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

1、無線分布式氧化鋅避雷器在線監(jiān)測系統(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，正需要如無線分布式在線監(jiān)測系統(tǒng)般的靈敏系統(tǒng)以適應(yīng)不同的測試場合和要求。該在線監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器、信號同步采集調(diào)理單元、無線網(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量以及判斷分析，能滿足狀態(tài)檢測和智能電網(wǎng)開展的需要?！娟P(guān)鍵詞】氧化鋅避雷器；分布式；無線傳輸；在線監(jiān)測；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/損壞有一個累積的過程。通過利用避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測其阻性電流等特征值變化趨勢的方式，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)時診斷避雷器的運(yùn)行工況，以便及時采取相應(yīng)措施。在線監(jiān)測使對避雷器的檢修維護(hù)更有針對性，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)測環(huán)境的需要，筆者設(shè)計(jì)出無線分布式氧化鋅避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)。1.系統(tǒng)總觀無線分布式氧化鋅避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)，如圖1所示，由安裝在設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)場的分布式測量終端電流單元、PT信號采集單元電壓單元、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 無線分布式氧化鋅避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)示意圖所有測量終端的構(gòu)造一樣，對每組被監(jiān)測氧化鋅避雷器A、B、C三相配置一臺測量終端，

3、負(fù)責(zé)對信號的采集和提取，得到被監(jiān)測的電氣量，由無線通訊網(wǎng)絡(luò)將各監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送至主控室的網(wǎng)關(guān)。工作站負(fù)責(zé)對站內(nèi)各測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)，快速采集動態(tài)范圍大的電流信號，真實(shí)有效地反映氧化鋅避雷器正常運(yùn)行時的阻性基波電流及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)測氧化鋅避雷器的一次回路無直接電氣連接，不影響平安運(yùn)行，構(gòu)造簡單，便于施工和維護(hù)。2.阻性電流的提取測量氧化鋅避雷器的泄漏電流和阻性電流作為監(jiān)測氧化鋅避雷

4、器質(zhì)量狀況的一種重要手段。其典型的測量方法如圖2所示以一相為例。測量電壓信號和氧化鋅避雷器的全電流信號，并通過數(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，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，再返回時域合成得到總泄漏電流Ix和容性電流Ic。圖2 測量原理示意圖然而，現(xiàn)場采集得到的全電流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)際測量說明，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：利用處理過的時域信號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：采用固定步長屢次搜索優(yōu)化各個變量，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.測量終端測量終端由傳感器、信號調(diào)理及信號采集三部分組成，有定時啟動和上位機(jī)查詢啟動兩種方式，如圖3所示。圖3測量終端示意圖3.1 傳感器傳感器是在線

6、監(jiān)測系統(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，外加抗電場及磁場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直接的電氣聯(lián)絡(luò)。3.2 信號調(diào)理及采樣3.3 工作方式測量終端有定時采集和查詢采集二種工作方式。定時采集和查詢采集方式均可通過控制室網(wǎng)關(guān)相當(dāng)于一臺工控機(jī)設(shè)置。通?？稍O(shè)置成定時采集方式如每小時測試一次，采集到的數(shù)據(jù)可以繪制成趨勢圖，便于直觀顯示變化趨勢。假設(shè)對某一相避雷器的數(shù)

7、據(jù)有疑問時，可隨時起用查詢方式，喚醒測量終端以獲得及時在線數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的分析判斷。定時采集的時間間隔可由工作站或遠(yuǎn)方計(jì)算機(jī)整定。測量終端配置有時鐘芯片，所有的避雷器測試數(shù)據(jù)都將有時間標(biāo)簽。平時，測量終端處于待機(jī)狀態(tài)，定時時間到后啟動數(shù)據(jù)采集，記錄40ms電流信號及PT電壓基準(zhǔn)信號，記錄完成后向網(wǎng)關(guān)發(fā)出申請，網(wǎng)關(guān)響應(yīng)后將數(shù)據(jù)傳給網(wǎng)關(guān)。3.4 電源模塊測量終端可選配高容量鋰電池或太陽能電池。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)一檢測電阻片，可從電阻片兩側(cè)取電壓，經(jīng)整流穩(wěn)壓為檢測電路提供電源。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。當(dāng)處于深度休眠狀態(tài)時，其功耗為0.8mW左右，并且可以通過外部中斷信號將其從休眠狀態(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-10C70C，傳感器信號線采用屏蔽線引入，測量終端外殼采用具有磁場屏蔽和電場屏蔽性能的合金外殼，并采取防雨水的密封措施。測量終端的信號輸入端并聯(lián)雙向二極管和壓敏電阻以保護(hù)測量回路。需經(jīng)地下敷設(shè)的信號線采用金屬水管保護(hù)以防止被蟲鼠啃咬。3.7 盤表電壓信號采集單元盤表電壓信號采集單元專門負(fù)責(zé)三相基準(zhǔn)電壓信號的隔離、放大、電壓/電流變換

9、等。整個系統(tǒng)只需要一個單元。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數(shù)據(jù)處理的結(jié)果對應(yīng)于時間標(biāo)簽建立數(shù)據(jù)庫。對采集到的電流與基準(zhǔn)電壓信號進(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。分析數(shù)據(jù)時，首先判斷阻性電流是否

