高压直流电监测系统的设计与实现

柏松，杨振辉，柏镇

（中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，辽宁 沈阳 110043）

1 背景

在电力、农业等众多领域中，很多实验设备都需要用到直流高压电。而为了能够有效的控制和利用直流高压电，对其测量值进行精确的检测与记录，就成为迫切的要求。一个理想的测量装置应具有良好的实时性，从被测对象所取的电流很小，在保证较高测量精度的同时，有完善的电气隔离。

现有的高压直流电检测系统大致分为直接测量系统和间接测量系统两种，直接测量系统又包括球隙测量系统、静电电压表测量系统、高压电子束测量系统、超导谐振腔测量系统等。其中，球隙测量系统和静电电压表测量系统测量精度低，而高压电子束测量系统和超导谐振腔测量系统结构又太复杂。因此，间接测量系统在高压电监测方面使用更为普遍。

2 系统设计

本设计的目的是对高压现场量值进行测量和传递提供一种能够实现高压直流电的精确测量的装置和方法。本论文设计的高压直流电监测系统，包括顺序连接的高压直流源、高压开关、直流高压分压装置、隔离模块、信号变送器、无线传输装置和工控机。高压直流电监测系统结构示意图如图1所示。

图1 高压直流电监测系统结构示意图

其中直流高压分压装置如图2所示，用于对被测的高压直流源进行分压并将分压后得到的低压直流电压信号输出至隔离模块；隔离模块用于实现其输出后的低压部分与其输入前的高压部分的信号隔离；信号变送器将隔离模块隔离后的低压信号转换为电流信号；无线传输装置用于采集电流信号并无线传输；工控机接收无线传输装置的数据并进行数据显示。

图2 直流高压分压装置

图3 无线传输装置询问式通信方式的流程图

设计的无线传输装置包括发送设备和接收设备，发送设备与信号变送器连接，接收设备与工控机连接；发送设备将信号变送器输出的电流信号转换为数字信号并调制为射频信号，进行无线发送；接收设备用于对接收的射频信号进行解调并将数字信号发送至工控机。无线传输装置询问式通信方式的流程图如图3所示。

本论文设计的高压直流电监测方法，包括以下步骤。

第一，直流高压分压装置将高压直流源分压后得到低压直流电压信号，经过隔离模块将高压部分与低压部分进行隔离。

第二，隔离后的电压信号经信号变送器转换成电流信号，再经过无线传输装置进行数据采集并传输至工控机进行数据显示。

所述经过无线传输装置进行数据采集并传输至工控机包括以下步骤。

发送设备将采集的模拟电流信号转换为数字信号，调制为可以通过无线链路传输的射频信号并发送；接收设备接收该射频信号并进行解调，还原成数字信号。

通过结合实施实例对本论文所设计的内容做进一步的详细说明。

本论文设计了一种高压直流电监测系统的方法，适用于对不高于100kV的高压直流电进行实时在线监测。该系统中，被测高压源通过高压开关连接到直流高压分压装置上，分压器的输出端经信号隔离模块将输出信号传送给信号变送器，信号变送器再通过无线传输装置将信号传递给工控机，工控机再对高压直流电进行实时显示与存储。本设计采用了特制的直流高压分压装置和多重隔离防护，成功解决了高压直流电实时在线监测难的问题。

其高压监测的方法包括：高压开关实现检测回路的开启和关闭。直流高压分压装置对被测高压源进行安全分压。隔离模块实现高压部分与低压部分的信号隔离。信号变送器对低压信号进行变换传递。无线传输装置实现信号的无线传输。工控机对信号进行处理、显示与存储。

