高壓直流電監測系統的設計與實現

柏松，楊振輝，柏鎮

（中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

1 背景

在電力、農業等眾多領域中，很多實驗設備都需要用到直流高壓電。而為了能夠有效的控制和利用直流高壓電，對其測量值進行精確的檢測與記錄，就成為迫切的要求。一個理想的測量裝置應具有良好的實時性，從被測對象所取的電流很小，在保證較高測量精度的同時，有完善的電氣隔離。

現有的高壓直流電檢測系統大致分為直接測量系統和間接測量系統兩種，直接測量系統又包括球隙測量系統、靜電電壓表測量系統、高壓電子束測量系統、超導諧振腔測量系統等。其中，球隙測量系統和靜電電壓表測量系統測量精度低，而高壓電子束測量系統和超導諧振腔測量系統結構又太復雜。因此，間接測量系統在高壓電監測方面使用更為普遍。

2 系統設計

本設計的目的是對高壓現場量值進行測量和傳遞提供一種能夠實現高壓直流電的精確測量的裝置和方法。本論文設計的高壓直流電監測系統，包括順序連接的高壓直流源、高壓開關、直流高壓分壓裝置、隔離模塊、信號變送器、無線傳輸裝置和工控機。高壓直流電監測系統結構示意圖如圖1所示。

圖1 高壓直流電監測系統結構示意圖

其中直流高壓分壓裝置如圖2所示，用于對被測的高壓直流源進行分壓并將分壓后得到的低壓直流電壓信號輸出至隔離模塊；隔離模塊用于實現其輸出后的低壓部分與其輸入前的高壓部分的信號隔離；信號變送器將隔離模塊隔離后的低壓信號轉換為電流信號；無線傳輸裝置用于采集電流信號并無線傳輸；工控機接收無線傳輸裝置的數據并進行數據顯示。

圖2 直流高壓分壓裝置

圖3 無線傳輸裝置詢問式通信方式的流程圖

設計的無線傳輸裝置包括發送設備和接收設備，發送設備與信號變送器連接，接收設備與工控機連接；發送設備將信號變送器輸出的電流信號轉換為數字信號并調制為射頻信號，進行無線發送；接收設備用于對接收的射頻信號進行解調并將數字信號發送至工控機。無線傳輸裝置詢問式通信方式的流程圖如圖3所示。

本論文設計的高壓直流電監測方法，包括以下步驟。

第一，直流高壓分壓裝置將高壓直流源分壓后得到低壓直流電壓信號，經過隔離模塊將高壓部分與低壓部分進行隔離。

第二，隔離后的電壓信號經信號變送器轉換成電流信號，再經過無線傳輸裝置進行數據采集并傳輸至工控機進行數據顯示。

所述經過無線傳輸裝置進行數據采集并傳輸至工控機包括以下步驟。

發送設備將采集的模擬電流信號轉換為數字信號，調制為可以通過無線鏈路傳輸的射頻信號并發送；接收設備接收該射頻信號并進行解調，還原成數字信號。

通過結合實施實例對本論文所設計的內容做進一步的詳細說明。

本論文設計了一種高壓直流電監測系統的方法，適用于對不高于100kV的高壓直流電進行實時在線監測。該系統中，被測高壓源通過高壓開關連接到直流高壓分壓裝置上，分壓器的輸出端經信號隔離模塊將輸出信號傳送給信號變送器，信號變送器再通過無線傳輸裝置將信號傳遞給工控機，工控機再對高壓直流電進行實時顯示與存儲。本設計采用了特制的直流高壓分壓裝置和多重隔離防護，成功解決了高壓直流電實時在線監測難的問題。

其高壓監測的方法包括：高壓開關實現檢測回路的開啟和關閉。直流高壓分壓裝置對被測高壓源進行安全分壓。隔離模塊實現高壓部分與低壓部分的信號隔離。信號變送器對低壓信號進行變換傳遞。無線傳輸裝置實現信號的無線傳輸。工控機對信號進行處理、顯示與存儲。