10、增大，然后判斷是基波增大說明由受潮引起的故障還是諧波增大說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氧化鋅避雷器測試結(jié)果的分析以歷史數(shù)據(jù)縱向變化趨勢為根據(jù)，不刻意追求測試值的絕對大小。3氧化鋅避雷器的阻性電流值占全電流的25%40%時，須增加檢測頻度，親密關(guān)注其變化趨勢，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，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，且其中基波的增長幅度較大，而諧波的增長不明顯，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，且其

11、中諧波的增長幅度較大，而基波的增長不明顯，那么一般可確定為氧化鋅避雷器老化。5.無線傳輸微功率近間隔 無線通信技術(shù)是超大規(guī)模集成電路技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)開展的產(chǎn)物。微功率近間隔 無線通信主要是依靠射頻收發(fā)芯片來實(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)成一個近間隔 無線收發(fā)系統(tǒng)?，F(xiàn)有的射頻收發(fā)芯片內(nèi)部已經(jīng)集成了簡單的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，可以滿足一般無線通信系統(tǒng)的要求。此外該類芯片無需用戶對芯片底層有很深化的理解，只需要按照用戶開發(fā)手冊對芯片的相關(guān)存放器進(jìn)展讀寫就可以實(shí)現(xiàn)無線數(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，專為低功耗無線應(yīng)用而設(shè)計(jì)

12、的。處于休眠狀態(tài)時整個芯片消耗的電流為900nA。CC1100芯片還具有電磁波喚醒功能，可以通過接收適當(dāng)?shù)碾姶挪ㄐ盘枌⒆陨韽男菝郀顟B(tài)喚醒，同時還會在GD0引腳產(chǎn)生一個脈沖信號，利用該脈沖信號能將LM3S1138從休眠狀態(tài)喚醒。防沖突功能是基于分時發(fā)送來實(shí)現(xiàn)的，數(shù)據(jù)采集端的分時發(fā)送功能主要依靠自身的地址編號電路來實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)接收端采用一樣的無線傳輸模塊。6.影響因素6.1信號取樣氧化鋅避雷器的接地線一般不允許斷開，信號大多是在計(jì)數(shù)器的兩端取樣，當(dāng)計(jì)數(shù)器位置較高時，如圖5所示。電流傳感器的上端接線需要人工攀爬，危險性很高，給測量帶來很大不便。6.2 同步測量誤差 電壓信號和電流信號沒有同

13、時測量，會給相位角差帶來很大誤差，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)同步測量是測試要求的重點(diǎn)。7.現(xiàn)場應(yīng)用7.1 變電站傳輸信號應(yīng)采用硬件處理方式，經(jīng)過時間可預(yù)測、穩(wěn)定不變的硬件通道，才能保證測量精度。圖5 計(jì)數(shù)器位置較高的MOA測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線通訊方式400米、800米、3公里，分別對應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)為400米內(nèi)可進(jìn)展介損帶電測試、800米和3公里內(nèi)可進(jìn)展避雷器帶電測試，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)展帶電測試。7.2 線路現(xiàn)場環(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，長間隔 的現(xiàn)場布線受到的干擾非常嚴(yán)重，也具有危險性。對于線路避雷器而言，采用有線測量的方式根本不可能，只能采用無線傳輸形式，而無線傳輸?shù)拈g隔 受環(huán)境的制約非常明顯，因此，穩(wěn)定可靠的長間隔 無線測量方式，對于現(xiàn)場試驗(yàn)而言，具有重大意義。經(jīng)過多年的探究和反復(fù)的現(xiàn)場試驗(yàn)，解決了上述問題。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)的無線測量儀表，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，也會增加通信間隔 。無線帶電測試的原理如圖6所示。針對線路避雷器的詳細(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)信號接入端盡量靠近儀器測量端，如圖7所示。電流傳感器為無源穿芯傳感器，傳感器二次側(cè)的信號通過屏蔽線引入到線路桿塔的中下部位的金屬盒子中，測試時直接將金屬盒子中二次側(cè)取樣信號送入儀器，減少攀爬接線的工作量。圖6 遠(yuǎn)間隔 無線通信測量方式圖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，接入到桿塔中下部的金屬盒子中，如圖8所示.圖8 引線測量方

16、式測量時將儀器測量線接到絕緣引線，工作量很小，本錢也非常少，但要考慮絕緣性能，同時絕緣引線可能會有較強(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)測目的7.3.1 串聯(lián)空氣間隙避雷器的監(jiān)測針對線路避雷器，設(shè)計(jì)了穿芯式的沖擊電流傳感器和在線監(jiān)測單元，可實(shí)時記錄線路避雷器動作電流峰值和動作次數(shù)，并通過GPRS將數(shù)據(jù)傳回后臺系統(tǒng)。7.3.2 動作電流和泄漏電流的監(jiān)測在變電站周圍3km范圍內(nèi)，針對無間隙的避雷器可開展動作電流和泄漏電流的在線

17、監(jiān)測。泄漏電流的監(jiān)測和帶電測試的原理根本一樣，只是傳感器和監(jiān)測單元安裝在現(xiàn)場。動作電流的監(jiān)測和間隙避雷器的動作電流監(jiān)測方式一致。8.結(jié)語無線分布式氧化鋅避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)是電力設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)開展的必然產(chǎn)物。經(jīng)現(xiàn)場運(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. 一種在線測量M