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畢業(yè)設(shè)計(jì)-基于油中溶解氣體分析的電力變壓器故障分析裝置設(shè)計(jì)-資料下載頁

2024-12-01 19:33本頁面

【導(dǎo)讀】網(wǎng)的供電可靠性。本文以電力變壓器為研究對象,采用虛擬儀器技術(shù)開展了基于油。中溶解氣體的電力變壓器故障分析系統(tǒng)的研究和開發(fā)工作。于油中溶解氣體分析故障的重要意義,詳細(xì)分析了國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。其次,研究了油中溶解氣體的主要類型及其在不同故障狀態(tài)下的各種比例關(guān)系原理,確定采用改良型三要素法進(jìn)行電力變壓器故障診斷。對本文編程所用的LabVIEW語。言進(jìn)行了簡單的介紹。最后,使用重慶大學(xué)高電壓研究所研制的MQ系列分布復(fù)合。式氣體濃度傳感器,國家儀器公司的PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡作為數(shù)據(jù)采集通道,對實(shí)驗(yàn)室模擬的信號進(jìn)行采集與處理,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的仿真。重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

  

【正文】 須要注意所采集的信號與相應(yīng)的被 檢測的關(guān)鍵氣體之間的對應(yīng)關(guān)系,否則很容易出現(xiàn)誤讀誤判的不良后果。 軟件模塊設(shè)計(jì) 對由傳感器采集來的信號通過硬件電路的傳輸之后進(jìn)入控制計(jì)算機(jī),在通過控制計(jì)算機(jī)中的軟件程序?qū)Ρ徊杉窟M(jìn)行比較和判定,最后得出故障的類型和狀態(tài)。在本模塊中,核心的部分是使用虛擬儀器,并且基于這一平臺,利用 LabVIEW 軟件對相關(guān)狀態(tài)進(jìn)行判定。 虛擬儀器 (Virtual Instrument, 簡稱 VI)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物,是當(dāng)今計(jì)算機(jī)輔助測試 (CAT)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)。虛擬儀器是計(jì)算機(jī)硬件資源 、儀器與控制系統(tǒng)硬件資源和虛擬儀器軟件資源三者的有效組合?;诖?,本方案決定采用虛擬儀器技術(shù)作為 軟件編程平臺。 所謂虛擬儀器,就是在以計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺上,其功能由用戶設(shè)計(jì)和定義,具有虛擬面板,其測試功能有測試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。虛擬儀器的實(shí)質(zhì)是利用計(jì)算機(jī)顯示器的現(xiàn)實(shí)功能來模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板,以多種形式的表達(dá)輸出檢測結(jié)果 ; 利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析和處理 。利用 I/O 接口設(shè)備完成信號的采集、測量和調(diào)理,從而完成各種測試功能的一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)的顯示器類似傳統(tǒng) 儀器的指示面板,輸入設(shè)備 (如鼠標(biāo),鍵盤 )相當(dāng)于傳統(tǒng)儀器的各種功能按鈕 ; 輸出設(shè)備具有很多形式,打印機(jī)、磁盤機(jī),及光存儲設(shè)備,這些是傳統(tǒng)儀器所沒有的。同時(shí),計(jì)算機(jī)還具有豐富的功能,這些功能可以為虛擬儀器系統(tǒng)所使用。使用者用鼠標(biāo)或鍵盤操作虛擬面板,就如同使用一臺專用測量儀器一樣。 LabVIEW 是一種基于 G 語言 (Graphics Language,圖形化編程語言 )的虛擬儀器軟件開發(fā)工具。 LabVIEW 作為一個(gè)具有良好開放性的虛擬儀器開發(fā)平臺,為虛擬儀器的開發(fā)和設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的支持,目前是應(yīng)用比較廣泛的虛擬儀器開 發(fā)語言。 