無(wú)線分布式氧化鋅避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1、無(wú)線分布式氧化鋅避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用【摘 要】氧化鋅避雷器數(shù)量多、分布廣，正需要如無(wú)線分布式在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)般的靈敏系統(tǒng)以適應(yīng)不同的測(cè)試場(chǎng)合和要求。該在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由傳感器、信號(hào)同步采集調(diào)理單元、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和效勞器等組成，提供高效、可靠的氧化鋅避雷器實(shí)際工況下的阻性電流等特征量測(cè)量以及判斷分析，能滿足狀態(tài)檢測(cè)和智能電網(wǎng)開展的需要?！娟P(guān)鍵詞】氧化鋅避雷器；分布式；無(wú)線傳輸；在線監(jiān)測(cè)；傳感器0.引言氧化鋅避雷器是電力設(shè)備的重要保護(hù)元件，其平安可靠運(yùn)行才能保證電力系統(tǒng)的平安。在實(shí)際運(yùn)行中，避雷器的老化/損壞有一個(gè)累積的過(guò)程。通過(guò)利用避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其阻性電流等特征值變化趨勢(shì)的方式，可以全

2、面反映其是否出現(xiàn)老化、受潮及內(nèi)部放電等情況，并實(shí)時(shí)診斷避雷器的運(yùn)行工況，以便及時(shí)采取相應(yīng)措施。在線監(jiān)測(cè)使對(duì)避雷器的檢修維護(hù)更有針對(duì)性，到達(dá)進(jìn)步氧化鋅避雷器運(yùn)行可靠性的目的。電力系統(tǒng)中的氧化鋅避雷器數(shù)量多、分布廣，為滿足不同監(jiān)測(cè)環(huán)境的需要，筆者設(shè)計(jì)出無(wú)線分布式氧化鋅避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。1.系統(tǒng)總觀無(wú)線分布式氧化鋅避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖1所示，由安裝在設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)的分布式測(cè)量終端電流單元、PT信號(hào)采集單元電壓?jiǎn)卧?、同步采集控制單元本地單元和變電站主控室的工作站及網(wǎng)關(guān)構(gòu)成。圖1 無(wú)線分布式氧化鋅避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖所有測(cè)量終端的構(gòu)造一樣，對(duì)每組被監(jiān)測(cè)氧化鋅避雷器A、B、C三相配置一臺(tái)測(cè)量終端，

3、負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)的采集和提取，得到被監(jiān)測(cè)的電氣量，由無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)將各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送至主控室的網(wǎng)關(guān)。工作站負(fù)責(zé)對(duì)站內(nèi)各測(cè)量終端的控制以及數(shù)據(jù)的保存和處理。網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)搜集測(cè)量終端的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)通信，也可以就地分析、顯示。本系統(tǒng)硬件采用浮點(diǎn)采集技術(shù)，快速采集動(dòng)態(tài)范圍大的電流信號(hào)，真實(shí)有效地反映氧化鋅避雷器正常運(yùn)行時(shí)的阻性基波電流及3、5、7、9次諧波電流。軟件上采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)及專家分析系統(tǒng)，可有效地濾除干擾，真實(shí)反映氧化鋅避雷器的運(yùn)行狀態(tài)。本系統(tǒng)與被監(jiān)測(cè)氧化鋅避雷器的一次回路無(wú)直接電氣連接，不影響平安運(yùn)行，構(gòu)造簡(jiǎn)單，便于施工和維護(hù)。2.阻性電流的提取測(cè)量氧化鋅避雷器的泄漏電流和阻性電流作為監(jiān)測(cè)氧化鋅避雷

