絕緣子泄漏電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫惠婷 劉文彬 溫惠康 張建峰 張澤謙 周桂濤

收稿日期：2023-08-07

基金項(xiàng)目：南方電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（031400KK52220008（GDKJXM20220755））

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.06.032

摘? 要：通過監(jiān)測(cè)輸電線路中絕緣子的泄漏電流來判斷絕緣子的污穢程度，以避免絕緣子發(fā)生污閃的情況。設(shè)計(jì)了一種絕緣子泄漏電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括泄漏電流傳感器、泄漏電流放大與濾波模塊、泄漏電流ADC轉(zhuǎn)換模塊、主控模塊、無線通信模塊和終端等功能元件。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)絕緣子泄漏電流信號(hào)的在線監(jiān)測(cè)、處理、采集、顯示與傳輸?shù)裙δ?。?shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)具有高精度的數(shù)據(jù)采集能力，對(duì)泄漏電流信號(hào)監(jiān)測(cè)相對(duì)誤差小于2%，滿足對(duì)絕緣子泄漏電流監(jiān)測(cè)的要求。

關(guān)鍵詞：絕緣子；泄漏電流；電流傳感器

中圖分類號(hào)：TP277? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2024）06-0149-06

Design of Insulator Leakage Current Monitoring System

WEN Huiting1， LIU Wenbin1， WEN Huikang2， ZHANG Jianfeng1， ZHANG Zeqian3， ZHOU Guitao3

（1.Meizhou Power Supply Bureau of Guangdong Grid Co.， Ltd.， Meizhou? 514021， China;

2.Jiangmen Power Supply Bureau of Guangdong Grid Co.， Ltd.， Jiangmen? 529050， China;

3.School of Automation， Guangdong University of Technology， Guangzhou? 510006， China）

Abstract： By monitoring the leakage current of insulators in transmission lines， the degree of contamination of insulators can be determined to avoid contamination flashover. A real-time monitoring system for insulator leakage current has been designed， which mainly includes functional components such as leakage current sensor， leakage current amplification and filtering module， leakage current ADC conversion module， main control module， wireless communication module， and terminal. This system can achieve online monitoring， processing， collection， display， and transmission functions of insulator leakage current signals. The experimental results show that the system has high-precision data acquisition capability， and the relative error in monitoring leakage current signals is less than 2%， meeting the requirements for monitoring insulator leakage current.

Keywords： insulator; leakage current; current sensor

0? 引? 言

絕緣子是輸電線路的重要組成部分，是電網(wǎng)中用量龐大、種類較多的零部件，對(duì)電氣設(shè)備或?qū)w既要起絕緣作用，又要起固定懸掛作用。絕緣子在各種天氣條件下，長期置于戶外運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致絕緣子表面附著各種污穢物質(zhì)，導(dǎo)致絕緣子的絕緣性能降低而其導(dǎo)電能力提高。當(dāng)絕緣子受到過電壓影響時(shí)，可能發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象，如果長時(shí)間發(fā)生閃絡(luò)，則可能引發(fā)事故性停電[1-3]。絕緣子的泄漏電流監(jiān)測(cè)信號(hào)可以用于反映其污穢程度，監(jiān)測(cè)絕緣子泄漏電流信號(hào)可以使線路維護(hù)人員了解絕緣子的運(yùn)行狀態(tài)，并在必要時(shí)進(jìn)行清洗，以避免因過高污穢程度引發(fā)閃絡(luò)停電事故，這對(duì)保障電力系統(tǒng)的安全至關(guān)重要[4]。

由于絕緣子安裝在輸電線路桿塔較高的位置，絕緣子數(shù)量龐大且線路復(fù)雜，線路維護(hù)人員很難逐一進(jìn)行實(shí)測(cè)以了解線路絕緣子的工作狀態(tài)，無法掌握絕緣子的實(shí)際運(yùn)行情況，因此相關(guān)的維護(hù)策略也無法得到落實(shí)。為解決這一問題，本文設(shè)計(jì)了一種絕緣子泄漏電流的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)絕緣子泄漏電流信號(hào)，以評(píng)估絕緣子的污穢程度。

1? 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由電流傳感器、泄漏電流放大與濾波模塊、泄漏電流ADC轉(zhuǎn)換模塊、主控模塊、無線通信模塊、電源模塊和終端等組成，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框如圖1所示。

