基于阻性電流提取的電涌保護器在線監(jiān)測設(shè)計

周 昆，張 斌，任 偉，呂鵬飛，梁睿光，潘立剛

（遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧丹東118216）

0 引言

目前，對于限壓型SPD的檢測通常采用的是總泄漏電流法，通過檢測SPD的泄漏電流、壓敏電壓、殘壓等指標(biāo)來判定其是否老化、劣化。其中對于泄漏電流的監(jiān)測通常采用羅氏線圈來采集總泄漏電流，并對其信號進行濾波處理后放大，從而得出限壓型SPD的工作狀態(tài)是否正常[1]。然而，在泄漏電流中包含著阻性電流與容性電流兩種成分。總泄漏電流法雖然能夠在一定程度上反應(yīng)SPD中壓敏電阻的整體受潮情況和閥片嚴(yán)重老化等問題，但是由于阻性分量在總泄漏電流中所占比例很小，有可能當(dāng)阻性電流已經(jīng)增加很多，但總泄漏電流的變化仍然不大，而阻性電流往往是閥片發(fā)熱的主要原因，因此該方法的靈敏度不高，采集的數(shù)據(jù)僅能用于限壓型SPD運行狀況的初判。為了減少檢測時泄漏電流中容性電流的干擾，氣象部門在進行SPD的年檢時，應(yīng)考慮將SPD進行拆卸，送到實驗室進行離線試驗。但是這種檢測方式，耗時耗力，且無法真實反映SPD在線工作時的工作狀況[2]。雙“CT”法是國外最近幾年興起的一種新型的氧化鋅避雷器在線檢測方法。該方法檢測原理：使用兩個電流互感器，一個用于采集避雷器正常工作時產(chǎn)生泄漏電流，另一個測量在過電壓情況下沖擊電流的電流峰值。在記錄避雷器發(fā)生動作的同時，以幅值為2.5 kA和20kA的沖擊電流為基準(zhǔn)來區(qū)分避雷器的動作原因[3]。還有其他學(xué)者[4-7]對SPD在線監(jiān)測進行了研究。

諧波法方法能夠綜合考慮多方面因素，有效檢測限壓型SPD的運行狀況，同時能夠檢測得到泄漏電流中阻性電流的各次諧波分量幅值，所以本裝置采用諧波法進行測量。

為了解決現(xiàn)有的SPD檢測方法存在的一系列問題，現(xiàn)設(shè)計一種限壓型SPD在線監(jiān)測裝置。該裝置的設(shè)計既堅持了在線監(jiān)測的原則，又突出了對于微弱阻性電流的提取分析，將阻性電流值作為判斷限壓型SPD是否老化、劣化的判斷依據(jù)。雖然電涌保護器在線監(jiān)測一套系統(tǒng)價格遠高于電涌保護器造價，但是能夠在很大程度上對雷電造成的破壞進行定位，從而降低了因雷電造成的重大損壞。

1 技術(shù)方案

1.1 原理結(jié)構(gòu)

限壓型SPD阻性電流在線監(jiān)測裝置的原理結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要組成模塊：電壓信號采集模塊、電流信號采集模塊、電壓/電流信號調(diào)理模塊、頻率檢測模塊、編碼控制模塊、溫度采集模塊、STM32微處理器模塊、外部時鐘模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)打印模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊以及ZigBee無線信號中繼模塊。

圖1 限壓型SPD阻性電流在線監(jiān)測裝置的原理框Fig.1 Limiting the type of SPD resistive current on-line monitoring device principle box

1.2 限壓型SPD阻性電流在線提取的實現(xiàn)方法

由于流過限壓型SPD的各次阻性電流與各次泄漏電流之間存在以下數(shù)學(xué)關(guān)系：

式中：K為諧波的次數(shù)；αk為所采集的電壓信號所對應(yīng)的各次諧波相角；βk為所采集的電流信號所對應(yīng)的各次諧波相角；Ikm為所采集的泄漏電流各次諧波電流的幅值；IRk為對應(yīng)諧波次數(shù)的阻性電流。

