分體式避雷器底座泄漏電流在線監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

黃 義，吳 靜，胡奕挺

(1.國(guó)網(wǎng)臺(tái)州供電公司，浙江 臺(tái)州 318000；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006)

金屬氧化鋅避雷器底座分為整體式和分體式2種，分體式避雷器底座一般由絕緣瓷瓶、絕緣套和金屬螺栓組成，運(yùn)行一段時(shí)間后，水分和雜質(zhì)往往會(huì)經(jīng)由瓷瓶與螺栓之間或瓷瓶與避雷器底座之間的縫隙侵入內(nèi)部，導(dǎo)致螺栓銹蝕和污穢。而內(nèi)部絕緣套和瓷瓶也有由于金屬螺栓的熱脹冷縮導(dǎo)致?lián)p壞。出現(xiàn)上述情況后會(huì)出現(xiàn)電流泄漏，從而使底座絕緣電阻顯著下降的問題。底座絕緣不良將導(dǎo)致在線監(jiān)測(cè)全電流數(shù)值偏低，不能準(zhǔn)確監(jiān)視避雷器的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)，也極易引起斷裂、破損等缺陷，影響避雷器的穩(wěn)定性。金屬氧化鋅避雷器的泄漏電流[1-2]在線測(cè)量是評(píng)估其非線性電阻片劣化程度的重要指標(biāo)，開發(fā)性能優(yōu)良的在線監(jiān)測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)其泄漏電流的監(jiān)測(cè)具有重要的實(shí)際意義。

針對(duì)金屬氧化鋅避雷器在線監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)與研究，文獻(xiàn)[1]采用數(shù)字波形分析系統(tǒng)提取泄漏電流中阻性電流分量的峰值，傳感器采用磁環(huán)-線圈型傳感器，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證該系統(tǒng)的有效性。文獻(xiàn)[3]指出了準(zhǔn)確地測(cè)量阻性泄漏電流是實(shí)現(xiàn)金屬氧化鋅避雷器運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵因素。文獻(xiàn)[4]對(duì)氧化鋅避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)進(jìn)行了分析，并給出了克服相間干擾影響阻性泄漏電流準(zhǔn)確測(cè)量的方法。文獻(xiàn)[5]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)缺陷案例分析了避雷器底座絕緣缺陷對(duì)避雷器正常工作的影響，指出了在線監(jiān)測(cè)裝置的重要性。文獻(xiàn)[6]指出了紅外測(cè)溫在線監(jiān)測(cè)和高壓預(yù)防性試驗(yàn)相結(jié)合是對(duì)氧化鋅避雷器運(yùn)行監(jiān)測(cè)的合理方式。文獻(xiàn)[7]針對(duì)配電網(wǎng)的線路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備分散的特點(diǎn)，提出了構(gòu)建氧化鋅避雷器分布式在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從而保證避雷器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。文獻(xiàn)[8]開發(fā)了一種基于短距離無(wú)線通信的便攜式氧化鋅避雷器在線測(cè)試儀，該氧化鋅避雷器阻性電流的三次諧波分量可經(jīng)過一系列的分析推導(dǎo)計(jì)算得出。文獻(xiàn)[9]基于DSP實(shí)現(xiàn)了氧化鋅避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[10]介紹了MOA-RCD型無(wú)間隙金屬氧化物避雷器阻性電流測(cè)量?jī)x的現(xiàn)場(chǎng)正確使用方法。文獻(xiàn)[11]提出了一種基于DSP的新型分布式金屬氧化鋅避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[12]介紹了無(wú)間隙氧化鋅避雷器的現(xiàn)場(chǎng)帶電測(cè)試的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。文中針對(duì)避雷器底座絕緣缺陷，通過改善分立式避雷器外部材質(zhì)結(jié)構(gòu)達(dá)到消除底座絕緣缺陷的目的。

為了解決前述問題，本文采用了一種分體式避雷器底座泄漏電流在線監(jiān)測(cè)裝置，通過改善分體式避雷器的底座絕緣性能，具體通過增設(shè)安全防腐材料，將基礎(chǔ)鋼座底部增加排水孔，同時(shí)在瓷瓶與引下線之間加裝絕緣性能良好的硅橡膠墊。此外，在絕緣底座底部安裝電流傳感器，在線監(jiān)測(cè)絕緣底座泄漏電流，并提取出阻性電流的三次諧波含量；在基礎(chǔ)鋼桿底部安裝濕度傳感器，監(jiān)測(cè)鋼桿內(nèi)部水汽含量。通過設(shè)定閾值，當(dāng)檢測(cè)到泄漏電流高于閾值時(shí)，將傳輸結(jié)果發(fā)送至現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端，通過WIFI無(wú)線通信裝置將檢測(cè)結(jié)果傳輸給后臺(tái)監(jiān)控，后臺(tái)監(jiān)控人員根據(jù)檢測(cè)結(jié)果啟動(dòng)檢修方案，確保避雷器運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定無(wú)異常。

