只要設(shè)置相關(guān)寄存器，就能輸出預(yù)定的電壓值，其電路圖如圖3.6圖3.6 DA芯片電路圖1腳是輸出腳，作為比較器的參考電壓輸入；2腳是地腳；3腳為電源輸入腳，本系統(tǒng)采用

28、5V供電；4,5,6腳為串行通信腳，接單片機(jī)。3.5 GSM模塊在GIS設(shè)備正常工作時(shí)，其周圍有一定的危險(xiǎn)性，當(dāng)GIS發(fā)生局放時(shí)，為了安全性和與時(shí)性，選擇GSM通信模塊發(fā)出局放報(bào)警信號(hào)。本套系統(tǒng)采用的SIM900A模塊，它是一款尺寸緊湊的GSM/GPRS模塊，采用SMT封裝，基于STE的單芯片方案，采用ARM926EJ-S架構(gòu),性能強(qiáng)大，可以置客戶應(yīng)用程序?？蓮V泛應(yīng)用于車載跟蹤、車隊(duì)管理、無線POS、手持PDA、智能抄表與電力監(jiān)控等眾多方向。下圖3.7是其電路圖 圖3.7 GSM模塊電路圖其有幾個(gè)重要的地方，J1是天線，J2是SIM卡座，P1是接紐扣電池，給芯片臨時(shí)供電的（本套系統(tǒng)可以不要的）

29、，P6是一步串口通信引腳，接單片機(jī)串行通信腳，S1是模塊正常工作有休眠的轉(zhuǎn)換按鈕，U3是TVS，起過壓保護(hù),此外該模塊要求一個(gè)3V和一個(gè)4V電源供電3.6 單片機(jī)系統(tǒng)本套系統(tǒng)選用了MC9S12XS128單片機(jī)作為主控芯片。MC9S12XS128是16位單片機(jī)，由16位中央處理單元（CPU12X）、128KB程序Flash(P-lash)、8KB RAM、8KB數(shù)據(jù)Flash(D-lash)組成片存儲(chǔ)器。主要功能模塊包括：部存儲(chǔ)器、部PLL鎖相環(huán)模塊、2個(gè)異步串口通訊SCI、1個(gè)串行外設(shè)接口SPI、MSCAN模塊 、1個(gè)8通道輸入/輸出比較定時(shí)器模塊TIM、周期中斷定時(shí)器模塊PIT、16通道A/

30、D轉(zhuǎn)換模塊ADC、1個(gè)8通道脈沖寬度調(diào)制模塊PWM、輸入/輸出數(shù)字I/O口。MC9SXS128的3種封裝的引腳數(shù)不一樣，具有的通用端口的引腳功能也有一定差異，表3.1列出了3種封裝對應(yīng)的引腳和引腳數(shù)目。表3.1 MC9S12XS128單片機(jī)不同封裝對應(yīng)的引腳與其數(shù)量我選用的112引腳的（因?yàn)橹坝惺褂眠^這款芯片，手頭有剩余，其實(shí)64腳也足夠滿足本套系統(tǒng)的需求），主要使用到單片機(jī)的SCI模塊，AD模塊，脈沖累加器，PIT模塊，IO口等模塊。其中利用兩個(gè)SCI串口分別跟GSM和電腦通信，AD模塊用來監(jiān)測電池電壓，脈沖累計(jì)對比較器輸出的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，PIT模塊產(chǎn)生定時(shí)中斷讀取脈沖累加器的值。下圖3.

31、8該單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路圖圖3.8 MC9S12XS128單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路圖3.7 供電模塊蓄電池7.2VVUCC383-5檢波器比較器DA芯片單片機(jī)TPS703025VGSM模塊3V4V 本套系統(tǒng)供電結(jié)構(gòu)如下圖3.9所示，使用了TI公司的電源芯片UCC383-5和TPS70302圖3.9 系統(tǒng)供電結(jié)構(gòu)圖UCC383-5是一款常見的低壓差穩(wěn)壓芯片，輸出電壓5V，輸出電流可高達(dá)3A，最小輸入輸出電壓差為0.45V，最大輸入電壓9V，工作溫度圍-55°C- 150°C，含靜態(tài)電流降低電路、電流限制、過壓保護(hù)、電池反接和反插入保護(hù)電路，其電路圖如圖3.10所示。 圖3.10