高压开关采用跌落式，具有灭弧保护和操作方便的特点，作为监测回路开启和关闭操作之用。

直流高压分压装置采用电阻等电位屏蔽式分压结构。在此基础上，采用高精密电阻和平衡式原理以保证分压精度，采用无机复合固体绝缘材料以提高绝缘强度，采用进口的填充材料使得内部局部放电量达到最低。从而保证了分压器具有较高稳定性、安全性和线性关系。在高压端接入端装有均压球，有效防止由于高压漫衍不均而引起局部击穿。在使用过程中，直流高压分压装置的接地线必须牢固接地。

隔离模块采用独立供电的信号隔离器，电源、输入、输出之间完全隔离，能有效的保证系统具有较高的抗干扰性能。

信号变送器的作用是将对隔离模块的输出电压信号进行转换，再将转换后的信号传递给无线传输设备的发送端。

信号变送器采用电压/电流的转换形式，集隔离与变送于一体，具有线性好、温度特性好、转换精度高的特点，具有较强的抗干扰性能。

无线传输装置在安全性上，在高压直流电的监测系统中起着至关重要的作用。它从信号传输的硬件链路上进行了转换，将电压、电流信号转换成无线电信号，在被监控源和监控中心之间采用无线通信方式，限制了高压直流源突变或操作过电压而引起的对监控中心的电流冲击，保护了监控中心的硬件设备。

无线传输装置采用ZigBee技术，遵循IEEE 802.15.4标准。ZigBee技术的特点是近距离、低功耗、低复杂度、自组织、低成本，主要适用于自动控制和远程传输领域。

无线传输装置采用DSSS扩展频谱技术，该技术将要发送的数据信息通过伪随机码扩展到一个很宽的频带上去，在接收端，用与发送端使用的伪随机码对接收到的信号进行处理，从而恢复出传输的数据。DSSS扩频技术采用全频带传送资料，速度较快，而且具有较强的抗干扰性能，是一种安全可靠的工业应用技术。

无线传输装置分为发送设备和接收设备。发送设备是对信号变送器的输出电流信号进行采集，将采集到的信号进行A/D转换，转换成数字信号后，再进行无线传输。接收设备对接收到的数字信号进行处理，再通过串口将数据发送到工控机。

无线传输装置的发送装置和接收装置，采用主从询问式的数据采集方式。即监控中心发出询问命令，询问的目标地址为发送设备的地址。发送设备接收到询问命令后，向监控中心发送本机地址作为应答。监控中心收到应答数据后，建立通信链路，监控中心向发送设备发送索取需要的数据信息的命令，发送设备将数据信息发送给监控中心，完成被监测信号源数据的上报工作。

无线传输装置具有防雷保护功能，具体有三部分保护：天线系统防雷、电源系统防雷和数据线防雷。无线传输装置外壳接大地，并装有避雷针，输入接口都做了光电隔离处理，因此具有较好的安全性能。

工控机与无线传输装置的接收装置通过串口相连，接受数字化的被监测源的数据信息，对该数据信息进行变换处理、显示、存储等操作。

上述高压直流电监测系统可以实现对不高于100kV的高压直流电进行实时在线监测。被测的高压源为直流高压，且额定电压要求不能大于100kV。本实施所测的高压直流电为100kV。

跌落式高压开关，又称跌落式熔断器，安装在监测线路上高压源侧作为线路，和进行监测线路的开启和关闭的操作之用。在监测线路内使用跌落式高压开关的具体操作是：将熔丝管两端的动触头依靠熔体系紧，将上面的动触头推入“鸭嘴”状的突出部分后，由磷铜片等制成的上面的静触头顶着上面动触头，此时熔丝管就牢固地卡在“鸭嘴”里。高压开关的过载保护或短路保护原理是：当监测线路内由过载或短路而引起电流过大，造成熔丝熔断时，在高压开关触头两端产生电弧，熔丝管内衬的钢纸管在电弧作用下产生大量的气体。由于熔丝管的上端被堵死，气体则向下端喷出，吹灭电弧。由于熔丝熔断，熔丝管的上下动触头失去熔丝的系紧力，在熔丝管自身重力和上、下静触头弹簧片的作用下，熔丝管迅速跌落，使电路断开，保护监测线路。

