基于GPS同步的金屬氧化鋅避雷器阻性電流和功率損耗檢測(cè)系統(tǒng)

高亦樂(lè) 陳善平

（1.江蘇省常州技師學(xué)院，江蘇 常州 213017；2.常州帕斯菲克自動(dòng)化技術(shù)有限公司，江蘇 常州 213022）

1 引言

近年來(lái)，金屬氧化物避雷器（metaloxidearrester，MOA）以其優(yōu)異的技術(shù)性能逐漸取代了其他類型的避雷器，成為電力系統(tǒng)的換代保護(hù)設(shè)備。采用MOA后，往往可使相對(duì)地的操作過(guò)電壓降到1.6～1.8倍相電壓，各相間的過(guò)電壓降到1.7～1.8倍線電壓，也可使大氣過(guò)電壓降到1.7～2.2倍相電壓。保護(hù)性能的改善，可顯著降低被保護(hù)設(shè)備的絕緣水平，因而也降低成本，大大提高運(yùn)行的可靠性。而無(wú)串聯(lián)間隙的 MOA如果有故障，問(wèn)題會(huì)比有串聯(lián)間隙的閥式避雷器更為嚴(yán)重。因此，MOA的預(yù)防性試驗(yàn)就倍受重視。一般認(rèn)為大小僅占總泄漏電流10%～20%的阻性電流的增加是引起 MOA劣化的主要因素，所以從總泄漏電流中準(zhǔn)確提取其阻性電流是判斷MOA運(yùn)行狀況的重要方法[1]。

2 已有在線測(cè)量MOA泄漏電流方法

目前對(duì)氧化鋅避雷器在線監(jiān)測(cè)的主要方法有全電流法、瞬時(shí)法、泄漏電流的諧波分析法、諧波補(bǔ)償法和測(cè)溫法等[2]。

2.1 全電流法

全電流的測(cè)量通常利用串聯(lián)在 MOA接地線上安裝的毫安表實(shí)現(xiàn)，它給出了整流后的泄漏電流的平均值或者峰值。常規(guī)MOA等效電路，如圖1所示。全電流由等效電容電流IC，電阻電流Ir矢量合成后得到，如圖2所示。設(shè)容性電流IC=1mA峰值，Ir=50-500μA變化由圖 3可見，阻性電流增加到250uA時(shí)，總泄漏電流增到3%，而在500μA處，僅增加10%，這意味著此種方法不能靈敏反映MOA阻性電流的變化。

圖1 金屬氧化鋅避雷器等效圖

圖2 電流矢量

圖3 基頻分量的增加與阻性電流的關(guān)系（α是溫度和電壓的函數(shù)）

2.2 直接測(cè)量阻性泄漏電流法或者叫瞬時(shí)法

原理是將MOA看作為R和C并聯(lián)，外施正弦交流電壓，當(dāng)電壓信號(hào)過(guò)零時(shí)，Ir=0，電流信號(hào)為電容電流Ic；當(dāng)電壓信號(hào)達(dá)到波峰時(shí)，Ic=0，電流信號(hào)為阻性電流，但是此方法通常很難應(yīng)用到實(shí)際中，只適用于離線檢測(cè)等。

2.3 泄漏電流的諧波分析法

由于MOA的非線性，導(dǎo)致其全電流中含有3、5、7和更高次的諧波分量，其幅值逐漸減小。故采用測(cè)量三次諧波來(lái)代表阻性電流的大小，但其缺點(diǎn)是高壓線路側(cè)含有諧波，會(huì)給3次諧波測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差。

2.4 泄漏電流的諧波補(bǔ)償法

針對(duì)泄漏電流的3次諧波法，也有文章提出采用測(cè)量母線電壓（接線到PT二次端），通過(guò)測(cè)量高壓母線側(cè)的3次諧波和MOA端泄漏的3次諧波電流之差得到MOA的3次諧波電流方法。但是此方法常要安裝一個(gè)場(chǎng)探頭來(lái)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)電壓的諧波，探頭容易受到相鄰線路測(cè)的干擾使得補(bǔ)償工作較為繁瑣，同時(shí)降低了測(cè)量的準(zhǔn)確性。