32、UCC383-5電路圖TPS70302為雙路可調(diào)輸出，通道一輸出電流可達(dá)1A，通道二輸出電流可達(dá)2A,兩個(gè)通道輸出的電壓不能高于5.5V，最大輸入電壓最好不超過6V，工作溫度圍-40°- 125°C，含靜態(tài)電流降低電路、電流限制、過壓保護(hù)、電池反接和反插入保護(hù)電路。由于GSM需要一個(gè)3V和一個(gè)4V電壓供電，此款芯片是個(gè)很好的選擇，其電路圖如圖3.11所示。 圖3.11 TPS70302電路圖3.8 硬件電路模塊PCB板設(shè)計(jì)圖3.12和圖3.13分別是主控板的PCB板的頂層和底層，其上主要有檢波器，比較器，單片機(jī)，UCC383電源芯片以與一些接插件等。圖3.14和圖3.15分

33、別是GSM模塊PCB板的頂層和底層，其上主要有SIM900A模塊，TPS70302電源芯片以與一些接插件等。這是兩個(gè)雙層板，板面空置部分接地，以抑制一般的噪聲。 圖3.12 主控板PCB板頂層圖3.13 主控板PCB板底層圖3.14 GSM模塊PCB板頂層圖3.15 GSM模塊PCB板底層為了確保板層間的低阻抗連接，可以將上下層地平面通過過孔連接到一起。焊接好的電路板如圖3.16圖3.16 整體系統(tǒng)焊好的PCB板第4章 GIS局放報(bào)警系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)系統(tǒng)軟件主要是對單片機(jī)進(jìn)行C語言編程，該系統(tǒng)采用的MC9S12XS128單片機(jī)，可以在飛思卡爾公司的CodeWarrior IDE

34、平臺(tái)上進(jìn)行編程，調(diào)試，下載等。該軟件使用起來非常方便，具有項(xiàng)目管理器，編輯器，搜索器，源代碼瀏覽器，編譯系統(tǒng)，調(diào)試器等特點(diǎn)，并具有交叉平臺(tái)開發(fā)，支持多種語言，開發(fā)環(huán)境界面統(tǒng)一，支持插件工具等優(yōu)點(diǎn)，受到使用者親睞。圖4.1是它的工作界面圖4.1 CodeWarrior IDE工作界面4.2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本套系統(tǒng)重點(diǎn)跟難點(diǎn)在他的硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)相對簡單，軟件流程圖圖4.2所示圖4.2 軟件流程圖4.3 數(shù)據(jù)分析與處理本套系統(tǒng)需要處理的數(shù)據(jù)主要有AD采樣電池電壓值，脈沖累加器對局放脈沖的計(jì)數(shù)值以與GSM接收到的短信容。（1） 由于本套系統(tǒng)采用的是蓄電池供電，所以需要對電池電壓進(jìn)行監(jiān)測，防止電壓過低

35、，導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作。當(dāng)AD采樣的電池電壓值低于預(yù)設(shè)閥值，則單片機(jī)控制GSM發(fā)出電壓過低的警告。（2） 利用單片機(jī)的脈沖累加功能，能很方便的讀取比較器輸出的脈沖個(gè)數(shù)。在PIT每20ms就會(huì)產(chǎn)生的中斷函數(shù)中讀取脈沖累加的計(jì)數(shù)值，而且如果GIS局放一旦發(fā)生，則就會(huì)一直發(fā)生，程序中設(shè)置了要連續(xù)檢測到局放發(fā)生一定次數(shù)后才會(huì)發(fā)出局放發(fā)生的警告，從而降低由于偶然干擾導(dǎo)致誤測的可能性。（3） GSM通信是雙向的，工廠控制中心不僅可以接收來自GSM模塊發(fā)出的警告信息，而且能發(fā)送信息給GSM模塊，從而改變系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置。例如，改變DA_VALUE的值來改變外部DA芯片的輸出值以與GSM發(fā)送短信的接收，通過這個(gè)

36、方法能很方便進(jìn)行更改，而不需要將系統(tǒng)從GIS設(shè)備上拿下來，再下載程序更改。當(dāng)然，給GSM模塊發(fā)送的短信容需要預(yù)先設(shè)定一個(gè)格式，防止干擾。如改變DA_VALUE的值時(shí)，短信容為：XXXXXXXXXXXXDA;改變接收時(shí)，短信容為：XXXXXXXXXXXNO第5章 實(shí)驗(yàn)步驟與結(jié)果5.1 實(shí)驗(yàn)室測試實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場如圖5.1圖5.1 實(shí)驗(yàn)室測試現(xiàn)場傳感器接收的實(shí)際超高頻GIS局放信號(hào)如圖5.2所示，它是一個(gè)非常陡的已調(diào)波脈沖電磁波，其脈沖時(shí)間根據(jù)放電類型不同，一般是100ns到1000ns之間，載波頻率高達(dá)GHz數(shù)量級。圖5.2 超高頻GIS局放信號(hào)由于實(shí)驗(yàn)室條件有限，我做實(shí)驗(yàn)時(shí)，利用實(shí)驗(yàn)室的信號(hào)源產(chǎn)生的類