可以利用STM32微處理器處理單元對采集的電流數(shù)據(jù)進行FFT處理，得到SPD的泄漏電流的阻性電流基波分量與奇次諧波分量。本裝置采用的處理芯片STM32F407，最大可分析到五次電流諧波分量[8]。

而總阻性電流可由以下數(shù)學(xué)關(guān)系得出：

式中：IR為總阻性電流；I0為阻性電流基波分量；IRk為阻性電流各次諧波分量。

故在得到各次阻性電流諧波分量后，再在主計算程序中進行波形疊加求和，得到總阻性電流大小及波形。曹洪亮等[9]通過一個轉(zhuǎn)移π相位的容性電流獲得阻性電流。

阻性電流在線提取實現(xiàn)方法的流程圖見圖2，整個流程在STM32微處理器中完成。

圖2 阻性電流在線提取實現(xiàn)方法流程圖Fig.2 Resistive current extraction method to achieve online flow chart

2 電路原理說明

2.1 電壓信號采集、信號調(diào)理模塊、頻率測量模塊電路原理

由于不管是220 V交流電的電壓信號還是沖擊電壓信號都不能直接供微處理器使用，所以還需要小電壓互感器進行隔離并轉(zhuǎn)換，所以該模塊電路中最關(guān)鍵的為線性互感器T2（SPT204A）。電壓信號采集、信號調(diào)理電路原理見圖3，電壓經(jīng)過電阻引入互感器T2，電壓互感器二次側(cè)的電壓信號一路傳送給放大器AD620進行零點調(diào)整及幅值調(diào)整。放大器AD620的輸出電壓幅值在0～5 V，再傳送到控制器的模擬輸入端口AN0，供A/D采樣使用，這部分電信號是用于電壓有效值以及各次諧波的測量。電路中的電阻R29、R30是將探頭采集到的電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號，為提高互感器T2的線性度，所以取值均較大，使用的是47 kΩ，功率為2 W碳膜電阻。電路中VR1為一小型壓敏片，為了防止過電壓竄入信號采集電路而設(shè)計。由于互感器T2的一次側(cè)最高接收電壓為400 V，所以壓敏片VR1的也選用箝位電壓小于400 V的壓敏電阻。SPT204A是匝數(shù)比為1:1的毫安級電壓線性互感器，T2二次側(cè)電流也非常小，所以還需要轉(zhuǎn)換回電壓信號并進行放大處理信號并進行放大。即通過圖3中電阻R11實現(xiàn)電流到電壓的信號轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換得到的電壓值在-0.54～+0.54 V，再送給放大器AD620進行放大?；ジ衅鱐2二次側(cè)信號另一路是送給比較器LM393，其作用是將正弦電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率相同的方波信號，再送到STM32芯片控制器的輸入捕捉引腳RD8/IC1進行頻率的測量，如圖4所示。

圖3 電壓信號采集、電平轉(zhuǎn)換電路原理圖Fig.3 Voltage signal acquisition,level conversion circuit schematic