除以上介紹方法此外還有直接采用紅外槍直接測(cè)量 MOA表面溫度的測(cè)溫法等，但都是非主流測(cè)測(cè)量方法。

3 避雷器阻性電流測(cè)量及MOA功率損耗的新方法

本文提出一種基于 GPS（Global Positioning System全球定位系統(tǒng)）授時(shí)同步的MOA阻性電流和功率損耗測(cè)量方法。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)候考慮到嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)限制，不采用FFT（傅里葉變換）算法，設(shè)計(jì)采用同步ADC（模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器）的MOA端電壓和泄漏電流采樣值，直接計(jì)算出 MOA阻性電流的大小，并換算出MOA的功率損耗。

系統(tǒng)采用分布式設(shè)計(jì)，由CVT（電容式電壓互感器）電壓監(jiān)測(cè)設(shè)備、MOA泄漏電流在線監(jiān)測(cè)設(shè)備、就地顯示的MOA在線阻性電流顯示儀表組成。

（1）CVT（電容式電壓互感器）電壓監(jiān)測(cè)設(shè)備

CVT電壓監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝在高壓母線側(cè)，用于監(jiān)測(cè)母線側(cè)的電壓，設(shè)備內(nèi)部的GPS接收器用于接收GPS發(fā)出的時(shí)間信息，通過(guò)GPS的UTC時(shí)間可以得到非常精確時(shí)間。GPS一般輸出的是NMEA0183碼，對(duì)GPGGA和GPRMC都有明確的定義，比如：$GPGGA，100639.00，3109.79801，N，12123.38493，E，1，07，1.20，21.9，M，8.0，M，，*5D100639.00表示UTC時(shí)間的10點(diǎn)06分39秒，如果算成北京時(shí)間，加8個(gè)小時(shí)，就是18點(diǎn)06分39秒。

CVT電壓監(jiān)測(cè)設(shè)備同時(shí)安裝有短距離射頻模塊，其作用是負(fù)責(zé)與各個(gè)設(shè)備之間的信息溝通；CVT電壓監(jiān)測(cè)設(shè)備內(nèi)部的 MCU（微處理器）負(fù)責(zé)讀取GPS授時(shí)信號(hào)，在系統(tǒng)設(shè)置的同步時(shí)刻采集 CVT的電壓信號(hào)，然后通過(guò)RF（射頻）模塊發(fā)送至就地顯示的MOA在線阻性電流顯示儀表。CVT電壓監(jiān)測(cè)設(shè)備框圖如圖4所示。

圖4 CVT電壓監(jiān)測(cè)設(shè)備

（2）MOA泄漏電流在線監(jiān)測(cè)設(shè)備

MOA泄漏電流在線監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝在MOA接地側(cè)，用于監(jiān)測(cè)三相 MOA的接地泄漏電流，內(nèi)部通過(guò)取樣電路獲取MOA的全電流信號(hào)，MCU負(fù)責(zé)讀取GPS授時(shí)信號(hào)，在系統(tǒng)設(shè)置的同步時(shí)刻采集MOA的全電流信號(hào)，通過(guò)RF（射頻）模塊發(fā)送至就地顯示的MOA在線阻性電流顯示儀表。MOA泄漏電流在線監(jiān)測(cè)設(shè)備框圖如圖5所示。

圖5 MOA泄漏電流在線監(jiān)測(cè)設(shè)備

（3）MOA在線阻性電流顯示儀表

MOA在線阻性電流顯示儀表安裝于控制室內(nèi)，由射頻模塊和人機(jī)交互的液晶顯示器等構(gòu)成，MCU負(fù)責(zé)顯示和接收來(lái)自CVT電壓監(jiān)測(cè)設(shè)備、MOA泄漏電流在線監(jiān)測(cè)設(shè)備送來(lái)的基于GPS時(shí)鐘同步的電壓信號(hào)和電流信號(hào)，采用 TRMS（真有效值）算法計(jì)算出實(shí)時(shí)的 MOA的阻性電流和 MOA的功率損耗功率。MOA在線阻性電流顯示儀表框圖如圖 6所示。

