氧化鋅避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

沈陽電氣傳動(dòng)研究所（有限公司） 張 茜

針對(duì)氧化鋅避雷器工作中氧化鋅閥片發(fā)熱甚至熱擊穿、老化、內(nèi)部放電及徑向放電而損壞避雷器的現(xiàn)象，提出了一種能自動(dòng)地連續(xù)進(jìn)行監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理和診斷分析的氧化鋅避雷器在線監(jiān)測的設(shè)計(jì)方案。該方案具有較好的抗干擾能力和合理的監(jiān)測靈敏度，監(jiān)測結(jié)果具有較好的有效性和可靠性、能及時(shí)準(zhǔn)確地反映氧化鋅避雷器的運(yùn)行狀況。

避雷器主要應(yīng)用于電力系統(tǒng)，其作用是限制由線路傳來的雷電過電壓或由操作引起的內(nèi)部過電壓。金屬氧化鋅避雷器（MOA)具有非線性特性好、通流能力強(qiáng)、造價(jià)低的特點(diǎn)，它的正常運(yùn)行對(duì)保證安全供電起著重要作用。但MOA在實(shí)際運(yùn)行過程中存在以下問題：

（1）有泄漏電流流過氧化鋅閥片將使閥片發(fā)熱，導(dǎo)致氧化鋅閥片老化，直到出現(xiàn)熱擊穿。

（2）MOA閥片在沖擊電壓能量的作用下發(fā)生老化。

（3）MOA內(nèi)部受潮或內(nèi)部絕緣支架絕緣性能不良而加大功耗，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致內(nèi)部放電。

（4）MOA時(shí)常受到雨、雪、凝露及灰塵的污染，可能會(huì)發(fā)生徑向放電現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)有可能損壞避雷器。

當(dāng)MOA存在內(nèi)部受潮和閥片老化等缺陷時(shí)，一般可以通過停電試驗(yàn)可以檢查出來，但在電網(wǎng)電壓及環(huán)境等因素長期作用下MOA會(huì)產(chǎn)生劣化，有導(dǎo)致停電事故的可能。因此設(shè)計(jì)一套氧化鋅避雷器在線帶電監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)有效快速發(fā)現(xiàn)MOA受潮、老化及損傷等缺陷，對(duì)預(yù)防故障發(fā)生，確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。

1 組成及工作原理

本文設(shè)計(jì)的氧化鋅避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)以工控機(jī)為核心，由測試傳感器、放大與濾波、相位差檢測及A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、單片機(jī)為檢測單元組合成在線監(jiān)測系統(tǒng)。

通過傳感器獲取被測量設(shè)備的電壓和電流信號(hào)，分別經(jīng)過前置處理單元、后級(jí)電路處理以及被測量設(shè)備的電壓和電流信號(hào)的相位差處理單元，再由單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、軟件濾波傳送到上位機(jī)，在上位機(jī)內(nèi)根據(jù)預(yù)設(shè)不同型號(hào)MOA的伏安特性（如圖1所示）及工作要求。

圖1 MOA的伏安特性

進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理，得到氧化鋅避雷器運(yùn)行的電流、電流峰值及電流與電壓相位差，顯示并儲(chǔ)存母線的電壓被測MOA的、電流數(shù)值和波形。

氧化鋅避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。

圖2 氧化鋅避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)原理框圖

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 電流、電壓信號(hào)采集設(shè)計(jì)

避雷器的電流信號(hào)由電流傳感器采集，母線的電壓信號(hào)由互感器采集。

（1）氧化鋅避雷器總泄漏電流的采集是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，直接影響系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性，泄漏電流的采集具有以下幾個(gè)難點(diǎn)：

a.設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)的泄露電流比較小，一般只有微安級(jí)；

b.工作現(xiàn)場環(huán)境是高壓大電流場合，電磁干擾嚴(yán)重；

c.測量的電流傳感器反映速度要快；

d.避雷器在過流保護(hù)時(shí)的動(dòng)作電流幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常運(yùn)行時(shí)候泄露電流。

市面上的電流傳感器無法滿足設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，經(jīng)綜合考慮選用磁平衡原理特別設(shè)計(jì)的微電流傳感器，電流傳感器的測量端被串接到避雷器的接地回路。