高壓開關采用跌落式，具有滅弧保護和操作方便的特點，作為監測回路開啟和關閉操作之用。

直流高壓分壓裝置采用電阻等電位屏蔽式分壓結構。在此基礎上，采用高精密電阻和平衡式原理以保證分壓精度，采用無機復合固體絕緣材料以提高絕緣強度，采用進口的填充材料使得內部局部放電量達到最低。從而保證了分壓器具有較高穩定性、安全性和線性關系。在高壓端接入端裝有均壓球，有效防止由于高壓漫衍不均而引起局部擊穿。在使用過程中，直流高壓分壓裝置的接地線必須牢固接地。

隔離模塊采用獨立供電的信號隔離器，電源、輸入、輸出之間完全隔離，能有效的保證系統具有較高的抗干擾性能。

信號變送器的作用是將對隔離模塊的輸出電壓信號進行轉換，再將轉換后的信號傳遞給無線傳輸設備的發送端。

信號變送器采用電壓/電流的轉換形式，集隔離與變送于一體，具有線性好、溫度特性好、轉換精度高的特點，具有較強的抗干擾性能。

無線傳輸裝置在安全性上，在高壓直流電的監測系統中起著至關重要的作用。它從信號傳輸的硬件鏈路上進行了轉換，將電壓、電流信號轉換成無線電信號，在被監控源和監控中心之間采用無線通信方式，限制了高壓直流源突變或操作過電壓而引起的對監控中心的電流沖擊，保護了監控中心的硬件設備。

無線傳輸裝置采用ZigBee技術，遵循IEEE 802.15.4標準。ZigBee技術的特點是近距離、低功耗、低復雜度、自組織、低成本，主要適用于自動控制和遠程傳輸領域。

無線傳輸裝置采用DSSS擴展頻譜技術，該技術將要發送的數據信息通過偽隨機碼擴展到一個很寬的頻帶上去，在接收端，用與發送端使用的偽隨機碼對接收到的信號進行處理，從而恢復出傳輸的數據。DSSS擴頻技術采用全頻帶傳送資料，速度較快，而且具有較強的抗干擾性能，是一種安全可靠的工業應用技術。

無線傳輸裝置分為發送設備和接收設備。發送設備是對信號變送器的輸出電流信號進行采集，將采集到的信號進行A/D轉換，轉換成數字信號后，再進行無線傳輸。接收設備對接收到的數字信號進行處理，再通過串口將數據發送到工控機。

無線傳輸裝置的發送裝置和接收裝置，采用主從詢問式的數據采集方式。即監控中心發出詢問命令，詢問的目標地址為發送設備的地址。發送設備接收到詢問命令后，向監控中心發送本機地址作為應答。監控中心收到應答數據后，建立通信鏈路，監控中心向發送設備發送索取需要的數據信息的命令，發送設備將數據信息發送給監控中心，完成被監測信號源數據的上報工作。

無線傳輸裝置具有防雷保護功能，具體有三部分保護：天線系統防雷、電源系統防雷和數據線防雷。無線傳輸裝置外殼接大地，并裝有避雷針，輸入接口都做了光電隔離處理，因此具有較好的安全性能。

工控機與無線傳輸裝置的接收裝置通過串口相連，接受數字化的被監測源的數據信息，對該數據信息進行變換處理、顯示、存儲等操作。

上述高壓直流電監測系統可以實現對不高于100kV的高壓直流電進行實時在線監測。被測的高壓源為直流高壓，且額定電壓要求不能大于100kV。本實施所測的高壓直流電為100kV。

跌落式高壓開關，又稱跌落式熔斷器，安裝在監測線路上高壓源側作為線路，和進行監測線路的開啟和關閉的操作之用。在監測線路內使用跌落式高壓開關的具體操作是：將熔絲管兩端的動觸頭依靠熔體系緊，將上面的動觸頭推入“鴨嘴”狀的突出部分后，由磷銅片等制成的上面的靜觸頭頂著上面動觸頭，此時熔絲管就牢固地卡在“鴨嘴”里。高壓開關的過載保護或短路保護原理是：當監測線路內由過載或短路而引起電流過大，造成熔絲熔斷時，在高壓開關觸頭兩端產生電弧，熔絲管內襯的鋼紙管在電弧作用下產生大量的氣體。由于熔絲管的上端被堵死，氣體則向下端噴出，吹滅電弧。由于熔絲熔斷，熔絲管的上下動觸頭失去熔絲的系緊力，在熔絲管自身重力和上、下靜觸頭彈簧片的作用下，熔絲管迅速跌落，使電路斷開，保護監測線路。