37、似的信號(hào)，如圖5.3所示圖5.3 實(shí)驗(yàn)室模擬的超高頻信號(hào)在將此信號(hào)接入系統(tǒng)，測得檢波輸出波形如圖5.4和圖5.5（圖5.5為利用示波器雙通道同時(shí)測得檢波器輸入輸出信號(hào)），將比較器的參考電壓設(shè)為1.9V,測得比較器輸出信號(hào)如圖5.4所示圖5.4 比較器輸出信號(hào)圖5.5 示波器雙通道同時(shí)測得檢波器的輸入輸出信號(hào)圖5.6 比較器的輸出信號(hào)將該方波輸入單片機(jī)，單片機(jī)的脈沖累加器能夠非常準(zhǔn)確的計(jì)數(shù)，GSM也能正常工作，發(fā)出了報(bào)警信號(hào)，測試非常成功。5.2 工廠實(shí)驗(yàn)在老師的安排下，我跟一學(xué)長去了許繼高壓開關(guān)股份做了實(shí)驗(yàn)，圖5.7和圖5.8為實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場。由于實(shí)驗(yàn)室，GIS工裝是通了非常高的電壓，周圍有一定危險(xiǎn)

38、，許繼公司的工作人員不允許我們?nèi)诉M(jìn)入GIS工裝10米以的區(qū)域，所以我們無法親自測量每個(gè)模塊的波形，但是我們通過手機(jī)錄像，得到了有局放發(fā)生時(shí)檢波輸出和脈沖累加器的計(jì)數(shù)值，分別如圖5.9和圖5.10天線GIS工裝圖5.7 工廠實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場圖電纜，另一頭接著天線實(shí)驗(yàn)裝置圖5.8 工廠實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場圖圖5.9 檢波輸出圖形脈沖累加器的計(jì)數(shù)圖5.10 脈沖累加器計(jì)數(shù)值從圖5.2.3可以看出檢波輸出的波形，脈沖持續(xù)時(shí)間到達(dá)600ns,最大值3.4V，最小值2.34V，而我設(shè)定比較器參考電壓為3V。從圖5.2.4看以看出每20ms,GIS局放大概會(huì)產(chǎn)生15個(gè)脈沖。最后,GIS也準(zhǔn)確的發(fā)出了局放發(fā)生的警告，實(shí)驗(yàn)相當(dāng)成功

39、。第6章 結(jié)論與展望6.1 工作總結(jié)本人通過大四上學(xué)一學(xué)期的學(xué)習(xí)，弄清楚了高壓GIS局部放電的機(jī)理，GIS超高頻信號(hào)特性，了解了GIS局部放電在線監(jiān)測研究的目的和意義以與GIS局部放電在線監(jiān)測國外發(fā)展現(xiàn)狀，為我在后面的設(shè)計(jì)提供了思路。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段我做過很多嘗試和實(shí)驗(yàn)，最終選擇了目前這套方案，從上一章實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看得出來，實(shí)際上局部放電情況沒有我在實(shí)驗(yàn)室做測試時(shí)復(fù)雜，利用本套系統(tǒng)對高壓GIS局部放電進(jìn)行在線監(jiān)測能夠達(dá)到預(yù)期效果。6.2 下一步工作的展望粗略估算了一下本套系統(tǒng)的功耗將近7.5W（GSM功耗約5W，其他約2.5W），而且由于條件限制，本套系統(tǒng)只能采用電池供電。如用普通蓄電池供電，則

40、需要頻繁地更換電池，這是不切實(shí)際的。因此，下一步工作需要做到：1. 本套系統(tǒng)并不需要時(shí)時(shí)刻刻工作，可以每天只進(jìn)行一次或者兩次監(jiān)測，在不工作期間可以將這個(gè)系統(tǒng)置于低功耗的休眠狀態(tài)，從而降低功耗，這需要更改硬件與部分芯片的選型。2. 由于GSM安裝的地方一般都有光照，可以研發(fā)一套太陽能供電系統(tǒng)，從而從根本上解決供電問題。致本文由汪沨老師悉心指導(dǎo)完成。在論文的寫作過程中遇到了無數(shù)的困難和障礙，他都對我進(jìn)行了無私的指導(dǎo)和幫助，不厭其煩的幫助進(jìn)行論文的修改和改進(jìn)。老師淵博的知識(shí)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度讓我受益匪淺。在這里同時(shí)要感在我論文期間給過我很大幫助的申晨師兄，他對我們嚴(yán)格要求，又悉心關(guān)懷。另外皮建民師兄，