4、器質(zhì)量狀況的一種重要手段。其典型的測(cè)量方法如圖2所示以一相為例。測(cè)量電壓信號(hào)和氧化鋅避雷器的全電流信號(hào)，并通過(guò)數(shù)學(xué)處理和計(jì)算，即可求出阻性電流和其它特征參數(shù)。氧化鋅避雷器的等效電路由非線性電阻R和電容C并聯(lián)組成。其中Ix為總泄漏電流，Ir為阻性電流，Ic為容性電流。由采樣得到的電壓和全電流信號(hào)，應(yīng)用傅立葉變換FFT轉(zhuǎn)換到頻域進(jìn)展分解，可分別得到氧化鋅避雷器的阻性電流Ir和容性電流Ic的各次諧波分量，經(jīng)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理后，再返回時(shí)域合成得到總泄漏電流Ix和容性電流Ic。圖2 測(cè)量原理示意圖然而，現(xiàn)場(chǎng)采集得到的全電流Ix受相間雜散電容的影響主要反映在全電流的容性分量中，其表達(dá)式為實(shí)際測(cè)量說(shuō)明，氧化鋅

5、避雷器的阻性電流可用指數(shù)波Ae-gt2其中A是指數(shù)波的幅值，g是與指數(shù)波的形狀有關(guān)的參數(shù)進(jìn)展曲線擬合?？紤]到阻性電流的正、負(fù)半波幅值可能不等，故采用分段指數(shù)波擬合MOA的阻性電流，其表達(dá)式為：利用處理過(guò)的時(shí)域信號(hào)Ix、消除相間雜散電容后的Ic和擬合曲線Ir，可采用最小二乘法優(yōu)化求取Ir的未知參數(shù)A和g。最小二乘法的優(yōu)化原理為：采用固定步長(zhǎng)屢次搜索優(yōu)化各個(gè)變量，直到誤差滿足工程計(jì)算的精度要求，從而根據(jù)最終的計(jì)算結(jié)果就可得到氧化鋅避雷器的阻性電流。3.測(cè)量終端測(cè)量終端由傳感器、信號(hào)調(diào)理及信號(hào)采集三部分組成，有定時(shí)啟動(dòng)和上位機(jī)查詢啟動(dòng)兩種方式，如圖3所示。圖3測(cè)量終端示意圖3.1 傳感器傳感器是在線

6、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它將直接影響系統(tǒng)的精度、平安和可靠性。氧化鋅避雷器泄漏電流傳感器和沖擊電流傳感器采用高導(dǎo)磁合金材料作為鐵芯，一次端為穿芯構(gòu)造，采用電磁感應(yīng)原理耦合獲得小電流信號(hào)，外加抗電場(chǎng)及磁場(chǎng)的鐵磁材料屏蔽制成。可安裝在氧化鋅避雷器接地端。傳感器的信號(hào)就地放大及補(bǔ)償，然后送入下一單元。本系統(tǒng)的傳感器均與電站的二次接線無(wú)直接的電氣聯(lián)絡(luò)。3.2 信號(hào)調(diào)理及采樣3.3 工作方式測(cè)量終端有定時(shí)采集和查詢采集二種工作方式。定時(shí)采集和查詢采集方式均可通過(guò)控制室網(wǎng)關(guān)相當(dāng)于一臺(tái)工控機(jī)設(shè)置。通?？稍O(shè)置成定時(shí)采集方式如每小時(shí)測(cè)試一次，采集到的數(shù)據(jù)可以繪制成趨勢(shì)圖，便于直觀顯示變化趨勢(shì)。假設(shè)對(duì)某一相避雷器的數(shù)

7、據(jù)有疑問(wèn)時(shí)，可隨時(shí)起用查詢方式，喚醒測(cè)量終端以獲得及時(shí)在線數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的分析判斷。定時(shí)采集的時(shí)間間隔可由工作站或遠(yuǎn)方計(jì)算機(jī)整定。測(cè)量終端配置有時(shí)鐘芯片，所有的避雷器測(cè)試數(shù)據(jù)都將有時(shí)間標(biāo)簽。平時(shí)，測(cè)量終端處于待機(jī)狀態(tài)，定時(shí)時(shí)間到后啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集，記錄40ms電流信號(hào)及PT電壓基準(zhǔn)信號(hào)，記錄完成后向網(wǎng)關(guān)發(fā)出申請(qǐng)，網(wǎng)關(guān)響應(yīng)后將數(shù)據(jù)傳給網(wǎng)關(guān)。3.4 電源模塊測(cè)量終端可選配高容量鋰電池或太陽(yáng)能電池。亦可采用直接取電的方法，即考慮到避雷器由氧化鋅電阻片串聯(lián)組成，正常運(yùn)行狀態(tài)下其泄漏電流在200A左右，假設(shè)在避雷器上串聯(lián)一檢測(cè)電阻片，可從電阻片兩側(cè)取電壓，經(jīng)整流穩(wěn)壓為檢測(cè)電路提供電源。3.5 處理器從低功耗的