圖4 電壓頻率檢測電路原理圖Fig.4 Voltage frequency detection circuit schematic

2.2 電流信號采集、信號調(diào)理模塊電路原理

圖5為電流信號采集、信號調(diào)理電路原理圖，基本工作原理與電壓信號采集、信號調(diào)理電路類似。圖5中的I框即為多匝串入式微電流采集器。壓敏電阻VR2的存在是為了防止SPD處于導(dǎo)通泄流狀態(tài)時，沖擊電流通過電流傳感器I一次側(cè)時引起二次側(cè)電壓瞬間過流，燒壞后續(xù)電路，所以壓敏電阻VR2通常取值只需要大于1.15U0（U0為電流互感器T1的輸入端的正常工作電壓）。本裝置中采用的電流互感器是由北京某公司新設(shè)計的一款型號為KT0.02A/PJ-1.6 V的小電流互感器，它可以測量頻率為25～50 kHz，幅值為0～20 mA的交流電流，輸出0～100mA的交流電流信號，測量精度在0.5%-1%之間。電流信號經(jīng)過電流互感器的二次采樣，二次側(cè)輸出的電流信號通過電位器W1轉(zhuǎn)換為電壓信號。隨后再經(jīng)過放大器AD620進行放大，輸出0-5 V的電壓信號送給控制器的AN1引腳，進行A/D轉(zhuǎn)換測量。同時在AN0與AN1的引腳輸入端前均加入了5.1 V的穩(wěn)壓二極管Z1、Z2，這是為了防止放大器AD620的輸出電壓過高而損壞微處理器的A/D轉(zhuǎn)換電路。

STM32F407型微處理器有3個模數(shù)變換器，這些模數(shù)變換器可以單獨使用，也可以同時使用。STM32F407的模數(shù)變換器是12位逐次逼近型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。它擁有19個通道，其中有16個外部源、2個內(nèi)部源和Vbat通道的信號。這些通道中的A/D轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或者間斷模式執(zhí)行任務(wù)模擬看門狗系統(tǒng)特性允許應(yīng)用程序介入，檢測輸入的電壓是否超出用戶自定義的高/低閥值[10-15]。

圖5 電流信號采集、信號調(diào)理電路原理圖Fig.5 Current signal acquisition,signal conditioning circuit schematic

3 結(jié)果分析

表1 在不同交流電壓下阻性電流測試結(jié)果Table 1 Test results under different AC voltage resistance current μA

作為SPD在線監(jiān)測裝置，必須要有良好的準(zhǔn)確度，并能在工作環(huán)境中長期穩(wěn)定的運行。對此，本文將所設(shè)計完成的SPD在線監(jiān)測裝置在實驗室條件下進行了調(diào)試與檢測。通過對實驗室沖擊條件下，提取阻性電流數(shù)據(jù)，統(tǒng)計結(jié)果見表1。通過圖6與表1的試驗數(shù)據(jù)可以得出：從圖形看全電流的增加斜率是線性的，電壓增加1.55倍，全電流增加1.53倍，基本是相稱的。阻性電流基波峰值的增加斜率不固定，呈非線性狀態(tài)，電壓增加1.55倍，阻性電流增加2.12倍。顯然阻性電流基波峰值在交流電壓增加一定數(shù)量下的增長速度遠遠高于全電流的增加速度。而且全電流由于電容分量占主要成分，所以增長的幅度與電壓增長的幅度基本成線性變化。

圖6 全電流、阻性電流隨沖擊電壓變化趨勢Fig.6 Fullcurrent，resistivecurrentwiththeimpactofvoltagechanges

4 結(jié)語

本裝置設(shè)計采用了多匝串入式微電流采集器。多匝串入式微電流采集器的設(shè)計，避免了過去監(jiān)測通常采用的穿心式羅氏線圈由于存在放大器導(dǎo)致噪聲干擾也將被放大，有用信號可能永久被覆蓋等許多難以克服的缺點。即不影響PE線工作，又能非接觸式測量電流，工作安全可靠。對于微弱的阻性電流可以很好地提取。利用STM32芯片處理單元對采集的電流數(shù)據(jù)進行FFT處理，得到SPD的泄漏電流的阻性電流基波分量與奇次諧波分量，得到各次阻性電流諧波分量后，再在主計算程序中進行波形疊加求和，得到總阻性電流大小及波形。數(shù)據(jù)通過微處理器芯片處理，實現(xiàn)了電壓、電流同時監(jiān)測。阻性電流的監(jiān)測范圍為0.1 μA～10 mA，精度達到0.1 μA，最大可實現(xiàn)五次諧波的測量，數(shù)據(jù)結(jié)果可在線傳輸、直接顯示、打印，使得讀數(shù)方便簡潔。

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