一般情況下是不允許帶負荷操作跌落式熔斷器的，但是在額定容量小于200kVA的配電線路中允許按要求帶負荷操作。由于本高壓直流電監測系統線路內的容量小于50kVA，所以在本系統中，高壓開關是可以帶負荷操作的。帶負荷操作必須遵循以下要求：

操作必須由兩人進行，一人操作，一人監護。

操作人員必須穿戴絕緣手套、絕緣鞋、佩戴護目鏡。

合閘時，要先合迎風邊相，再合背風的邊相，最后合中間相。

拉閘時，要先拉中間相，再拉背風的邊相，最后拉迎風的邊相。

高壓分壓裝置的作用是實現對高壓直流源進行電壓安全分壓，經分壓器輸出的低電壓在可以進行變換、測量、處理的范圍之內。高壓分壓裝置的結構示意圖如圖2所示。其主要結構包括均壓球、分壓缸、底座、高壓端接口、接地接口和輸出端接口。其中均壓球的作用是使輸入的高壓在球形腔內均勻分布，保證在球形空間的各部位間沒有電壓差，這樣就避免了由于導入的高電壓在局部形成電壓過高而造成局部擊穿的現象。分壓缸的作用是對高壓電進行分壓，將高壓電按一定比例分壓成可以進行處理、變換、采集的低壓電。分壓缸的工作原理是：按照電阻分壓原理，將多個電阻串聯成高壓臂，并選擇阻值合適的電阻作為低壓臂，從而得到一定比例的分壓比（本實施例中采用1000/1）。影響分壓缸測量精度的最主要因素就是分壓比變化，而電阻阻值的不穩定又是引起分壓比變化的主因，因此，該分壓缸選用高精度電阻器件，受溫度和端電壓影響很小，從而保證了較好的分壓性能。且該分壓缸采用平衡式等電位屏蔽結構，具有測試準確、線性好、穩定性高等特點。

高壓分壓裝置在使用過程中，必須注意裝置底座要安置在平坦的地面，接地接口必須連接地線，并接地牢固。高壓端接口與被測高壓電源使用專用高壓線纜連接，并按要求固定到均壓球的頂端。在高壓直流電監測系統正常工作時，在高壓分壓裝置的輸出端就會有按一定比例進行分壓后的低電壓輸出（本實施為100V）。

隔離模塊連接到高壓分壓裝置的輸出端，另一端接到信號變送器的輸入端，實現高壓配電部分與低壓配電部分間的信號隔離作用，對低壓配電部分起到設備保護的作用。隔離模塊采用獨立供電的形式，其電源、輸入、輸出之間完全隔離，能有效的保證系統具有較高的抗干擾性能。

信號變送器的作用是對隔離模塊的輸出電壓信號進行變換處理的設備，將輸入的電壓信號變換為電流信號，以保證可靠的傳輸采集。其工作原理是：首先將輸入的電壓信號通過半導體器件進行調制，然后通過光感器件進行隔離轉換，之后在調制成與輸入信號呈線性關系的電流型信號，供無線傳輸裝置采集使用。

無線傳輸裝置的組網技術采用遵循IEEE 802.15.4個域網網絡協議標準的ZigBee技術，選用集成ZigBee技術的射頻收發器和微處理器，實現一種近距離、低功耗、自組網、可靠性強的網絡通信技術。集成ZigBee技術的射頻收發器和微處理器只需要很少的能量，就可以以接力的方式通過無線電波將數據從一個網絡節點傳到另一個節點，具有很高的通信效率。ZigBee網絡底層技術基于IEEE 802.15.4，即其物理層和數據鏈路層直接使用了IEEE 802.15.4的定義，其主要應用范圍是工業現場自動化控制數據傳輸，具有簡單、使用方便、工作可靠、價格低的特點。