LabVIEW繼承了與滿足 GPIB, VXI, RS232和 RS455協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用 TCP/IP, ActiveX 等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)。這是 21 一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立起自己的虛擬儀器,其圖形化的界面使得編程及使用過程都變的生動有趣。圖形化的程序語言,又 稱為 “ G 語言 ” 。使用這種語言編程時(shí),基本上不寫程序代碼,取而代之的是流程圖。它盡可能利用了技術(shù)人員、科學(xué)工程時(shí)所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念。因此, LabVIEW 是一個(gè)面向最終用戶的工具。它可 以增強(qiáng)用戶構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力,提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí),可以大大提高工作效率。 本章小結(jié) 本章中首先介紹傳感器模塊,主要介紹了它的實(shí)現(xiàn)原理和它的優(yōu)勢;其次介紹硬件模塊,主要介紹其性能、數(shù)據(jù)的采集及傳輸方式;最后介紹軟件模塊,對虛擬儀器技術(shù)和 LabVIEW 軟件在檢測技術(shù)中的應(yīng)用及其優(yōu)勢進(jìn)行有效的說明。 22 4 硬件設(shè)計(jì) 油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置硬件組成 在本設(shè)計(jì)中,采用國家儀器公司的 BNC2120 數(shù)據(jù)采集通道和 PCI6221 數(shù)據(jù)采集卡,對 MQ 系列復(fù)合分布式氣體傳感器所采的信號進(jìn)行采樣與傳輸。相關(guān)的結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。 M Q 復(fù) 合 分 布式 氣 體 傳 感 器1 乙 炔2 乙 烯3 甲 烷4 氫 氣5 乙 烷6 二 氧 化 碳8 基 準(zhǔn)7 一 氧 化 碳 多 路 開關(guān)量 程 切換低 通 濾波P C I 6 2 2 1 數(shù) 據(jù) 采集 卡數(shù) 據(jù) 采 集 卡 控 制信 號隔 離控 制 計(jì) 算 機(jī)B N C 2 1 20 數(shù) 據(jù) 采集 通 道 圖 硬件電路結(jié)構(gòu)圖 一般很少把傳感器或來自被測系統(tǒng)的信號直接接入數(shù)據(jù)采集卡,因?yàn)閿?shù)據(jù)采集卡可能會對信號產(chǎn)生干擾,從而影響系統(tǒng)操作 。同時(shí)還需把信號范圍控制在數(shù)據(jù)采集卡的量程之內(nèi),并要避免噪聲。系統(tǒng)中有很多噪聲源,包括傳感器、電纜串音及 A/D轉(zhuǎn)換等都會嚴(yán)重影響信號質(zhì)量??傊畟鞲衅鞯碾娦盘柋仨毞蠑?shù)據(jù)采集卡所能接 受的格式,否則就必須轉(zhuǎn)換調(diào)理,調(diào)理方式包括放大、隔離、濾波、激勵(lì)、線性化等。 氣體傳感器選擇原則與確定 傳感器模塊 氣體傳感器是一種把混合氣體中特定的成分檢測出來,并將它轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)碾娦盘柕钠骷?,有的稱氣敏元件,它是化學(xué)傳感器的重要組成部分,涉及用于化學(xué)傳感器的化學(xué)物質(zhì)的檢測原理。傳感器具有與被測物質(zhì)接觸并產(chǎn)生物性變化的敏感部分,當(dāng)加以外部能量時(shí),就可以檢測出其變化,并可作為傳感器信號取出。這種典型的例子就是半導(dǎo)體氣體傳感器。本方案所采用的重慶大學(xué)高電壓研究所研制的 MQ 系列分布復(fù)合式 氣體濃度傳感器即是一種典型的半導(dǎo)體氣體傳感器。 半導(dǎo)體氣體傳感器的檢測原理 當(dāng)金屬氧化物半導(dǎo)體吸附某些特定氣體時(shí),其導(dǎo)電系數(shù)和功率函數(shù)就會發(fā)生變化,但將其用作氣體傳感器的嘗試則是很晚的事情了。最早的使用 ZnO 等金屬氧化 23 物半導(dǎo)體制作成分離膜,實(shí)驗(yàn)表明, 該 膜在加熱的條件下,對 H 酒精 、 碳?xì)浠衔锓浅C舾?,顯示出很大的阻值變化。