系統(tǒng)通過電流傳感器獲取絕緣子微弱泄漏電流信號(hào)，采用泄漏電流放大與濾波模塊對(duì)上述微弱信號(hào)進(jìn)行放大與濾波，使用ADC轉(zhuǎn)換模塊將處理完成的信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，由主控模塊計(jì)算泄漏電流信號(hào)的相關(guān)特征值，數(shù)據(jù)通過無線通信模塊發(fā)送到云服務(wù)器，并在終端存儲(chǔ)與顯示。為了適應(yīng)戶外工作環(huán)境，系統(tǒng)采用以太陽能充電的蓄電池供電方式，通過在桿塔上安裝太陽能電池板為系統(tǒng)的蓄電池充電，再由電源管理模塊將蓄電池提供的電能供給系統(tǒng)中的各個(gè)模塊使用。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1? 系統(tǒng)整體硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件組成包括電流傳感器、泄漏電流放大與濾波電路、ADC轉(zhuǎn)換電路、主控電路。泄漏電流放大與濾波電路包括電流/電壓轉(zhuǎn)換電路、電壓放大電路和濾波電路等，主控電路的MCU采用STM32單片機(jī)，硬件電路整體框如圖2所示。

圖2? 系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)圖

2.2? 電流傳感器

采集絕緣子的泄漏電流信號(hào)，需要選擇具有寬頻帶、高靈敏度和高精度的電流傳感器。由于泄漏電流信號(hào)微弱且幅值變化大，并且頻率范圍寬，所選傳感器要能夠準(zhǔn)確地測(cè)量這些特征。此外，電流傳感器還必須適應(yīng)戶外運(yùn)行環(huán)境，具備防水和防塵的特性[5，6]。本文選用以羅氏線圈為基礎(chǔ)改進(jìn)的電流傳感器，其具備寬頻率響應(yīng)范圍和高靈敏度，能夠準(zhǔn)確捕捉細(xì)微的泄漏電流信號(hào)。此外，該傳感器的測(cè)量線路與系統(tǒng)設(shè)備之間沒有直接的電氣聯(lián)系，因此測(cè)量過程更加安全可靠，并且安裝便捷。同時(shí)，該電流傳感器采用高質(zhì)量材料制成，具有出色的耐久性和防護(hù)性能。它可以在惡劣的室外環(huán)境下長時(shí)間穩(wěn)定地運(yùn)行，確保系統(tǒng)的可靠性。

2.3? 泄漏電流放大與濾波電路

泄漏電流放大與濾波電路由電流/電壓轉(zhuǎn)換電路、電壓放大電路和濾波電路組成，電路原理如圖3所示。

電流/電壓轉(zhuǎn)換電路在放大與濾波電路中起著關(guān)鍵的作用，電流信號(hào)通常用于作為傳感器輸出[7]，通過使用電流/電壓轉(zhuǎn)換電路，系統(tǒng)可以將電流傳感器監(jiān)測(cè)到的絕緣子微弱泄漏電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為等效的電壓信號(hào)，以適應(yīng)后續(xù)放大電路和濾波電路的要求。電路中需要使用具有極低偏置電流和高輸入阻抗的運(yùn)算放大器。因?yàn)槿绻\(yùn)算放大器的偏置電流比待轉(zhuǎn)換的電流信號(hào)大，導(dǎo)致其被掩蓋以致無法準(zhǔn)確測(cè)量。另外，在采樣電阻上并聯(lián)一個(gè)小電容可以減小高頻信號(hào)的失真并濾除高頻噪聲，提高電路的頻率響應(yīng)和信號(hào)質(zhì)量。為了保證I / V轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電壓的穩(wěn)定性，需要選用高精度低溫漂的采樣電阻。

根據(jù)圖3所示的電流/電壓轉(zhuǎn)換電路原理，可得該電路的轉(zhuǎn)換電壓公式為：

式中I為微弱泄漏電流，R1為采樣電阻。

根據(jù)圖3中元件參數(shù)計(jì)算，電壓放大電路的放大倍數(shù)為：

在絕緣子泄漏電流信號(hào)的頻率中，通常包含工頻50 Hz的基波成分，在異常狀態(tài)下可能還包括三次諧波和五次諧波[8，9]。而在實(shí)際應(yīng)用中，由于環(huán)境的干擾影響，輸入信號(hào)常常會(huì)受到高頻干擾信號(hào)的影響，因此在將信號(hào)送入ADC轉(zhuǎn)換電路之前，必須進(jìn)行濾波處理，濾除干擾信號(hào)。系統(tǒng)需要保留的信號(hào)主要包括基波、三次諧波、五次諧波等低頻信號(hào)[10，11]，因此設(shè)計(jì)低通濾波電路用于濾除高頻干擾信號(hào)。本文系統(tǒng)采用有源二階巴特沃斯濾波器，根據(jù)圖3中元件參數(shù)，計(jì)算二階低通濾波器的截止頻率為：

