±500 kV高壓換流站直流側(cè)避雷器在線監(jiān)測裝置的研制

，，，

(1.河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山 467001； 2.東北電力大學(xué)理學(xué)院，吉林 吉林 132012)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及自動(dòng)化水平的提高，電力系統(tǒng)高壓設(shè)備的檢修手段也在逐步改進(jìn)，狀態(tài)監(jiān)測、狀態(tài)評估及狀態(tài)檢修是未來電力系統(tǒng)的必然方向[1-2]。金屬氧化物避雷器(MOA)作為電力系統(tǒng)重要的過電壓保護(hù)設(shè)備，其本身運(yùn)行狀況的好壞將直接影響到電力系統(tǒng)的安全，因此對金屬氧化物避雷器進(jìn)行在線監(jiān)測就顯得尤為重要，這不僅是實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修的基礎(chǔ)，也是智能電網(wǎng)發(fā)展的必然要求。

金屬氧化物避雷部的核心部件是電阻片，電阻片具有極為優(yōu)越的非線性特性[3-5]。正常工作電壓下，流過電阻片的電流僅為微安級[6]，但是長期的在工頻電壓下工作會使電阻片的非線性發(fā)生變化，導(dǎo)致流過電阻片的泄漏電流增加，泄漏電流的增加直接使電阻片溫度上升而發(fā)生熱崩潰，嚴(yán)重時(shí)直接引起避雷器的爆炸。為了防患事故的發(fā)生，本文在分析其電氣特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于STM32F407的避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對±500 kV高壓換流站直流側(cè)避雷器的泄漏電流和動(dòng)作次數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，其中泄漏電流的大小直接反映了金屬氧化物避雷器性能的好壞，是避雷器能否正常運(yùn)行的重要判據(jù)，同時(shí)該監(jiān)測系統(tǒng)還可將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過通信技術(shù)傳輸至后臺管理系統(tǒng)以供用戶直接進(jìn)行避雷器狀態(tài)的分析與診斷。

1 氧化鋅避雷器的電氣特性分析

在正常的系統(tǒng)運(yùn)行電壓下，金屬氧化物避雷器的總泄漏電流主要由瓷套泄漏電流、絕緣桿泄漏電流和電阻片泄漏電流3個(gè)部分組成[7-9]。一般而言，電阻片泄漏電流不會發(fā)生突變，只有在污穢或內(nèi)部受潮時(shí)才會引起電阻片的泄漏電流的增大[10-11]。考慮到在直流側(cè)的金屬氧化物避雷器不存在雜散電容，故筆者將直流側(cè)金屬氧化物避雷器用一個(gè)阻值可變的阻性電路進(jìn)行等效，見圖1。圖中：IR為阻性泄漏電流；U為電網(wǎng)電壓。基于直流測金屬氧化物避雷器可用阻性電路進(jìn)行等效這一特性，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測電阻片的泄漏電流的變化來反映避雷器是否受到老化、受潮和污穢等因素的影響。由避雷器老化時(shí)的阻性電流曲線圖可知，在相同電壓百分比下避雷器老化(不同的溫度等級下)時(shí)泄漏電流IR明顯增大，見圖2。

圖1 直流側(cè)金屬氧化物避雷器等效模型圖Fig.1 Equivalent model diagram of Dc side metal oxide arrester

圖2 避雷器不同老化程度時(shí)的泄漏電流曲線圖Fig.2 Diagram of the leakage current of arrester at different ages

2 系統(tǒng)詳細(xì)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)圖2的不同老化程度時(shí)的泄漏電流呈明顯增大趨勢，當(dāng)增大到一定程度時(shí)，金屬氧化物避雷器就會出現(xiàn)爆炸的可能。故亟待需要設(shè)計(jì)一套完善的監(jiān)測泄漏電流的在線監(jiān)測裝置。筆者根據(jù)現(xiàn)場工程的需要，結(jié)合現(xiàn)有的在線監(jiān)測裝置，設(shè)計(jì)了一套基于STM32F407的數(shù)字式高壓換流站直流側(cè)避雷器用在線監(jiān)測裝置。該監(jiān)測裝置的系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)見圖3。

