配網(wǎng)線路雷電過電壓與過電流傳感采集技術(shù)研究

深圳供電局有限公司 吳國偉

隨著科技的不斷進(jìn)步，傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)處理算法和通信技術(shù)都取得了巨大發(fā)展。這為電力配網(wǎng)線路的故障檢測和保護(hù)提供了新的機(jī)會和挑戰(zhàn)。本文將著重研究雷電過電壓與過電流傳感采集技術(shù)，通過結(jié)合先進(jìn)的傳感器技術(shù)、智能數(shù)據(jù)處理和高效通信系統(tǒng)，以應(yīng)對電力配網(wǎng)線路可能面臨的各種故障[2]。通過本文的研究，將深入探討這些技術(shù)的原理和應(yīng)用，以期為提高電力配網(wǎng)線路的安全性和可靠性提供有力支持。

本文的目標(biāo)是建立一種可行的、高效的雷電過電壓與過電流傳感采集技術(shù)，以提供實時的故障檢測和保護(hù)機(jī)制，確保電力配網(wǎng)線路的穩(wěn)定運(yùn)行，減少故障對社會生產(chǎn)生活的不良影響[3]。

1 雷電過電壓與過電流的產(chǎn)生機(jī)理

雷電過電壓是由大氣中的靜電場和電荷分布不均勻引起的，當(dāng)雷電擊中地面附近的電力設(shè)備或線路時，會產(chǎn)生瞬態(tài)的高電壓。過電流則是由于短路或其他電力故障引起的電流異常增大。這些故障可能會瞬間引起線路內(nèi)部溫升、設(shè)備損壞甚至爆炸，嚴(yán)重威脅著電力系統(tǒng)的安全性和可靠性。

雷電測量涉及對大氣中的雷電現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測和測量。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，科學(xué)家們常常使用羅氏線圈來捕捉和記錄雷電放電事件的電磁信號。這里涉及法拉第電磁感應(yīng)定律，即當(dāng)電磁場變化時會感應(yīng)出電流，而雷電放電產(chǎn)生的強(qiáng)電場變化會被羅氏線圈捕獲，從而產(chǎn)生電流信號。安培環(huán)路定律則有助于理解電流在導(dǎo)體中的路徑和分布，這可以幫助分析和解釋雷電放電的過程。因此，對于雷電的研究是以電流為基準(zhǔn)，然后再研究雷電在設(shè)備上造成的過電壓[4]。

雷電流標(biāo)準(zhǔn)雙指數(shù)函數(shù)模型和雷電流Heidler函數(shù)模型是用于描述雷電電流脈沖的兩種數(shù)學(xué)模型，用于分析雷電放電過程中電流的變化。

雷電流標(biāo)準(zhǔn)雙指數(shù)函數(shù)模型描述了雷電流在時間上的變化，并通常用于模擬雷電放電的電流波形。其采用了雙指數(shù)函數(shù)的形式，包括上升時間和下降時間兩個參數(shù)。這兩個參數(shù)控制了雷電流脈沖的上升和下降速度，使模型能夠較好地擬合實際雷電放電的特性。標(biāo)準(zhǔn)雙指數(shù)函數(shù)模型是雷電研究中常用的工具之一，用于分析雷電放電的電流峰值、時間持續(xù)性等重要參數(shù)。

Heidler 函數(shù)模型是另一種用于描述雷電流的模型，其是對雷電流波形的另一種數(shù)學(xué)表達(dá)形式。與標(biāo)準(zhǔn)雙指數(shù)函數(shù)模型不同，Heidler 函數(shù)模型使用了一種更加復(fù)雜的函數(shù)形式，以更準(zhǔn)確地模擬雷電放電的特性。這個模型可以更好地捕捉雷電流脈沖的不連續(xù)性和非對稱性，因此在某些應(yīng)用中更為準(zhǔn)確。

幅值為5kA、修正系數(shù)為1、波頭和波尾為2.6/50μs 時的雷電流I 波形如圖1所示。

圖1 不同函數(shù)下的雷電流波形

2 傳感采集技術(shù)

為了及時檢測和應(yīng)對雷電過電壓和過電流故障，傳感采集技術(shù)起著關(guān)鍵性作用。傳感采集技術(shù)包括傳感器的選擇、數(shù)據(jù)采集與處理、通信與控制等。在雷電過電壓檢測方面，常用的傳感器有電壓傳感器和電流傳感器。電壓傳感器可以通過測量線路上的電壓變化來檢測雷電過電壓，而電流傳感器則可以監(jiān)測電流的異常增大情況。采集到的傳感數(shù)據(jù)需要經(jīng)過精確的處理和分析，以確定是否存在故障。數(shù)據(jù)采集設(shè)備應(yīng)具備高精度和高采樣率，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)處理算法可以通過比較采集到的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的閾值來判斷是否存在過電壓或過電流故障。

2.1 供電單元

供電單元是一個關(guān)鍵的電子設(shè)備，通常采用鋰電池作為電源。為了確保電源的穩(wěn)定和安全運(yùn)行，供電單元通常配備過電壓監(jiān)測單元和過電流監(jiān)測單元，這些監(jiān)測單元能夠?qū)崟r監(jiān)測供電電壓和電流的波動，以防止電壓過高或電流過大，從而保護(hù)設(shè)備不受損壞。中央信號處理單元則負(fù)責(zé)處理監(jiān)測數(shù)據(jù)，確保設(shè)備的正常運(yùn)行。各單元供電電壓要求見表1。