1 在線監(jiān)測(cè)裝置總體架構(gòu)

分體式避雷器底座泄漏電流在線監(jiān)測(cè)裝置包括現(xiàn)場(chǎng)采集模塊、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控模塊以及后臺(tái)監(jiān)控?，F(xiàn)場(chǎng)采集模塊主要包括電流傳感器、濕度傳感器、WIFI無(wú)線通信模塊。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控模塊主要包括單片機(jī)、報(bào)警模塊、顯示模塊。電流傳感器和濕度傳感器檢測(cè)的信號(hào)通過WIFI無(wú)線通信模塊傳輸給單片機(jī)[13]，單片機(jī)通過綜合分析將檢測(cè)結(jié)果反饋給后臺(tái)監(jiān)控。同時(shí)根據(jù)檢測(cè)結(jié)果發(fā)出控制命令控制報(bào)警模塊動(dòng)作。該在線監(jiān)測(cè)裝置的操作流程如圖1所示。

a.由于絕緣底座在室外，經(jīng)常會(huì)經(jīng)受雨水沖洗，造成絕緣底座的金屬螺栓生銹，導(dǎo)致泄漏電流偏大。因此將金屬螺栓替換成不銹鋼螺栓。

b.由于絕緣底座與法蘭連接處密封性不好，因此添加防水效果好的密封膠。

c.在金屬材料外表涂抹刷鍍液，防止進(jìn)一步腐蝕。

d.由于避雷器絕緣底座存在很多缺陷，其平臺(tái)的密封性也較差，從而導(dǎo)致在雨、雪天氣時(shí)，積水較易流入底座，由于底座是密封狀態(tài)，沒有排氣口，導(dǎo)致大量水分積存，從而使避雷器底座絕緣偏低。因此，在基礎(chǔ)鋼桿底部增設(shè)排水孔，確保鋼桿內(nèi)沒有積水。

為了進(jìn)一步在線監(jiān)測(cè)絕緣底部的絕緣性以及快速查找故障，在絕緣底座下方安裝電流傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)泄漏電流大小。同時(shí)，在基礎(chǔ)鋼座底部安裝濕度傳感器，檢測(cè)鋼桿內(nèi)部濕度。

2 現(xiàn)場(chǎng)采集模塊

2.1 電流傳感器

在線監(jiān)測(cè)裝置中電流傳感器選用的是ACS712電流傳感器[14]，該傳感器是由Allegro公司推出的一種線性電流傳感器，該傳感器是由銅制電流通路以及霍爾傳感器電路構(gòu)成，該銅制電流通路靠近芯片表面，而另一部分采取精確的低偏置線性電路，具有響應(yīng)時(shí)間快、靈敏度高、噪聲低、幾乎零誤差、絕緣電壓高等特點(diǎn)。其電流監(jiān)測(cè)模塊電路圖2所示。

線性電流傳感器ACS712-20A的器件內(nèi)置采用線性霍爾傳感器電路，且常被應(yīng)用在電流監(jiān)測(cè)模塊電路中，其精確的低偏置能有效輸出與檢測(cè)的交流或直流電流成比例的電壓，由于輸出電壓與電流線性相關(guān)，因此，實(shí)際檢測(cè)電路電流約在0～4 A范圍變動(dòng)，該傳感器的輸出電壓在2.5～2.9 V變化，ΔV=0.4 V，而單片機(jī)要求檢測(cè)輸入電壓為0～5 V。

由此，為了實(shí)現(xiàn)電位的移動(dòng)以及信號(hào)的放大，可將具有一級(jí)差分輸入比例的運(yùn)算放大器加入到傳感器當(dāng)中，相應(yīng)的該運(yùn)算放大電路圖由多種結(jié)構(gòu)構(gòu)成，如電阻R3、R4、R5、R6以及運(yùn)放OP1177等。令電壓V1、V2為2.5 V，放大倍數(shù)采用12.5，可滿足相應(yīng)要求。

