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1、太原理工大学 硕士学位论文 基于嵌入式系统的氧化锌避雷器带电测试仪设计 姓名：李德 申请学位级别：硕士 专业：电路与系统 指导教师：冀小平 20100401 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 基于嵌入式系统的氧化锌避雷器带电测试仪设计 摘 要 避雷器作为电气设备过电压保护装置，其性能的优劣对电气设备安全 运行起着很大的作用。氧化锌避雷器（MOA）是一种新型保护器，具有优 良的过电压保护特性，在电力系统中得到广泛的应用。因此，对 MOA 绝 缘状况的检测具有重要意义。在线测试 MOA，可以在不停电检查的情况 下，随时了解 MOA 的运行状况，及时发现异常现象和事故隐患并采取预 防措施，防止事故
2、扩大造成经济损失。 本文基于学术研究和工程应用，介绍了 MOA 在线测试的基本原理， 分析了通过阻性电流判断 MOA 性能的重要性，提出了通过相电压和总泄 漏电流获取阻性电流的方法。在对以上问题研究的基础上设计了由相电压 数据采集单元、总泄漏电流数据采集单元、数据传输单元和数据处理单元 组成的嵌入式 MOA 在线测试仪。该测试仪具有实时数据采集、波形动态 显示、当前数据存储、历史数据查询等功能，对于 MOA 的在线检测具有 很强的实用性。 本文详细分析了嵌入式氧化锌避雷器带电测试仪的相关理论及实现过 程，主要工作包括： (1) 查阅相关文献，了解 MOA 在线测试和嵌入式系统的研究现状， 并对
3、本课题进行需求分析和可行性分析。 (2) 制定系统总体设计方案。根据 MOA 在线测试的原理，将系统分 为三个部分：数据采集、数据传输和数据处理。数据采集部分采用 CPLD 和 FPGA 控制 MAX125 进行 AD 转换，完成电压和电流信号的采样；数据 处理部分采用基于 Windows CE 操作系统的手持终端对数据传输部分通过 USB 传输的采集数据进行分析和处理。 太原理工大学硕士研究生学位论文 II (3) 系统硬件电路设计。 包括硬件芯片的选型， 电路原理图的设计， PCB 板的设计及定做，实物安装并进行硬件测试。 (4) 系统软件程序设计。 利用 VHDL 设计了 FPGA 进行
4、数据采集的 AD 转换控制器和 ARM 总线接口控制器，实现了 S3C2440A 的 USB 总线枚举 和数据传输程序，完成了 Windows CE 操作系统下 USB 设备驱动程序的开 发工作，并进行了应用程序中数据采集部分的程序设计。 (5) 对全文进行总结。指出了本设计存在的问题和下一步的工作。 系统的设计和应用将有助于对 MOA 状态进行检测和对历史数据进行 查询分析，达到保证电力系统稳定运行的目的。以后我们将进一步扩展手 持终端的功能，以满足国家建设智能电网和坚强型电网的要求。 关键词：氧化锌避雷器，在线测试，泄漏电流，阻性电流 太原理工大学硕士研究生学位论文 III DESIGN
5、OF MOA ON-LINE TESTER BASED ON EMBEDDED SYSTEM ABSTRACT Arrester is one of the most important apparatus in electrical equipment over voltage protection. The quality of its performance plays an important role in maintaining the safety of electrical equimment. MOA is a newly developed protector and ha
6、s very good over voltage protection characteristics, which makes it is applied widely in power system. Hence, the on-line testing for MOA is of importance. By applying the MOA on-line testing technology, we can understand the performance condition of MOA at any time without unnecessary power-cut-off
7、 overhaul. Thus we can detect the abnormal phenomena and hidden accidents of MOA in time, take measure in advance to prevent the accident from getting worse and to avoid the economic loss resulted from the accident. This paper is based on study and application, the basic theory of MOA tester is intr
8、oduced, the importance of estimating the performance of MOA by resistive current is analyzed and the method to getting resistive current by phase voltage and leakage current is presented. Based on above study, a MOA on-line tester which consists of phase voltage data collection unit, leakage current
9、 data collection unit, data transfer unit and data processing unit is developed. With the functions of real-time data collection, waveform dynamic display, current data storage and historical data inquire, it has a strong practicality in MOA on-line testing. This paper detaied introduces the related
10、 theory and implementation process of the embedded MOA on-line tester. The main works of this paper include: 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV (1) Consult relevant literatures, to understand research status of on-line testing about MOA and embedded system, moreover, to make requirement analysis and feasibility ana
11、lysis for this project. (2) Formulate the overall design scheme for this system. According to the relevant analysis principle of MOA on-line testing, the system is divided into three parts: data collection, data transfers and data process. Data collection part adopts CPLD and FPGA to control the AD
12、conversion of MAX125 to fulfil the sampling signals of both voltage and current. The handheld terminal of data process part, based on Windows CE operation system, analyze and process the data received from data transfers with USB. (3) The system hardware circuit design. Including selection of hardwa
13、re chips, circuit schematic design, PCB board design and custom-made, physical hardware to install and test. (4) The system software program design. The controllers of AD converter and ARM bus in data collection part is implemented, the program of setup USB connector and transfer data in S3C2440A is
14、 developed, the USB device driver under Windows CE operation system is worked out, the program of data collection in application software is designed. (5) Summarize this paper. Point out that the problems existing in the design and the next work. The application of this system will help to testing t
15、he status of MOA and the electric power system can run in the reliable state by inquire and analyse the historical data. Further more, we will add more functions of the handheld terminal to face the demand of building intelligent and powerful grid. KEYWORDS: Metal Oxide Arrester, on-line testing, le
16、akage current, resistive current 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪论 1.1 选题的目的和意义 氧化锌避雷器（Metal Oxide Arrester，简称 MOA）是 70 年代中期出现的新型过电 压保护器，其关键元件是氧化锌阀片。与以前的碳化硅阀片相比，其具有更加优良的 非线性特性，而且通流能力大、结构简单、可靠性高，这使得其在正常工作电压下接 近于绝缘状态，因而在电力系统中得到广泛的应用。 虽然 MOA 和碳化硅避雷器相比具有很多优点，各种性能也有了很大的改善，但 在投入电力系统使用以后，也出现了各种各样的问题，归纲起来主要有以下几个方面1： (1) 由于 MOA 取消了串联间隙，在电网运行电压的作用下，其本体要流通电流， 电流中的有功分量将使氧化锌阀片发热，继而引起伏安特性的变化。这是一个正反馈 过程。长期作用的结果将导致氧化锌阀片老化，直至出现热击穿。 (2) MOA 受到冲击电压的作用，氧化锌阀片也会在冲击电压能量的作用下发生老 化。 (3) MOA 内部受潮或绝缘支架绝缘性能不良，会使工频电流增加，功耗