圖3 避雷器在線監(jiān)測裝置總體方案Fig.3 Plan of the arrester on-line monitoring device

在圖3所示的在線監(jiān)測系統(tǒng)方案中泄漏電流和動(dòng)作次數(shù)的采集使用特定的傳感器，處理器采用STM32F407的主控芯片，將采集的泄漏電流在處理器內(nèi)部進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換；動(dòng)作次數(shù)在處理器中有專門的計(jì)數(shù)接口；同時(shí)通過RS-485物理通訊接口將泄漏電流和動(dòng)作次數(shù)等參數(shù)遠(yuǎn)傳至狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)。具體的實(shí)現(xiàn)原理及方法將在2.1節(jié)、2.2節(jié)和2.3節(jié)進(jìn)行詳細(xì)的討論。

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1.1 CPU核心模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制核心為德州儀器公司的STM32F407，完成直流側(cè)避雷器的泄漏電流、基準(zhǔn)參考電壓的采集、避雷器動(dòng)作次數(shù)的計(jì)數(shù)、RS-485的通信功能，同時(shí)完成系統(tǒng)控制的條件判定與策略實(shí)現(xiàn)，該芯片具有強(qiáng)大的嵌入式控制功能和完善的事件管理能力使其完全滿足本系統(tǒng)的要求，同時(shí)具有強(qiáng)大的擴(kuò)展?jié)摿?；系統(tǒng)外部晶振為25 MHz，經(jīng)ARM內(nèi)部多次倍頻之后，可以使ARM主控芯片工作在168 MHz，完全滿足功能需要。

2.1.2 電源模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場工程的需要，該直流側(cè)避雷器的在線監(jiān)測系統(tǒng)的電源輸入直接采取現(xiàn)場的直流24 V輸入。而在本監(jiān)測系統(tǒng)中主控芯片的供電為3.3 V、通信電路的供電為5 V，故需要設(shè)計(jì)出一種功耗低、安全隔離、抗干擾能力強(qiáng)的電源電路。DC 24 V轉(zhuǎn)DC 5 V的電源電路見圖4。

圖4 DC 24 V轉(zhuǎn)DC 5 V的電源電路Fig.4 DC 24 V to DC 5 V power circuit

圖4中，G1、G2、RV1(G1、G2為固體放電管；RV1為壓敏電阻)構(gòu)成了電源電路的前端保護(hù)；L1為共模扼流圈(濾除共模干擾信號)；T1、T2、T3構(gòu)成電源電路的穩(wěn)壓保護(hù)；U1為德州儀器公司的24 V轉(zhuǎn)5 V DC-DC轉(zhuǎn)換芯片DCV012405P，該電壓轉(zhuǎn)換器是隔離型芯片，抗干擾能力強(qiáng)。

DC 5 V轉(zhuǎn)3.3 V電路見圖5。采用AMS公司的AMS1117線性穩(wěn)壓芯片，該芯片固定輸出為3.3 V，給STM32F407主控芯片供電。

圖5 DC 5 V轉(zhuǎn)3.3 V電路Fig.5 DC 5 V to DC 3.3 V power circuit

在圖5中，U2為線性穩(wěn)壓芯片AMS1117；C30、C31為輸入端穩(wěn)壓濾波電容；C32、C33為輸出端穩(wěn)壓濾波電容。

2.1.3 泄漏電流采集模塊設(shè)計(jì)

在高壓換流站直流側(cè)避雷器用在線監(jiān)測裝置中需實(shí)時(shí)監(jiān)測其泄漏電流和動(dòng)作次數(shù)等參數(shù)。在現(xiàn)場變電站環(huán)境中，能夠精確的測量到泄漏電流的大小顯得至關(guān)重要，為能夠精確測量到避雷器的泄漏電流，本文采用差分放大負(fù)反饋技術(shù)實(shí)現(xiàn)對避雷器泄漏電流信號的精確采集和放大，采集后的信號輸入CPU進(jìn)行處理，泄漏電流采集模塊見圖6。