41、廖平軍師兄和葉衍林師兄在編程和專業(yè)知識(shí)上給我的莫大的幫助，在這表示衷心的感。最后感默默支持我的家人和朋友。！參考文獻(xiàn)1施圍,邱毓昌,喬根.高電壓工程基礎(chǔ)(M).：機(jī)械工業(yè).2010.03.2印華,邱毓昌,小勇,王建生. GIS中局部放電特高頻信號(hào)采集系統(tǒng)J. 高壓電器,2004,(05):330-332.3肖燕,郁惟鏞.GIS中局部放電在線監(jiān)測研究的現(xiàn)狀與展望J.高電壓技術(shù),2005,(01):47-49. 4吳建,成榕,齊波,郝震,耿弼博. GIS局部放電檢測中特高頻法與超聲波法靈敏度的對比研究J. 現(xiàn)代電力,2010,(03):31-36. 5文棟,黃成軍,錢勇,江秀臣. 便攜式GIS局部

42、放電檢測系統(tǒng)的應(yīng)用研究A. 中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)電工測試專業(yè)委員會(huì)、大學(xué).2010電工測試技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集C.中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)電工測試專業(yè)委員會(huì)、大學(xué):,2010:5. 6A Pulsed GTEM System for UHF Sensor Calibration. Judd, Martin D.Farish, Owen.Instrumentation and Measurement, IEEE Transactions on Volume: 47 , Issue: 4 Digital Object Identifier: 10.1109/19.744636.Publication Year

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44、10(66)kV-22OkV智能變站設(shè)計(jì)規(guī)Q/GDW393-2009S.國家電網(wǎng)科(2010)229號(hào),2010. 13 羅學(xué)深.SF6氣體絕緣全封閉組合電器M.:中國電力,2003.14 唐炬,朱偉,等,GIS局部放電的超高頻檢測J.高電壓技術(shù),2003,29(12):22-2315 黃興泉,康書英,等,GIS局部放電超高頻電磁波的傳播特性研究J.高電壓技術(shù),2006,32(10):32-3516 錢勇,黃成軍,等,GIS中局部放電在線監(jiān)測現(xiàn)狀與發(fā)展J.高壓電器,2004,40(6):453-45617 信,成榕,丁立健,等,基于超高頻信號(hào)檢測GIS局放模式識(shí)別J,高電壓技術(shù),2003,29

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47、s.IEEE, TransactionsonDielectricsandElectricalInsulation.1995,Vol.2(4),660-666附錄A 全局宏定義/*.h文件*/#ifndef _MACROS_H#define _MACROS_H#define N 16#define uint unsigned int #define uchar unsigned char #endif/*/B 全局變量定義/*.h文件*/#ifndef _VARIABLE_H#define _VARIABLE_H#include "macros.h"extern uint p

48、acnt_count; /脈沖計(jì)數(shù)extern uint time_a;extern uint time_b;extern uint time;extern uchar state;extern uchar alarm_flag;extern uchar start_flag;extern uchar key3; /3個(gè)按鍵 數(shù)組extern uint global_variable1;extern uint global_variable2;extern uint global_variable3;extern uint global_variable4;extern uchar table

49、12;extern uchar table114;extern uchar DA_VALUE9;extern void delay_1ms(long int k) ;#endif/*/*.c文件*/#include "variable.h"uint pacnt_count=0;uint time_a = 1;uint time_b = 0;uint time = 0;uchar state = 0;uchar alarm_flag = 0; /是否報(bào)警標(biāo)志uchar start_flag = 1; /是否判斷狀態(tài)標(biāo)志uint global_variable1=0;uint

50、global_variable2=0;uint global_variable3=0;uint global_variable4=0;uchar key3;uchar table12="I LIKE MCU!"uchar table114=" TXMCU "uchar DA_VALUE9="01100110"void delay_1ms(long int k) long int i,j; for(i=k;i>0;i-) for(j=1729;j>0;j-);/*/C 單片機(jī)硬件初始化程序/*.h文件*/#ifndef _H

51、ARDWARE_H#define _HARDWARE_Hextern void HardwareInit(void);#endif/*/*.c文件*/#include <hidef.h> #include "derivative.h"#include "hardware.h"void SetBusCLK_64M(void) /得到總線64M頻率 CLKSEL=0X00; /disengage PLL to system PLLCTL_PLLON=1; /turn on PLL SYNR =0xc0 | 0x07; REFDV=0x80 | 0x01; POSTDIV=0x00; /pllclock=2*osc*(1+SYNR)/(1+REFDV)=128MHz; _asm(nop); /BUS CLOCK=64M _asm(nop); while(!(CRGFLG_LOCK=1); /when pll is steady ,then use it; CLKSEL_PLLSEL =1; /engage PLL to system; void PitInit(void) /配置20ms的PIT中斷 PITCFLMT_PITE=0; /關(guān)閉PIT PITCE_PCE0=1; /開啟通道0 PITMUX=0x00; /ch0 連接到時(shí)