同時(shí),若把 SnO2粉末涂布在陶瓷支座上,這種原件對氣體也很敏感,并可以用作半導(dǎo)體煤氣 報(bào)警。后來,隨著技術(shù)的進(jìn)步,利用電場效應(yīng)的晶體管(場效應(yīng)管)型 二極管型氣體傳感器也逐漸發(fā)展與 成熟。因此可以說,到目前為止,半導(dǎo)體氣體傳感器的主要類型已經(jīng)問世,但在變壓器油中溶解氣體在線檢測中用得最多的還是電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器。 復(fù)合分布式氣體傳感器的結(jié)構(gòu)及檢測原理 本文所采用的 MQ 型復(fù)合分布式式氣體傳感器,屬于半導(dǎo)體型氣體傳感器。其構(gòu)成原理如下: 將 A1,B1 金屬粉末按一定重量比例均勻混合,在 900~1100℃ 熔化,調(diào)制成漿料,高溫均勻地涂抹在該傳感器的整個(gè)絕緣基片上,室溫放置 12~36h 后制成金屬氧化物元件對 H2 和 C2H4 具有較好的選擇性和較高的靈敏度。將 A2 金屬氧化物粉末和磨碎 的 B2 金屬粉末按一定重量比例混合均勻,在 900~1100℃ 熔化,調(diào)制成漿料,高溫均勻地涂抹在該傳感器的整個(gè)絕緣基片上,室溫放置 12~36h 后制成金屬氧化物元件對 CH4和 C2H6具有較好的選擇性和較高的靈敏度和分辨率。將 A2,A3,A4 金屬氧化物粉末按一定重量比例混合均勻,在 900~1100℃ 熔化,調(diào)制成漿料,高溫均勻地涂抹在該傳感器的整個(gè)絕緣基片上,室溫放置 12~36h 后制成金屬氧化物元件對C2H2具有較好的選擇性和較高的靈敏度和分辨率。 MQ 型系列傳感器構(gòu)成了一個(gè)傳感器陣列而組成的復(fù)合分布式傳感器,當(dāng)給 出混合氣體( CH C2H C2H C2H CO 和 H2)后,不同的傳感器單元分別相應(yīng)各自的特征氣體,此檢測方法充分利用了不同氣體的分辨能力,具體 如圖 所示。 24 H2C O C H4C2H4C2H2C2H61 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0H2C O C H4C2H4C2H2C2H61 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0H2C O C H4C2H4C2H2C2H61 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0H2C O C H4C2H4C2H2C2H61 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0H2C O C H4C2H4C2H2C2H61 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0H2C O C H4C2H4C2H2C2H61 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0輸 出 電 壓 / m v輸 出 電 壓 / m v輸 出 電 壓 / m v( a ) ( b )( c )( d )( e ) ( f )圖 傳感器模塊中各種氣體單元的分辨特性 (a)H2 傳感單元的分辨特性( H2 濃度 40uL/L) (b)CO 傳感單元的分辨特性( CO 濃度 200uL/L) (c)CH4 傳感單元的分辨特性( CH4濃度 50uL/L) (d)C2H4 傳感單元的分辨特性( C2H4 濃度 50uL/L) (e)C2H2 傳感單元的分辨特性( C2H2 濃度 30uL/L) (f)C2H6傳感單元的分辨特性( C2H6濃 50uL/L) 從圖 中可以看出,每種氣體的傳感單元對各自的檢測氣體的靈敏度明顯高于其他氣體,有些相互交叉的氣體成分通過一定的軟件處理方法排除干擾誤差,可以正確的檢測 H CO、 CH C2H C2H4和 C2H6 六種溶解氣體濃度,這樣盡管加大了對傳感器的要求,但可以大大簡化整套裝置的結(jié)構(gòu),減少了裝置維護(hù)工作,提高了整個(gè)檢測靈敏度,是變壓器油中六種溶解氣體在線檢測技術(shù)的發(fā)展方向。 25 信號傳輸通道選擇原 則與確定 多路選擇開關(guān) 系統(tǒng)輸入信號為七種關(guān)鍵氣體的濃度值,經(jīng)過傳感器模塊處理轉(zhuǎn)換為七路直流電壓信號,通過雙通道多路選擇開關(guān)一一輸出,分別進(jìn)行放大、濾波后送入數(shù)據(jù)采集卡。 程控增益放大器 為了提高測量精度,有效地抑制干擾信號,我們常常需要根據(jù)測量信號的動態(tài)范圍和特點(diǎn)以及對測量精度、分辨率的要求諸因素來確定增益檔數(shù)的設(shè)定和確定自動換檔的原則,這些都要根據(jù)具體問題而定。 