一般情况下是不允许带负荷操作跌落式熔断器的，但是在额定容量小于200kVA的配电线路中允许按要求带负荷操作。由于本高压直流电监测系统线路内的容量小于50kVA，所以在本系统中，高压开关是可以带负荷操作的。带负荷操作必须遵循以下要求：

操作必须由两人进行，一人操作，一人监护。

操作人员必须穿戴绝缘手套、绝缘鞋、佩戴护目镜。

合闸时，要先合迎风边相，再合背风的边相，最后合中间相。

拉闸时，要先拉中间相，再拉背风的边相，最后拉迎风的边相。

高压分压装置的作用是实现对高压直流源进行电压安全分压，经分压器输出的低电压在可以进行变换、测量、处理的范围之内。高压分压装置的结构示意图如图2所示。其主要结构包括均压球、分压缸、底座、高压端接口、接地接口和输出端接口。其中均压球的作用是使输入的高压在球形腔内均匀分布，保证在球形空间的各部位间没有电压差，这样就避免了由于导入的高电压在局部形成电压过高而造成局部击穿的现象。分压缸的作用是对高压电进行分压，将高压电按一定比例分压成可以进行处理、变换、采集的低压电。分压缸的工作原理是：按照电阻分压原理，将多个电阻串联成高压臂，并选择阻值合适的电阻作为低压臂，从而得到一定比例的分压比（本实施例中采用1000/1）。影响分压缸测量精度的最主要因素就是分压比变化，而电阻阻值的不稳定又是引起分压比变化的主因，因此，该分压缸选用高精度电阻器件，受温度和端电压影响很小，从而保证了较好的分压性能。且该分压缸采用平衡式等电位屏蔽结构，具有测试准确、线性好、稳定性高等特点。

高压分压装置在使用过程中，必须注意装置底座要安置在平坦的地面，接地接口必须连接地线，并接地牢固。高压端接口与被测高压电源使用专用高压线缆连接，并按要求固定到均压球的顶端。在高压直流电监测系统正常工作时，在高压分压装置的输出端就会有按一定比例进行分压后的低电压输出（本实施为100V）。

隔离模块连接到高压分压装置的输出端，另一端接到信号变送器的输入端，实现高压配电部分与低压配电部分间的信号隔离作用，对低压配电部分起到设备保护的作用。隔离模块采用独立供电的形式，其电源、输入、输出之间完全隔离，能有效的保证系统具有较高的抗干扰性能。

信号变送器的作用是对隔离模块的输出电压信号进行变换处理的设备，将输入的电压信号变换为电流信号，以保证可靠的传输采集。其工作原理是：首先将输入的电压信号通过半导体器件进行调制，然后通过光感器件进行隔离转换，之后在调制成与输入信号呈线性关系的电流型信号，供无线传输装置采集使用。

无线传输装置的组网技术采用遵循IEEE 802.15.4个域网网络协议标准的ZigBee技术，选用集成ZigBee技术的射频收发器和微处理器，实现一种近距离、低功耗、自组网、可靠性强的网络通信技术。集成ZigBee技术的射频收发器和微处理器只需要很少的能量，就可以以接力的方式通过无线电波将数据从一个网络节点传到另一个节点，具有很高的通信效率。ZigBee网络底层技术基于IEEE 802.15.4，即其物理层和数据链路层直接使用了IEEE 802.15.4的定义，其主要应用范围是工业现场自动化控制数据传输，具有简单、使用方便、工作可靠、价格低的特点。