8、角度考慮，處理器可選用LM3S1138芯片，該芯片采用Cortex-M3內(nèi)核設(shè)計(jì)，在兼顧性能和功耗方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)處于深度休眠狀態(tài)時(shí)，其功耗為0.8mW左右，并且可以通過(guò)外部中斷信號(hào)將其從休眠狀態(tài)中喚醒。3.6 平安及可靠性所有電子元器件和集成芯片均采用工業(yè)級(jí)-10C70C，傳感器信號(hào)線采用屏蔽線引入，測(cè)量終端外殼采用具有磁場(chǎng)屏蔽和電場(chǎng)屏蔽性能的合金外殼，并采取防雨水的密封措施。測(cè)量終端的信號(hào)輸入端并聯(lián)雙向二極管和壓敏電阻以保護(hù)測(cè)量回路。需經(jīng)地下敷設(shè)的信號(hào)線采用金屬水管保護(hù)以防止被蟲鼠啃咬。3.7 盤表電壓信號(hào)采集單元盤表電壓信號(hào)采集單元專門負(fù)責(zé)三相基準(zhǔn)電壓信號(hào)的隔離、放大、電壓/電流變換

9、等。整個(gè)系統(tǒng)只需要一個(gè)單元。安裝在控制室內(nèi)。其作用是為傅立葉變換提供相位基準(zhǔn)。設(shè)計(jì)、安裝時(shí)要充分考慮系統(tǒng)平安，設(shè)置隔離、短路保護(hù)回路，確保二次回路平安可靠。4.數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件運(yùn)行在網(wǎng)關(guān)上，負(fù)責(zé)控制測(cè)量終端并搜集數(shù)據(jù)進(jìn)展數(shù)據(jù)計(jì)算分析及管理，顯示數(shù)據(jù)波形，輸出診斷結(jié)果。系統(tǒng)軟件擬采用分層構(gòu)造設(shè)計(jì)，方便設(shè)計(jì)與維護(hù)。特征值數(shù)據(jù)計(jì)算模塊采用外掛的形式，由診斷算法管理模塊管理，系統(tǒng)可方便擴(kuò)展，如圖4所示。圖4 軟件體系框圖工作站將對(duì)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果對(duì)應(yīng)于時(shí)間標(biāo)簽建立數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)采集到的電流與基準(zhǔn)電壓信號(hào)進(jìn)展傅立葉變換，分解出1、3、5、7、9次諧波分量，繪出各參數(shù)的變化趨勢(shì)。分析數(shù)據(jù)時(shí)，首先判斷阻性電流是否

10、增大，然后判斷是基波增大說(shuō)明由受潮引起的故障還是諧波增大說(shuō)明由劣化引起的故障，進(jìn)而判斷避雷器的故障類型，從而采取不同的處理方法。相關(guān)判據(jù)包括：1氧化鋅避雷器測(cè)試結(jié)果的分析以歷史數(shù)據(jù)縱向變化趨勢(shì)為根據(jù)，不刻意追求測(cè)試值的絕對(duì)大小。3氧化鋅避雷器的阻性電流值占全電流的25%40%時(shí)，須增加檢測(cè)頻度，親密關(guān)注其變化趨勢(shì)，并做數(shù)據(jù)分析判斷。4氧化鋅避雷器的阻性電流值占全電流的40%以上時(shí)，那么考慮退出運(yùn)行，進(jìn)一步分析故障原因。5假設(shè)阻性電流占全電流的百分比明顯增長(zhǎng)，且其中基波的增長(zhǎng)幅度較大，而諧波的增長(zhǎng)不明顯，那么一般可確定為氧化鋅避雷器污穢嚴(yán)重或內(nèi)部受潮。6假設(shè)阻性電流占全電流的百分比明顯增長(zhǎng)，且其