信號濾波 在傳感器輸出的測量信號中,往往包含有許多與被測量無關(guān)的信號,形成干擾信號,需要通過濾波電路濾掉。其 功能在于濾除信號中的干擾成份,如高頻信號、有外界干擾引入的各種噪聲,保留有用信號,從而提高測量精度。在儀器儀表中,通常采用低通濾波器,無源 RC 濾波器的 Q 值太低,很難有陡峭的過渡帶,將運(yùn)放與反饋引入 RC 濾波器,構(gòu)成有源 RC 濾波器,可以使 Q 值提高。所以本系統(tǒng)中采用有源低通濾波器。 信號隔離 電路隔離的主要目的是通過隔離元器件把噪聲干擾的路徑切斷,從而達(dá)到抑制噪聲干擾的效果。在采用了電路隔離的措施以后,絕大多數(shù)電路都能夠取得良好的抑制噪聲的效果,使設(shè)備符合電磁兼容性的要求。 隔離電路 的設(shè)計(jì)主要出于兩種考慮 : 第一,保護(hù)被測電路和測試電路,使其不至于因測試電路或被測電路的故障而影響整個(gè)系統(tǒng)的工作。第二,減小環(huán)境噪聲對測試電路的影響。為保護(hù)后級設(shè)備、保證測量結(jié)果的有效性,測試電路與被測電路必須做到嚴(yán)格的電氣隔離,隔離電路應(yīng)具有較高的精度。電路的成本和體積也要符合工程需要。 光電 耦合 器以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用,所以在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。光 耦合 器一般由三部分組成 :光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管 (LED),使之發(fā)出一定波長的 光,被光探測器接收而產(chǎn)生光電流,再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電 —— 光 —— 電 26 的轉(zhuǎn)換,從而起到輸入、輸出 和 隔離的作用。由于光電 耦合 器輸入輸出間互相隔離,電信號傳輸具有單向性等特點(diǎn),因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力,且光 耦合 器的輸入端 屬于 電流型工作的低阻元件,因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力。所以,它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計(jì)一算機(jī)數(shù)字通信及實(shí)時(shí)控制中作為信一號隔離的接口器件,可以大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性。 由于數(shù)字 I/O 口分別有 8 個(gè)數(shù)字輸入端 (多路選擇開關(guān)需要 2 個(gè)控制 信號, 2 片自動增益控制芯片需要 6 個(gè)控制信號 )和 8 個(gè)數(shù)字輸出端 (數(shù)據(jù)采集卡 I/O 端 ),故可選用具有 4 個(gè)隔離通道的 TLP52I 40。 其應(yīng)用電路如圖 所示。 圖 外部輸入與內(nèi)部電路的隔離 NI 公司 PCI6221 數(shù)據(jù)采集卡 NI PCI6221 是一款低價(jià)位多功能 M 系列數(shù)據(jù)采集 (DAQ)板卡,經(jīng)優(yōu)化適用于需要控制成本的應(yīng)用。 該 信號采集卡是具有 5 倍采樣速率的高速 M 系列設(shè)備或具有 4 倍分辨率和出眾測量精度的高精度 M 系列設(shè)備。低價(jià)位 M 系列設(shè)備包括了一些高級特色,如 NISTC 2 系統(tǒng)控制器 、 NIPGIA 2 可編程放大器和 NIMCal 校準(zhǔn)技術(shù),從而提高了性能和精度。 ( 1)驅(qū)動軟件 M 系列設(shè)備可在多種操作系統(tǒng)上使用,有三個(gè)驅(qū)動軟件可供選擇,包括NIDAQmx、 NIDAQmx Base 和測量硬件 DDK。瀏覽資源欄,了解驅(qū)動軟件的更多信息或下載驅(qū)動程序。 NI M系列設(shè)備與傳統(tǒng)的 NIDAQ(Legacy)驅(qū)動程序不兼容。 ( 2)應(yīng)用軟件 每個(gè) M 系列數(shù)據(jù)采集設(shè)備均包含一份 NI LabVIEW Signal Express 的副本,能夠?qū)崿F(xiàn)無需編程即可快速采集
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