（2）特別設(shè)計(jì)的磁平衡原理電流傳感器是在聚磁環(huán)開一道縫隙，縫隙里面安裝霍爾元件用來檢測磁環(huán)的磁通量，將被測的電流（原邊）線圈與輸出（次級(jí)）的電流線圈分為逆向分別繞制在磁環(huán)上，當(dāng)原邊線圈有電流流過時(shí)會(huì)在聚磁環(huán)處所產(chǎn)生一個(gè)磁場作用到霍爾元件上，霍爾元件的輸出電壓發(fā)生變化，將霍爾元件的輸出電壓進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)也即是次級(jí)電流，因次級(jí)的電流線圈逆向繞制在磁環(huán)上，這樣次級(jí)電流也會(huì)在聚磁環(huán)處所產(chǎn)生一個(gè)與原邊電流產(chǎn)生的磁場方向相反的磁場作用到霍爾元件上，當(dāng)原邊與次級(jí)產(chǎn)生的磁場大小相等（方向相反）時(shí)，作用在霍爾元件的磁場為零，次級(jí)電流信號(hào)保持相對(duì)穩(wěn)定。次級(jí)電流的頻率、相位與原邊的電流信號(hào)相同，但其幅值可根據(jù)原邊電流與原邊線圈匝數(shù)的乘積與次級(jí)電流與次級(jí)線圈匝數(shù)的乘積相等的關(guān)系計(jì)算出次級(jí)電流的數(shù)值。

（3）利用趨膚效應(yīng)阻止電磁波透入的原理，選用磁導(dǎo)率高的金屬材料制成電磁屏蔽裝置，把電流傳感器包在金屬殼內(nèi)，將運(yùn)行環(huán)境中的干擾磁通量屏蔽。

（4）電流傳感器是串接在避雷器的接地回路，避雷器在過流保護(hù)時(shí)的動(dòng)作電流可能達(dá)到0.7A，為確保避雷器能夠正常工作且有雷擊時(shí)起到保護(hù)作用，同時(shí)又不能損壞電流傳感器的原邊線圈，根據(jù)這種特殊的工作狀態(tài)，采用兩級(jí)電流變化方式解決。第一級(jí)的原邊線圈和次級(jí)線圈選用截可以承載1.5A電流的導(dǎo)線，在霍爾元件的控制電路中增加限壓、限流電路處理，連接到第二級(jí)的原邊線圈得到放大的避雷器漏電流信號(hào)，這樣既能準(zhǔn)確測量正常狀態(tài)下的泄露電流，也能保證避雷器在過流保護(hù)時(shí)可靠工作。

（5）電壓信號(hào)由母線電壓互感器( PT)二次側(cè)獲取。2.1.2 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

將采集到的電壓和電流傳感器信號(hào)分兩路進(jìn)行處理，前置處理電路具有信號(hào)放大和模擬濾波功能。為抑制噪聲和干擾信號(hào)采用高輸入阻抗、低噪聲、高共模抑制比的精密儀表放大器將信號(hào)放大到設(shè)計(jì)的數(shù)值，然后經(jīng)過放大的信號(hào)進(jìn)入模擬濾波電路。采集的電壓和電流信號(hào)均為工頻50Hz正弦波，本設(shè)計(jì)采用工程中常用的二階有源低通濾波電路，抑制檢測電路里的噪聲和干擾信號(hào)。

AD轉(zhuǎn)換器一般不能夠采集電負(fù)電壓信號(hào)，采集負(fù)電壓信號(hào)需要復(fù)雜的電路轉(zhuǎn)換。為方便AD轉(zhuǎn)換器采集信號(hào)，利用差分放大器做加法運(yùn)算，將信號(hào)進(jìn)行平移再輸出到AD轉(zhuǎn)換器。

考慮到低通濾波電路對(duì)信號(hào)產(chǎn)生相位變化，將兩個(gè)儀表放大器的輸出直接進(jìn)入相位差計(jì)算電路。電路由零位比較器、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、高頻率脈沖發(fā)生器等組成，測量出氧化鋅避雷器的電壓和電流信號(hào)之間的瞬時(shí)相位差。