11、中諧波的增長(zhǎng)幅度較大，而基波的增長(zhǎng)不明顯，那么一般可確定為氧化鋅避雷器老化。5.無(wú)線傳輸微功率近間隔 無(wú)線通信技術(shù)是超大規(guī)模集成電路技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)開展的產(chǎn)物。微功率近間隔 無(wú)線通信主要是依靠射頻收發(fā)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，單片射頻收發(fā)芯片加上少量的外圍器件就可以構(gòu)成一個(gè)近間隔 無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)?，F(xiàn)有的射頻收發(fā)芯片內(nèi)部已經(jīng)集成了簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，可以滿足一般無(wú)線通信系統(tǒng)的要求。此外該類芯片無(wú)需用戶對(duì)芯片底層有很深化的理解，只需要按照用戶開發(fā)手冊(cè)對(duì)芯片的相關(guān)存放器進(jìn)展讀寫就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。例如，可采用ChipCon公司設(shè)計(jì)的CC1100芯片，該芯片是一種單片的UHF收發(fā)器，專為低功耗無(wú)線應(yīng)用而設(shè)計(jì)

12、的。處于休眠狀態(tài)時(shí)整個(gè)芯片消耗的電流為900nA。CC1100芯片還具有電磁波喚醒功能，可以通過(guò)接收適當(dāng)?shù)碾姶挪ㄐ盘?hào)將自身從休眠狀態(tài)喚醒，同時(shí)還會(huì)在GD0引腳產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，利用該脈沖信號(hào)能將LM3S1138從休眠狀態(tài)喚醒。防沖突功能是基于分時(shí)發(fā)送來(lái)實(shí)現(xiàn)的，數(shù)據(jù)采集端的分時(shí)發(fā)送功能主要依靠自身的地址編號(hào)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)接收端采用一樣的無(wú)線傳輸模塊。6.影響因素6.1信號(hào)取樣氧化鋅避雷器的接地線一般不允許斷開，信號(hào)大多是在計(jì)數(shù)器的兩端取樣，當(dāng)計(jì)數(shù)器位置較高時(shí)，如圖5所示。電流傳感器的上端接線需要人工攀爬，危險(xiǎn)性很高，給測(cè)量帶來(lái)很大不便。6.2 同步測(cè)量誤差 電壓信號(hào)和電流信號(hào)沒有同

13、時(shí)測(cè)量，會(huì)給相位角差帶來(lái)很大誤差，氧化鋅避雷器的很多參量計(jì)算都是依靠相位角差，遠(yuǎn)間隔 、精準(zhǔn)同步測(cè)量是測(cè)試要求的重點(diǎn)。7.現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用7.1 變電站傳輸信號(hào)應(yīng)采用硬件處理方式，經(jīng)過(guò)時(shí)間可預(yù)測(cè)、穩(wěn)定不變的硬件通道，才能保證測(cè)量精度。圖5 計(jì)數(shù)器位置較高的MOA測(cè)量示意圖采用合理的技術(shù)方案，本系統(tǒng)具備三種可選擇的無(wú)線通訊方式400米、800米、3公里，分別對(duì)應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)為400米內(nèi)可進(jìn)展介損帶電測(cè)試、800米和3公里內(nèi)可進(jìn)展避雷器帶電測(cè)試，800米和3公里的差異在于選擇不同的發(fā)射單元和天線。一般的應(yīng)用場(chǎng)合是500kV變電站內(nèi)可以選擇800m工作方式，變電站周邊3km范圍內(nèi)的線路避雷器和電纜出線處的避雷

14、器進(jìn)展帶電測(cè)試。7.2 線路現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境非常復(fù)雜，PT端子和氧化鋅避雷器之間的狀況千變?nèi)f化，長(zhǎng)間隔 的現(xiàn)場(chǎng)布線受到的干擾非常嚴(yán)重，也具有危險(xiǎn)性。對(duì)于線路避雷器而言，采用有線測(cè)量的方式根本不可能，只能采用無(wú)線傳輸形式，而無(wú)線傳輸?shù)拈g隔 受環(huán)境的制約非常明顯，因此，穩(wěn)定可靠的長(zhǎng)間隔 無(wú)線測(cè)量方式，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)而言，具有重大意義。經(jīng)過(guò)多年的探究和反復(fù)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，解決了上述問(wèn)題。主要采用的方式有：1在一樣的發(fā)射功率下，間隔 與頻段成反比，系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初就考慮采用低頻的公用頻段。2發(fā)射功率增強(qiáng)，傳輸間隔 也會(huì)增加，從電路板的設(shè)計(jì)到天線的制作，嚴(yán)格按照阻抗匹配的原那么，將發(fā)射功率完全耦合到天線，有效增加傳輸能量