圖6 MOA在線阻性電流顯示儀表

4 系統(tǒng)工作原理及計(jì)算方法

4.1 系統(tǒng)工作原理

由于采用GPS授時(shí)使分布式MOA測(cè)量系統(tǒng)的時(shí)間可以非常精確，可以精確到μS級(jí)，CVT電壓監(jiān)測(cè)設(shè)備和 MOA泄漏電流在線監(jiān)測(cè)設(shè)備按照預(yù)設(shè)的同步時(shí)間點(diǎn)開始采樣，MOA電壓信號(hào)和泄漏電流信號(hào)的波形如圖7所示[3]。CVT電壓監(jiān)測(cè)設(shè)備負(fù)責(zé)采樣同步時(shí)間后的 64個(gè)周波，每個(gè)周波內(nèi)的 128個(gè)點(diǎn)電壓數(shù)據(jù)；MOA泄漏電流在線監(jiān)測(cè)設(shè)備負(fù)責(zé)采樣同步時(shí)間點(diǎn)后的 64個(gè)周波，每個(gè)周波內(nèi)的 128個(gè)點(diǎn)全電流數(shù)據(jù)；以上兩設(shè)備采集好數(shù)據(jù)后采用LSDRF4310N01射頻無(wú)線數(shù)傳模塊，將數(shù)據(jù)傳輸給就地顯示的 MOA在線阻性電流顯示儀表。由于采用同頻數(shù)據(jù)傳輸，所以射頻無(wú)線數(shù)傳模塊采用時(shí)分復(fù)用方式，CVT電壓監(jiān)測(cè)設(shè)備發(fā)射數(shù)據(jù)在前，MOA泄漏電流在線監(jiān)測(cè)設(shè)備在后，保證射頻無(wú)線數(shù)據(jù)相互不沖突。

4.2 系統(tǒng)計(jì)算方法

（1）MOA電壓端Vrms計(jì)算

圖7 MOA電壓信號(hào)和泄漏電流信號(hào)的波形

就地顯示的 MOA在線阻性電流顯示儀表在收到 MOA的電壓信號(hào)和泄漏的全電流信號(hào)后，根據(jù)TRMS算法，MOA電壓端的電壓計(jì)算公式是

其中 n=128；V0～V（n-1）是每個(gè)周波中各個(gè)電壓采樣點(diǎn)的值

（2）MOA全電流Irms計(jì)算

MOA泄漏電流的計(jì)算公式是

其中，n=128；I0～I(xiàn)（n-1）是每個(gè)周波中各個(gè)電流采樣點(diǎn)的值

（3）TRMS算法C51的實(shí)現(xiàn)代碼

上述設(shè)備采用與8051兼容的C8051F930，MCU上采用C51實(shí)現(xiàn)上述公式的代碼如下：

（4）MOA消耗有功功率計(jì)算

通過(guò)上述計(jì)算得到MOA的Vrms和全電流Irms值；再根據(jù)有功功率公式計(jì)算MOA的有功消耗功率：

式中，n=128；V0～V（n-1）是每個(gè)周波中各個(gè)電壓采樣點(diǎn)的值，I0～I(xiàn)（n-1）是每個(gè)周波中各個(gè)電流采樣點(diǎn)的值；這樣MOA的功率損耗就已經(jīng)計(jì)算出來(lái)。

（5）MOA阻性電流導(dǎo)出

根據(jù)上述計(jì)算出MOA消耗有功功率的P我們可以求解出 MOA的有功阻性電流，根據(jù)公式Ir=P/Vrms即可以求解出阻性電流Ir。

5 結(jié)論

金屬氧化鋅避雷器阻性電流和功率損耗檢測(cè)系統(tǒng)可以在無(wú)需停電的情況下，對(duì)運(yùn)行中的避雷器狀態(tài)進(jìn)行可靠監(jiān)測(cè)。本文對(duì)常用的氧化鋅避雷器的在線監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了歸納總結(jié)，對(duì)電流、電壓信號(hào)的測(cè)量阻性電流和有功功率消耗進(jìn)行了計(jì)算公式推導(dǎo)，新方法的主要優(yōu)點(diǎn)不需要FFT變換，而是采用TRMS計(jì)算方法，大大減少了 MCU的運(yùn)算量，使用常規(guī)的8051系列MCU就可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的計(jì)算出金屬氧化鋅避雷器的阻性電流和功率損耗，這對(duì)開展避雷器帶電測(cè)試和在線監(jiān)測(cè)具有參考價(jià)值。

[1]林耀洲,顏湘蓮.MOA 阻性電流提取算法探討[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)高壓專業(yè)委員會(huì)高電壓新技術(shù)學(xué)組2006年學(xué)術(shù)年會(huì).

[2]萬(wàn)四維,陳世元.氧化鋅避雷器阻性電流的在線監(jiān)測(cè)[J]. 廣東電力, 2005(12).

[3]謝碧海,周井生. 基于諧波分析氧化鋅避雷器阻性泄漏電流帶電測(cè)量的一種新方法[J]. 廣東輸電與變電技術(shù), 2005(6).

[4]嚴(yán)璋.電氣絕緣在線檢測(cè)技術(shù)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2002.