2.2 濕度傳感器

濕度傳感器選用的是DHT12電容型數(shù)字傳感器[15]，該傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合型傳感器。具有體積小、低功耗、使用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。如圖3所示，該圖為濕度傳感器檢測(cè)電路圖。

圖3中，所采用的電路是帶有電容的電容型濕度傳感器，其中的濕敏元件可作為敏感元件，且是采用有機(jī)高分子材料構(gòu)成的，是由其獨(dú)特的吸濕性能和膨潤(rùn)性能而組成的，屬水分子親和力型濕敏元件，當(dāng)其吸濕后，介電常數(shù)會(huì)發(fā)生很明顯的變化，變?yōu)楦叻肿与娊橘|(zhì)，由此可將其做成電容式濕敏元件。同時(shí)，該電路是2個(gè)時(shí)基電路IC1、IC2組成，圖3中的556即雙時(shí)基電路，也就是2個(gè)555多諧振蕩器構(gòu)成，與此同時(shí)，時(shí)基電路IC1以及外圍元件構(gòu)成多諧振器的主要部分，主要作用是產(chǎn)生觸發(fā)IC2的脈沖，而脈沖發(fā)生器是由IC2和電容型濕敏元件及外圍元件組成，具有調(diào)節(jié)脈沖寬度的作用，調(diào)節(jié)脈沖寬度將會(huì)影響濕敏元件的電容值的大小，而電容值的大小又進(jìn)一步可決定空氣中的相對(duì)濕度，圖3中IC2的9號(hào)管腳為調(diào)寬脈沖的輸出管腳，輸出信號(hào)為直流信號(hào)，途經(jīng)電阻R5、C3濾波，其輸出電壓幅值與空氣的相對(duì)濕度成正比，其靈敏度為2 mV/%RH。

3 單片機(jī)及輔助模塊

單片機(jī)選擇ATMEGA8L型號(hào)單片機(jī)[16-17]。圖4為系統(tǒng)的主控制電路圖。

主要功能是用于讀取各檢測(cè)模塊的信號(hào)，處理檢測(cè)數(shù)據(jù)、向執(zhí)行部分發(fā)送控制信號(hào)。該電路由ATMEGA8L單片機(jī)U1，電容C1、C2、C3、C4、C5、晶振Y1、電感L4組成。ATMEGA8L單片機(jī)是主控芯片。單片機(jī)的PB0～PB2端口用于檢測(cè)濕度傳感器的輸入信號(hào)；PD0～PD2端口為輸入接口，其作用是為了檢測(cè)電流傳感器的輸入信號(hào)；P2為程序下載接口；電容C3等構(gòu)成復(fù)位電路；圖5中的濾波電路是由電容C4、C5以及電感L4組成，其功能是濾除高頻信號(hào)，從而保證單片機(jī)的正常工作。

為了更好的進(jìn)行短信收發(fā)，其GSM短信收發(fā)模塊主控制電路如圖6所示。當(dāng)濕度傳感器和電流傳感器檢測(cè)值超出閾值，不僅可以通過傳輸給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，還可以通過短信形式發(fā)送給運(yùn)維值班人員。圖中的模塊采用的是TC35I，其引腳眾多，約40個(gè)，并通過1個(gè)零阻力插座ZIF(Zero Insertion Force)連接器引出。這40個(gè)引腳可以劃分為5部分，即電源、數(shù)據(jù)輸入/輸出、SIM卡、音頻接口和控制。圖中的I/O口可控制TC35I的開關(guān)機(jī)、復(fù)位等，并且通過串口可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，其通信速率大小為9600 kbps，采用8位異步通信方式，1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位。

4 結(jié)束語(yǔ)

從改善避雷器底座絕緣性能的角度出發(fā)，文中提出了一種分體式避雷器底座泄漏電流在線監(jiān)測(cè)裝置，通過增設(shè)安全防腐材料，將基礎(chǔ)鋼座底部增加排水孔，同時(shí)在瓷瓶與引下線之間加裝絕緣性能良好的硅橡膠墊。采用濕度傳感器和霍爾電流傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)避雷器底座絕緣和泄漏電流的在線監(jiān)測(cè)。通過設(shè)定一定閾值，當(dāng)檢測(cè)到泄漏電流超標(biāo)時(shí)，將傳輸結(jié)果發(fā)送至現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端，通過遠(yuǎn)程無(wú)線通信，將檢測(cè)結(jié)果傳輸給后臺(tái)監(jiān)控平臺(tái)。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，啟動(dòng)報(bào)警裝置，可提醒現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員避雷器出現(xiàn)故障，以便能及時(shí)維修。