圖6 泄漏電流采集模塊示意圖Fig.6 Module schematic of leakage current collection

圖6中，I部分為泄漏電流差分轉(zhuǎn)換部分；II部分為泄漏電流的負(fù)反饋環(huán)節(jié)。其中，R2～R4是靈敏度較高的差分轉(zhuǎn)換電阻；R1是負(fù)反饋電阻，其將采集到的泄漏電流進(jìn)行負(fù)反饋；U1是一個(gè)靈敏度較高的放大器，VDD1是一個(gè)1.25 V的基準(zhǔn)參考電壓，VDD2是給U1供電的電源。A/D采樣采用的是STM32F407內(nèi)部自帶的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模擬輸入電壓必須要求為0～3.3 V，而在工程現(xiàn)場中，泄漏電流存在負(fù)值(負(fù)值最小值在-0.9 V)的可能，故本文在設(shè)計(jì)采樣電路中使用了VDD1的基準(zhǔn)參考電壓，依據(jù)加法器的原理將可能出現(xiàn)的負(fù)值轉(zhuǎn)換為正值通過采樣電路輸入至主控芯片的I/O口。設(shè)泄漏電流為i，輸入至主控芯片的電壓值為U0，則可得：

(1)

采集部分使用STM32F407的ADC和DMA模塊相配合的方式，這樣ADC采集數(shù)據(jù)完成后，DMA自動(dòng)的把ADC采集的數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)移至內(nèi)存中的變量ADC_ConvertedValue中。

2.1.4 動(dòng)作次數(shù)采集模塊設(shè)計(jì)

在對直流側(cè)避雷器的實(shí)時(shí)監(jiān)測方面除了需要實(shí)時(shí)監(jiān)測避雷器的泄漏電流外還需要對避雷器的動(dòng)作次數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，以利于用戶可以通過查閱最近的避雷器動(dòng)作次數(shù)和時(shí)間進(jìn)行相關(guān)的評估與診斷。在工程應(yīng)用現(xiàn)場，傳統(tǒng)的動(dòng)作計(jì)數(shù)電路在抵御電磁干擾方面存在嚴(yán)重的不足[12-13]，為使動(dòng)作次數(shù)的計(jì)數(shù)更準(zhǔn)確并具有一定的抗擾動(dòng)能力，本文采用光電隔離技術(shù)，使外回路與處理器回路通過光耦進(jìn)行電氣上的隔離，避免將外回路的電磁干擾引入處理器內(nèi)部，提高動(dòng)作計(jì)數(shù)的可靠性。見圖7。

圖7 動(dòng)作次數(shù)計(jì)數(shù)模塊示意圖Fig.7 Module schematic of action count

圖中：Ui為動(dòng)作計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)輸入，電阻R1和快恢復(fù)二極管D1構(gòu)成了保護(hù)環(huán)節(jié)；T1是抗干擾能力較高的光電隔離模塊，共模抑制比較高、輸出特性成線性特性和電流傳輸快。文中所設(shè)計(jì)的動(dòng)作次數(shù)計(jì)數(shù)模塊集過電壓保護(hù)和光電隔離于一體，抗電磁干擾能力強(qiáng)、無觸點(diǎn)、壽命長、響應(yīng)速度快。

2.1.5 RS-485通信模塊設(shè)計(jì)

監(jiān)測裝置與后臺監(jiān)測系統(tǒng)之間采用RS-485通信，滿足高壓換流站直流側(cè)避雷器的泄漏電流和動(dòng)作次數(shù)等信息傳輸?shù)囊?，見圖8。

圖中：U3為MAX485轉(zhuǎn)換芯片，其抗干擾能力較好，廣泛應(yīng)用于通信電路中；G3、G4、G5、T1、T2為起保護(hù)作用的放電管。

圖8 RS-485通信電路Fig.8 RS-485 communication circuit

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置模塊、泄漏電流采集模塊、動(dòng)作次數(shù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析判斷及狀態(tài)指示模塊。系統(tǒng)軟件流程圖見圖9。

圖9 在線監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)流程圖Fig.9 The system flow chart of on-line monitoring system