因?yàn)檫\(yùn)算放大器的輸出電壓通常會(huì)存在直流偏置，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)高通濾波器將直流偏置電壓濾除。根據(jù)圖3中元件參數(shù)，計(jì)算一階高通濾波器的截止頻率為：

2.4? ADC轉(zhuǎn)換電路

ADC轉(zhuǎn)換電路對(duì)泄漏電流放大與濾波電路輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成主控芯片可以運(yùn)算處理的數(shù)字信號(hào)，以便于進(jìn)行測(cè)量、計(jì)算、存儲(chǔ)和發(fā)送等操作。ADC轉(zhuǎn)換電路的準(zhǔn)確性和精度等性能指標(biāo)直接影響到電壓信號(hào)測(cè)量的準(zhǔn)確度，即絕緣子泄漏電流的準(zhǔn)確度，因此采用高性能的ADC芯片并設(shè)計(jì)合適的外圍電路是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

2.5? 主控電路

主控電路是由MCU及其外圍電路組成，其中MCU采用STM32F4芯片。該芯片以其出色的性能和低功耗特點(diǎn)而備受青睞，并具備豐富的外設(shè)資源，能夠滿足各種嵌入式開發(fā)需求。該MCU還配備了高達(dá)192 KB的SRAM內(nèi)部存儲(chǔ)器，提供充足的運(yùn)行內(nèi)存，以便處理由ADC芯片傳輸?shù)拇罅繑?shù)據(jù)，主控電路的原理如圖4所示。MCU的外圍電路主要包括晶振電路和復(fù)位電路。復(fù)位電路的設(shè)計(jì)旨在應(yīng)對(duì)可能發(fā)生的MCU程序跑飛和死機(jī)等異常情況以便及時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1? 軟件總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括泄漏電流信號(hào)采集單元、泄漏電流數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、無線通信模塊數(shù)據(jù)傳輸單元等，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框如圖5所示。

泄漏電流信號(hào)采集單元設(shè)置了ADC芯片的配置程序，控制ADC轉(zhuǎn)換電路對(duì)處理完成的泄漏電流信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)處理單元是系統(tǒng)的核心部分，利用MCU對(duì)采集單元輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并提取相關(guān)的泄漏電流特征值。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元負(fù)責(zé)將MCU計(jì)算得出的泄漏電流數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在TF卡中，以便長期保存。無線通信單元負(fù)責(zé)MCU與無線通信模塊之間的通信，以及無線通信模塊與云服務(wù)和終端之間的通信，實(shí)現(xiàn)將MCU計(jì)算得出的泄漏電流數(shù)據(jù)發(fā)送到終端的功能。

圖5? 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

3.2? 無線通信單元

MCU與無線通信模塊之間采用RS232協(xié)議進(jìn)行通信。無線通信模塊通過4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務(wù)器。終端設(shè)備通過MQTT協(xié)議與云服務(wù)器建立連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，并將數(shù)據(jù)顯示在終端界面上，無線通信單元的組成框如圖6所示。

圖6? 無線通信單元組成框圖

3.3? 終端顯示界面

終端顯示界面采用了QT框架，如圖7（a）所示。該界面用于監(jiān)測(cè)某塔某回路的泄漏電流和其他指標(biāo)，包括泄漏電流的有效值、三五次諧波分量、電流峰谷值以及超過特定電流閾值的脈沖數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到異常數(shù)據(jù)時(shí)，通過無線通信單元將異常泄漏電流數(shù)據(jù)發(fā)送到終端界面，并在界面上顯示出來。如圖7（b）所示，運(yùn)維人員可以回顧以往異常狀態(tài)下的泄漏電流波形。同時(shí)，終端顯示界面還提供了命令輸入框，使運(yùn)維人員可以輸入命令來修改監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作參數(shù)或改變其工作狀態(tài)。通過使用QT框架設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)界面，用戶可以方便地進(jìn)行直觀、靈活的操作。

（a）泄漏電流參數(shù)監(jiān)測(cè)界面

（b）泄漏電流異常數(shù)據(jù)顯示界面

圖7? 終端顯示界面

3.4? 泄漏電流監(jiān)測(cè)流程

在系統(tǒng)啟動(dòng)后，系統(tǒng)程序進(jìn)行初始化，并判斷是否下達(dá)了監(jiān)測(cè)命令，如果下達(dá)了監(jiān)測(cè)命令，則泄漏電流采集模塊控制ADC電路對(duì)泄漏電流放大與濾波電路輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行采集，并通過每秒內(nèi)的所有采集電壓值計(jì)算出各種數(shù)據(jù)，如泄漏電流有效值、峰峰值、三五次諧波幅值等，最后通過無線通信模塊將這些數(shù)據(jù)發(fā)送至終端，系統(tǒng)軟件對(duì)泄漏電流的監(jiān)測(cè)流程如圖8所示。