无线传输装置的传输技术采用2.4GHz频段的直接序列展频技术，即DSSS扩频技术。DSSS扩频技术的原理是采用高速率的伪噪声码序列与信息码序列进行模相加，用得到的复合码序列去控制载波的相位而获得直接序列扩频信号。也就是说，对原来具有较高功率的、较窄频率的信号，调制成具有较宽频谱的、较低功率的信号进行传输，以便在无线传输过程中获得较高的抗噪声性能。在传输的接收端，使用与发射端相同的扩频码序列进行解调，把展开的扩频信号还原成原来的信号，就实现了扩频传输。

无线传输装置包含两个部分：发送设备和接收设备。发送设备还具有数据采集功能，它接受外部电流型信号，电流型模拟信号进行模数转换，转换成数字信号，再对数字信号进行信号调制，再射频传输。接收设备对接收到的射频信号进行解调，还原成原始数字信号后，通过RS232串口将数字信号传递给工控机。

无线传输装置的数据采集方式采用主从询问式。与工控机相连的接收设备作为主站，相应的，发送设备被称为从站。接收设备和工控机统称为监控中心。主从询问式的数据采集方式流程如图3所示。由工控机发出数据采集命令，发送的命令为发送设备的目标地址。发送设备收到数据采集命令后，向发送设备发送索取采集数据命令。发送设备收到主站发来的命令后，对相应接入端口的电流型模拟量信号进行采集、模数转换、调制，再将调制好的数字数据发送给接收设备。接收设备对收到的数值数据进行解跳处理后，将原始数字数据发送给工控机。

工控机的作用是对采集回来的数据进行处理、显示和存储。由于采集回来的数据都是二进制数据，而且在高压端还经过分压处理，所以需要工控机对数据进行转变换，转换成可以直观读取的高压电压值，以供显示和存储使用。工控机的软件部分使用LabVIEW软件开发编写，具有界面美观、操作便捷、功能齐全的特点。

3 实现步骤

如图4所示，高压直流电监测系统的具体步骤如下。

该系统中，被监测对象为一不高于100kV的高压直流源，其内部信号为高压直流电压信号。经高压分压装置按一定比例分压后，电路中得到低压直流电压信号。经过隔离模块，使得当前监测回路中的电压信号与前面部分充分隔离，防止源级的高压信号对后面信号处理产生干扰。隔离的电压信号再经信号变送器，转换成电流信号，使得信号传输更加稳定。电流信号经过无线发送设备进行数据采集，将模拟的电流信号转换成数字信号，再进行数字信号处理，调制为可以通过无线链路传输的射频信号。该射频信号被无线接收设备解调后，还原成原始数字信号。PC机再通过程序对此数字信号进行处理，生成可以在显示器上直观显示的数字字符。至此，就完成了对高压直流电进行实时监测的整个过程。

图4 高压直流电监测系统的方法流程

4 结语

本设计由于采用以上技术设计，具有以下效果及优点。

（1）本发明可以实现对不高于100kV的高压直流电进行实时在线监测。

（2）本发明中分压器的输出端经信号隔离模块将输出信号传送给信号变送器，防止高压部分对低压部分的干扰与冲击。

（3）本发明采用信号变送器，将电压信号转换为电流信号进行传输；由于电压信号在传输过程中易受到干扰，而电流信号在信号传输中较稳定。

（4）无线传输装置能够实现现场与监控中心的实时数据传输，使操作者在监控中心就可以实时监测现场的高压量值。

（5）本发明建立了一套间接测量高压直流电系统，与已有其他系统相比，其系统组织合理，结构简单，有完善的电气隔离系统，静态测量准确度可达0.1%，动态测量精度可达0.5%。

[1]胡强,王渝红,邓鸿强,李兴源,朱静.高压直流输电系统主设备状态监测分析[J]. 电力与能源, 2014 , 35 (2) :172-175.

[2]檀金华.高压直流输电系统主设备状态监测的探讨[J].中国电业:技术版, 2015 (2).

[3]敬东 ,滕福生,张晓,李成印 ,李世望.电力监控系统实时级互联的研究[J].电力系统自动化, 1999 , 23 (14) :54-56.