2.1.3 單片機(jī)及數(shù)字濾波設(shè)計(jì)

單片機(jī)的工作包括模擬量的采集、計(jì)算、數(shù)據(jù)的處理、上位機(jī)采集指令的接收、RS485總線通訊以及傳輸?shù)确矫?。系統(tǒng)采用STM8S003F3單片機(jī)作為中央處理單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，STM8S003F3單片機(jī)包含ADC1和ADC2兩個(gè)模擬量輸入通道，它們均是10位的逐次比較型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。兩路處理后的電壓信號(hào)，接入單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后單片機(jī)對(duì)此數(shù)字量進(jìn)行濾波運(yùn)算。

氧化鋅避雷器的電壓和電流信號(hào)之間的瞬時(shí)相位差是脈沖信號(hào)，接入到STM8S003F3單片機(jī)的數(shù)字輸入端由單片機(jī)直接計(jì)算。單片機(jī)與上位機(jī)之間采用RS485總線的方式進(jìn)行通訊，采用標(biāo)準(zhǔn)的ModBus協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確與可靠。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集軟件和上位機(jī)氧化鋅避雷器伏安特性數(shù)學(xué)模型的建立、對(duì)采集數(shù)據(jù)分析及處理軟件及相互之間的通訊幾個(gè)方面。

采集的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行同步采樣。在單片機(jī)的程序中，當(dāng)一路模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣后就進(jìn)行鎖存，然后另一路模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣并鎖存，分時(shí)采樣，由于其采樣轉(zhuǎn)換速度足夠快，可視同為同步采樣。在測量電流的程序中設(shè)定了兩個(gè)臨時(shí)變量i、j以及其它參與計(jì)算的一些變量，主要有電壓峰值求和變量、平均值變量電壓及AD采集數(shù)值的緩沖區(qū)；定義一個(gè)存放波形、電壓最大值的緩沖區(qū)。當(dāng)開機(jī)或復(fù)位后，單片機(jī)進(jìn)行初始化、自檢后進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，由于每一個(gè)波形均要進(jìn)行AD_COUNT次采集，因此在程序中用for循環(huán)來實(shí)現(xiàn)；同理，由于需要對(duì)VOLTAGE_MAX_COUNT個(gè)波形進(jìn)行采集，因此外層循環(huán)也采用for循環(huán)，循環(huán)次數(shù)為VOLTAGE_MAX_COUNT次。在完成對(duì)每個(gè)波形的AD_COUNT次AD采集后，需要對(duì)AD_COUNT個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將數(shù)據(jù)依次排序存儲(chǔ)在voltage_value_buf[]數(shù)組中，其中的數(shù)值為電流的瞬時(shí)值，整個(gè)數(shù)組中的數(shù)值按照冒泡法排序，這個(gè)值為最大的電流峰值。采用高次諧波計(jì)算法即按照得到的總泄漏電流送入邏輯分析單元進(jìn)行分析，計(jì)算容性電流的峰值，再送入減法單元與總泄漏電流作減法運(yùn)算得到阻性電流。為避免程序收到外來干擾，在程序中設(shè)計(jì)了若干個(gè)軟件“看門狗”，經(jīng)長期運(yùn)行證明軟件安全可靠。

將建立的氧化鋅避雷器伏安特性數(shù)學(xué)模型預(yù)裝到上位機(jī)，在接收到單片機(jī)采樣得到的設(shè)備電壓、電流的原始波形和數(shù)值的數(shù)據(jù)后，與數(shù)學(xué)模型對(duì)應(yīng)型號(hào)的氧化鋅避雷器伏安特性進(jìn)行比較、分析，通過理論計(jì)算做出判斷，上位機(jī)依次循環(huán)的對(duì)現(xiàn)場的多路電壓、電流的測試數(shù)據(jù)接收，計(jì)算阻性電流值，在顯示屏顯示氧化鋅避雷器的泄露總電流值和阻性電流值曲線、母線電壓值曲線，并定時(shí)保存數(shù)據(jù)。

本文設(shè)計(jì)的氧化鋅避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)在多個(gè)現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，實(shí)踐表明，該系統(tǒng)功能齊全、可靠性好、使用方便。