圖8? 泄漏電流監(jiān)測(cè)流程圖

4? 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求，本文設(shè)計(jì)了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)為將泄漏電流信號(hào)輸入系統(tǒng)，記錄系統(tǒng)中ADC轉(zhuǎn)換電路采集到的相應(yīng)電壓數(shù)據(jù)。將原始泄漏電流值與對(duì)應(yīng)的電壓值進(jìn)行擬合，得到二者的一次擬合直線，如圖9所示。

圖9顯示了實(shí)驗(yàn)結(jié)果中原始泄漏電流值與對(duì)應(yīng)的電壓數(shù)據(jù)的線性關(guān)系，兩者的線性度較好，通過一次擬合得到的擬合直線公式為：

f （x） = 2.017 7×（-0.054 2）

其中自變量x代表原始泄漏電流值，因變量f （x）代表系統(tǒng)ADC轉(zhuǎn)換電路采集到的電壓值，根據(jù)該擬合公式，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確計(jì)算出泄漏電流值，并記錄泄漏電流信號(hào)的波形，結(jié)果如圖10所示。

圖9? 泄漏電流與電壓數(shù)據(jù)擬合曲線

（a）泄漏電流信號(hào)原始波形

（b）示波器記錄系統(tǒng)處理后的泄漏電流波形

（c）系統(tǒng)記錄泄漏電流波形

圖10? 泄漏電流信號(hào)波形

通過對(duì)比圖10（a）（b）（c）三張圖中的泄漏電流信號(hào)波形，可以發(fā)現(xiàn)原始信號(hào)伴隨著各種高頻噪聲，而經(jīng)過系統(tǒng)對(duì)泄漏電流的處理后，在保留原始信號(hào)的幅值，周期等重要信息的同時(shí)，有效地濾除了高頻噪聲的干擾。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)還記錄了泄漏電流原始信號(hào)的有效值，并與系統(tǒng)計(jì)算出的有效值進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。通過對(duì)比表的中兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)中測(cè)得的泄漏電流有效值與實(shí)際值之間的相對(duì)誤差小于2%。這說明系統(tǒng)在泄漏電流測(cè)量方面具有高度的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

表1? 泄漏電流有效值匯總

原始泄漏電流有效值/ mA 系統(tǒng)測(cè)得泄漏電流有效值/ mA

2.702 2.710

3.598 3.601

4.493 4.530

5.845 5.780

6.295 6.310

6.745 6.670

通過上述實(shí)驗(yàn)分析得出結(jié)論，系統(tǒng)對(duì)泄漏電流信號(hào)進(jìn)行處理后，能夠有效地濾除高頻噪聲，同時(shí)保留了重要的信號(hào)信息。此外，系統(tǒng)測(cè)得的泄漏電流有效值與實(shí)際值之間的相對(duì)誤差較小，表明系統(tǒng)具有準(zhǔn)確且穩(wěn)定的測(cè)量能力。

5? 結(jié)? 論

本文詳細(xì)研究了泄漏電流信號(hào)采集處理、采集和傳輸?shù)燃夹g(shù)，并設(shè)計(jì)了泄漏電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟硬件，其中包括泄漏電流放大與濾波模塊、ADC轉(zhuǎn)換模塊、主控模塊和無線通信模塊等。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確記錄泄漏電流信號(hào)的波形并計(jì)算出有效值驗(yàn)證了系統(tǒng)監(jiān)測(cè)泄漏電流數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。借助該系統(tǒng)，維護(hù)人員可以在終端界面上密切監(jiān)測(cè)絕緣子泄漏電流的變化情況，從而判斷絕緣子可能發(fā)生污閃的風(fēng)險(xiǎn)，可以有效預(yù)防潛在的故障和事故，保障電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

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作者簡介：溫惠婷（1985—），女，漢族，廣東惠州人，工程師，碩士，研究方向：新能源及需求側(cè)管理、電力調(diào)度與地方電廠出力分析、錯(cuò)峰用電與負(fù)荷調(diào)整、非統(tǒng)調(diào)電廠購電管理、客戶節(jié)能服務(wù)、售電業(yè)務(wù)對(duì)接等。