系統(tǒng)程序運(yùn)行時(shí)，首先完成系統(tǒng)參數(shù)的初始化，以確保整個(gè)系統(tǒng)軟件中各個(gè)子程序的功能實(shí)現(xiàn)及系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。在進(jìn)行初始化配置時(shí)需要在程序工程項(xiàng)目中添加ST公司提供的固件函數(shù)庫，實(shí)現(xiàn)對相應(yīng)寄存器及外設(shè)的驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)及外設(shè)初始化包括時(shí)鐘、嵌套向量中斷控制器、GPIO口、ADC轉(zhuǎn)換、定時(shí)器初始化配置、各通信接口及外圍電路模塊的初始化配置。

2.3 上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

直流側(cè)避雷器在線監(jiān)測上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件主要實(shí)現(xiàn)如下功能：Ⅰ.數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測，如雷擊次數(shù)、泄漏電流大小和轉(zhuǎn)換電壓大小的監(jiān)測；Ⅱ.參數(shù)設(shè)置與閾值設(shè)置：如光口閾值和從機(jī)地址的修改等；Ⅲ.運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)記憶、回憶和跟蹤。當(dāng)停電或者其他原因造成系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)，能夠記憶運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)。系統(tǒng)重新啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，能夠自動(dòng)回憶并跟蹤先前運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)。

圖10 上位機(jī)監(jiān)控軟件圖Fig.10 Diagrams of above machine monitors software

3 試驗(yàn)研究及結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文所研制系統(tǒng)的有效性和可行性，在廊坊東芝公司的罐式直流避雷器上安裝本在線監(jiān)測儀，通過試驗(yàn)得到表1所示的泄漏電流的采樣數(shù)據(jù)對比值；同時(shí)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)給在線監(jiān)測儀不同的雷擊次數(shù)，在后臺監(jiān)控軟件中觀察到了雷擊次數(shù)的數(shù)值，見表2。

表1 泄漏電流采樣數(shù)據(jù)對比表Table 1 Leakage current sampling data comparison table

注：泄漏電流，指實(shí)際的泄漏電流的大小，單位為mA；實(shí)測電流，指采集到的輸入I/O口的實(shí)際電流值，單位為mA；轉(zhuǎn)換電壓，通過轉(zhuǎn)換之后的在后臺監(jiān)測軟件內(nèi)讀取的轉(zhuǎn)換電壓，單位為V。

表2 動(dòng)作次數(shù)的采樣數(shù)據(jù)對比表Table 2 The comparison table of the sample data for the number of actions

注：實(shí)際雷擊次數(shù)，指模擬的實(shí)際雷擊次數(shù)；采集雷擊次數(shù)，指通過使用在線監(jiān)測儀采集到的雷擊次數(shù)。

從表1可看出，本系統(tǒng)可以在試驗(yàn)條件下高精度的采集到泄漏電流，實(shí)際電壓值基本和采集到的轉(zhuǎn)換電壓值相吻合，采集誤差在1%以下。從表2可看出，本系統(tǒng)可以在試驗(yàn)條件下高精度的采集到雷擊的動(dòng)作次數(shù)，在5 min的時(shí)間內(nèi)模擬的雷擊次數(shù)從5、8、11、14、17、20逐漸升高，而在本系統(tǒng)中能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)備無誤的采集到雷擊次數(shù)，實(shí)際模擬的雷擊次數(shù)和通過在線監(jiān)測系統(tǒng)采集到的雷擊次數(shù)相吻合，采集準(zhǔn)確度在100%。

4 結(jié)語

本文從工程應(yīng)用角度出發(fā)設(shè)計(jì)一套±500 kV換流站高壓直流側(cè)的金屬氧化物避雷器在線監(jiān)測裝置。在分析避雷器電氣特性的基礎(chǔ)上，采用全新的數(shù)字化方法對避雷器泄漏電流等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，該系統(tǒng)測量精度高，具有較好的抗干擾性，能夠在惡劣的電磁環(huán)境中正常運(yùn)行，有效提高了高壓直流側(cè)避雷器的安全運(yùn)行水平，為實(shí)現(xiàn)避雷器的狀態(tài)檢修提供了數(shù)據(jù)支撐，符合高壓一次設(shè)備智能化的發(fā)展要求。