15、，進(jìn)步通信的間隔 。3采用先進(jìn)的無(wú)線測(cè)量?jī)x表，匹配器件參數(shù)，進(jìn)步接收機(jī)的靈敏度。一樣環(huán)境下，接收機(jī)靈敏度進(jìn)步，也會(huì)增加通信間隔 。無(wú)線帶電測(cè)試的原理如圖6所示。針對(duì)線路避雷器的詳細(xì)特點(diǎn)，有如下兩種接線方式可供參考選擇：電流傳感器直接安裝在計(jì)數(shù)器下端，二次側(cè)信號(hào)接入端盡量靠近儀器測(cè)量端，如圖7所示。電流傳感器為無(wú)源穿芯傳感器，傳感器二次側(cè)的信號(hào)通過(guò)屏蔽線引入到線路桿塔的中下部位的金屬盒子中，測(cè)試時(shí)直接將金屬盒子中二次側(cè)取樣信號(hào)送入儀器，減少攀爬接線的工作量。圖6 遠(yuǎn)間隔 無(wú)線通信測(cè)量方式圖7 電流傳感器安裝方式從計(jì)數(shù)器的上端直接引線下來(lái)，接入到桿塔中下部的金屬盒子中，如圖8所示.圖8 引線測(cè)量方

16、式測(cè)量時(shí)將儀器測(cè)量線接到絕緣引線，工作量很小，本錢也非常少，但要考慮絕緣性能，同時(shí)絕緣引線可能會(huì)有較強(qiáng)的感應(yīng)電壓，下端不能太低，以防人誤碰觸。第二種方案方便易用，通用性也很強(qiáng)。目前絕緣強(qiáng)度較高的線也容易買到，只要注意引線下端離地面高度就可以了。唯一需要驗(yàn)證的是這種方法是否符合目前系統(tǒng)的平安運(yùn)行規(guī)定。7.3 監(jiān)測(cè)目的7.3.1 串聯(lián)空氣間隙避雷器的監(jiān)測(cè)針對(duì)線路避雷器，設(shè)計(jì)了穿芯式的沖擊電流傳感器和在線監(jiān)測(cè)單元，可實(shí)時(shí)記錄線路避雷器動(dòng)作電流峰值和動(dòng)作次數(shù)，并通過(guò)GPRS將數(shù)據(jù)傳回后臺(tái)系統(tǒng)。7.3.2 動(dòng)作電流和泄漏電流的監(jiān)測(cè)在變電站周圍3km范圍內(nèi)，針對(duì)無(wú)間隙的避雷器可開展動(dòng)作電流和泄漏電流的在線

17、監(jiān)測(cè)。泄漏電流的監(jiān)測(cè)和帶電測(cè)試的原理根本一樣，只是傳感器和監(jiān)測(cè)單元安裝在現(xiàn)場(chǎng)。動(dòng)作電流的監(jiān)測(cè)和間隙避雷器的動(dòng)作電流監(jiān)測(cè)方式一致。8.結(jié)語(yǔ)無(wú)線分布式氧化鋅避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù)開展的必然產(chǎn)物。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，該系統(tǒng)具有實(shí)用、靈敏、可靠等特點(diǎn)，可擴(kuò)展性強(qiáng)，適于智能電網(wǎng)開展的需要。參考文獻(xiàn)2 Yuan Wu， Jianjun Qiang， Xinbo Huang. Design of a Remote-Monitoring System ofMOA Based on GPRS. The Ninth International Conference on ElectronicMeasurement Instruments. Beijing： North China Electric Power University，2022.6756792022.2022.5 謝碧海， 周井生. 一種在線測(cè)量M