表1 各單元供電電壓要求匯總

2.2 過電壓監(jiān)測單元

過電壓在線監(jiān)測單元是電力系統(tǒng)中至關(guān)重要的組成部分，其用于監(jiān)測和保護(hù)設(shè)備免受過電壓和過電流的損害。該系統(tǒng)通常包括電壓互感器和過電流保護(hù)器，電壓互感器用于實時測量電壓水平，而過電流保護(hù)器則監(jiān)測電流的波動。當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)過電壓或過電流時，過電壓保護(hù)器和過電流保護(hù)器會立即介入，通過分壓電路和隔離電路來切斷電路或減小電壓，以保護(hù)設(shè)備免受損壞，過電壓在線監(jiān)測單元電路如圖2所示。分壓電路的電容均采用高頻瓷介電容，隔離電路由運(yùn)算放大器 LM7332組成。

圖2 過電壓在線監(jiān)測單元電路圖

在電路保護(hù)與監(jiān)測方面，過電流保護(hù)器專門設(shè)計用于檢測和限制電路中的過載電流，以防止設(shè)備或電線受損。兩級過壓保護(hù)器負(fù)責(zé)監(jiān)測電路中的電壓水平，如果出現(xiàn)電路短路或意外的電壓波動，這些保護(hù)器將迅速介入，通過分壓電路降低電壓或切斷電路，從而保護(hù)設(shè)備免受損壞。此外，高速數(shù)據(jù)采集卡在這個系統(tǒng)中起到了關(guān)鍵作用，用于實時采集和分析電路中的信號數(shù)據(jù)。然而，信號干擾可能會對數(shù)據(jù)采集造成困擾，因此需要使用兩級過壓保護(hù)器來降低信號干擾的影響。

在過電壓監(jiān)測單元中，隔離電路扮演著至關(guān)重要的角色。它們被廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域，以確保信號的穩(wěn)定性和安全性。隔離電路的主要目標(biāo)是保持電氣隔離，防止信號干擾和提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過結(jié)合隔離電路和緩沖器基準(zhǔn)電壓等元件，創(chuàng)建出高性能的信號處理系統(tǒng)，適用于各種應(yīng)用來滿足復(fù)雜應(yīng)用中的需求。

該電路的輸出電壓等于輸入電壓，即U0=Ui，基于仿真軟件PSpice 驗證隔離電路設(shè)計的可行性，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 隔離電路中交流電壓輸入的仿真結(jié)果

2.3 過電流監(jiān)測單元

過電流在線監(jiān)測單元是電力系統(tǒng)中的重要組件，其用于實時監(jiān)測電路中的電流水平以保護(hù)設(shè)備和系統(tǒng)的安全性。這個單元通常包括電流采集電路，專門用于測量電流的變化。當(dāng)電路中出現(xiàn)過流情況時，過流保護(hù)器將迅速介入，切斷電路以防止設(shè)備受損。為了確保信號的準(zhǔn)確性和電路的可靠性，隔離電路通常用于隔離監(jiān)測電路和被監(jiān)測電路之間的電氣連接。比較電路用于比較監(jiān)測到的電流與預(yù)設(shè)的閾值，以觸發(fā)過流保護(hù)器的操作。這些關(guān)鍵組件協(xié)同工作，構(gòu)建了一個有效的電路保護(hù)系統(tǒng)，確保電力系統(tǒng)在各種工況下都能保持穩(wěn)定并減少潛在的電氣故障風(fēng)險。過電流在線監(jiān)測單元電路如圖4所示。

圖4 過電流在線監(jiān)測單元電路圖

采用LR 積分器結(jié)構(gòu)的Rogowski 線圈測量雷電流；隔離電路采用單個零漂移快速建立放大器OPA388；比較電路采用高速比較器TLV3201；輸出部分設(shè)計了推挽電路結(jié)構(gòu)。

3 中央控制技術(shù)

中央信號處理單元是一個關(guān)鍵的電子系統(tǒng)組成模塊，通常由多個子模塊構(gòu)成。其中，F(xiàn)PGA 主控模塊扮演著核心角色，其擁有可編程的特性，能夠高效地處理各種信號和數(shù)據(jù)。與之配套的人機(jī)交互模塊允許用戶與系統(tǒng)進(jìn)行交互，監(jiān)測狀態(tài)并進(jìn)行控制。數(shù)據(jù)存儲模塊則用于安全地儲存大量的信息，以備將來的分析和檢索。報警模塊則負(fù)責(zé)實時監(jiān)測系統(tǒng)的狀態(tài)。

FPGA 主控模塊采用芯片型號為5CEFA7F31I7N；人機(jī)交互模塊包括RJ-45以太網(wǎng)端口和點陣式LCD 顯示屏。數(shù)據(jù)存儲模塊包括兩片256MB 的DDR3存儲器芯片和一片512MB 的LPDDR2存儲器芯片。報警模塊包括LED 閃光燈報警電路和揚(yáng)聲器聲音報警電路。

4 結(jié)論

雷電過電壓過電流傳感采集裝置是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，包括多個關(guān)鍵組件。供電單元提供電力支持，而過電壓監(jiān)測單元和過電流監(jiān)測單元負(fù)責(zé)監(jiān)測電路中的電壓和電流。這些數(shù)據(jù)通過中央信號處理單元進(jìn)行處理和分析。整個系統(tǒng)的設(shè)計裝置旨在實現(xiàn)高效的電壓傳感監(jiān)測和電流傳感監(jiān)測，確保雷電過電壓和過電流事件能夠可靠地被檢測和記錄。最后，數(shù)據(jù)采集存儲部分負(fù)責(zé)儲存大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，以備將來的分析和應(yīng)用。這種雷電過電壓過電流傳感采集裝置在電力系統(tǒng)保護(hù)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，確保電路的安全運(yùn)行。