無線傳輸裝置的傳輸技術采用2.4GHz頻段的直接序列展頻技術，即DSSS擴頻技術。DSSS擴頻技術的原理是采用高速率的偽噪聲碼序列與信息碼序列進行模相加，用得到的復合碼序列去控制載波的相位而獲得直接序列擴頻信號。也就是說，對原來具有較高功率的、較窄頻率的信號，調制成具有較寬頻譜的、較低功率的信號進行傳輸，以便在無線傳輸過程中獲得較高的抗噪聲性能。在傳輸的接收端，使用與發射端相同的擴頻碼序列進行解調，把展開的擴頻信號還原成原來的信號，就實現了擴頻傳輸。

無線傳輸裝置包含兩個部分：發送設備和接收設備。發送設備還具有數據采集功能，它接受外部電流型信號，電流型模擬信號進行模數轉換，轉換成數字信號，再對數字信號進行信號調制，再射頻傳輸。接收設備對接收到的射頻信號進行解調，還原成原始數字信號后，通過RS232串口將數字信號傳遞給工控機。

無線傳輸裝置的數據采集方式采用主從詢問式。與工控機相連的接收設備作為主站，相應的，發送設備被稱為從站。接收設備和工控機統稱為監控中心。主從詢問式的數據采集方式流程如圖3所示。由工控機發出數據采集命令，發送的命令為發送設備的目標地址。發送設備收到數據采集命令后，向發送設備發送索取采集數據命令。發送設備收到主站發來的命令后，對相應接入端口的電流型模擬量信號進行采集、模數轉換、調制，再將調制好的數字數據發送給接收設備。接收設備對收到的數值數據進行解跳處理后，將原始數字數據發送給工控機。

工控機的作用是對采集回來的數據進行處理、顯示和存儲。由于采集回來的數據都是二進制數據，而且在高壓端還經過分壓處理，所以需要工控機對數據進行轉變換，轉換成可以直觀讀取的高壓電壓值，以供顯示和存儲使用。工控機的軟件部分使用LabVIEW軟件開發編寫，具有界面美觀、操作便捷、功能齊全的特點。

3 實現步驟

如圖4所示，高壓直流電監測系統的具體步驟如下。

該系統中，被監測對象為一不高于100kV的高壓直流源，其內部信號為高壓直流電壓信號。經高壓分壓裝置按一定比例分壓后，電路中得到低壓直流電壓信號。經過隔離模塊，使得當前監測回路中的電壓信號與前面部分充分隔離，防止源級的高壓信號對后面信號處理產生干擾。隔離的電壓信號再經信號變送器，轉換成電流信號，使得信號傳輸更加穩定。電流信號經過無線發送設備進行數據采集，將模擬的電流信號轉換成數字信號，再進行數字信號處理，調制為可以通過無線鏈路傳輸的射頻信號。該射頻信號被無線接收設備解調后，還原成原始數字信號。PC機再通過程序對此數字信號進行處理，生成可以在顯示器上直觀顯示的數字字符。至此，就完成了對高壓直流電進行實時監測的整個過程。

圖4 高壓直流電監測系統的方法流程

4 結語

本設計由于采用以上技術設計，具有以下效果及優點。

（1）本發明可以實現對不高于100kV的高壓直流電進行實時在線監測。

（2）本發明中分壓器的輸出端經信號隔離模塊將輸出信號傳送給信號變送器，防止高壓部分對低壓部分的干擾與沖擊。

（3）本發明采用信號變送器，將電壓信號轉換為電流信號進行傳輸；由于電壓信號在傳輸過程中易受到干擾，而電流信號在信號傳輸中較穩定。

（4）無線傳輸裝置能夠實現現場與監控中心的實時數據傳輸，使操作者在監控中心就可以實時監測現場的高壓量值。

（5）本發明建立了一套間接測量高壓直流電系統，與已有其他系統相比，其系統組織合理，結構簡單，有完善的電氣隔離系統，靜態測量準確度可達0.1%，動態測量精度可達0.5%。

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