无线分布式氧化锌避雷器在线监测系统的设计与应用

【摘 要】氧化锌避雷器数量多、分布广，正需要如无线分布式在线监测系统般的灵活系统以适应不同的测试场合和要求。该在线监测系统由传感器、信号同步采集调理单元、无线网络和服务器等组成，提供高效、可靠的氧化锌避雷器实际工况下的阻性电流等特征量测量以及判断分析，能满足状态检测和智能电网发展的需要。

【关键词】氧化锌避雷器；分布式；无线传输；在线监测；传感器

0.引言

氧化锌避雷器是电力设备的重要保护元件，其安全可靠运行才能保证电力系统的安全。在实际运行中，避雷器的老化/损坏有一个累积的过程。通过利用避雷器在线监测系统实时监测其阻性电流等特征值变化趋势的方式，可以全面反映其是否出现老化、受潮及内部放电等情况，并实时诊断避雷器的运行工况，以便及时采取相应措施。在线监测使对避雷器的检修维护更有针对性，达到提高氧化锌避雷器运行可靠性的目的。电力系统中的氧化锌避雷器数量多、分布广，为满足不同监测环境的需要，笔者设计出无线分布式氧化锌避雷器在线监测系统。

1.系统总观

无线分布式氧化锌避雷器在线监测系统，如图1所示，由安装在设备运行现场的分布式测量终端（电流单元）、PT信号采集单元（电压单元）、同步采集控制单元（本地单元）和变电站主控室的工作站及网关构成。

图1 无线分布式氧化锌避雷器在线监测系统示意图

所有测量终端的结构相同，对每组被监测氧化锌避雷器（A、B、C三相）配置一台测量终端，负责对信号的采集和提取，得到被监测的电气量，由无线通讯网络将各监测数据发送至主控室的网关。工作站负责对站内各测量终端的控制以及数据的保存和处理。网关负责收集测量终端的数据以及数据通信，也可以就地分析、显示。

本系统硬件采用浮点采集技术，快速采集动态范围大的电流信号，真实有效地反映氧化锌避雷器正常运行时的阻性基波电流及3、5、7、9次谐波电流。软件上采用数字信号处理技术及专家分析系统，可有效地滤除干扰，真实反映氧化锌避雷器的运行状态。

本系统与被监测氧化锌避雷器的一次回路无直接电气连接，不影响安全运行，结构简单，便于施工和维护。

2.阻性电流的提取

测量氧化锌避雷器的泄漏电流和阻性电流作为监测氧化锌避雷器质量状况的一种重要手段。其典型的测量方法如图2所示（以一相为例）。

测量电压信号和氧化锌避雷器的全电流信号，并通过数学处理和计算，即可求出阻性电流和其它特征参数。

氧化锌避雷器的等效电路由非线性电阻R和电容C并联组成。其中Ix为总泄漏电流，Ir为阻性电流，Ic为容性电流。

由采样得到的电压和全电流信号，应用傅立叶变换（FFT）转换到频域进行分解，可分别得到氧化锌避雷器的阻性电流Ir和容性电流Ic的各次谐波分量，经相应的数据处理后，再返回时域合成得到总泄漏电流Ix和容性电流Ic。

图2 测量原理示意图

然而，现场采集得到的全电流Ix受相间杂散电容的影响主要反映在全电流的容性分量中，其表达式为

实际测量表明，氧化锌避雷器的阻性电流可用指数波Ae-gt2（其中A是指数波的幅值，g是与指数波的形状有关的参数）进行曲线拟合。考虑到阻性电流的正、负半波幅值可能不等，故采用分段指数波拟合MOA的阻性电流，其表达式为：

利用处理过的时域信号Ix、消除相间杂散电容后的Ic和拟合曲线Ir，可采用最小二乘法优化求取Ir的未知参数A和g。最小二乘法的优化原理为：

采用固定步长多次搜索优化各个变量，直到误差ε满足工程计算的精度要求，从而根据最终的计算结果就可得到氧化锌避雷器的阻性电流。

3.测量终端

测量终端由传感器、信号调理及信号采集三部分组成，有定时启动和上位机查询启动两种方式，如图3所示。

图3测量终端示意图

3.1 传感器

传感器是在线监测系统的关键部件，它将直接影响系统的精度、安全和可靠性。

氧化锌避雷器泄漏电流传感器和冲击电流传感器采用高导磁合金材料作为铁芯，一次端为穿芯结构，采用电磁感应原理耦合取得小电流信号，外加抗电场及磁场的铁磁材料屏蔽制成。可安装在氧化锌避雷器接地端。传感器的信号就地放大及补偿，然后送入下一单元。

本系统的传感器均与电站的二次接线无直接的电气联系。

3.2 信号调理及采样

3.3 工作方式

测量终端有定时采集和查询采集二种工作方式。定时采集和查询采集方式均可通过控制室网关（相当于一台工控机）设置。通常可设置成定时采集方式（如每小时测试一次），采集到的数据可以绘制成趋势图，便于直观显示变化趋势。如果对某一相避雷器的数据有疑问时，可随时起用查询方式，唤醒测量终端以获得及时在线数据作进一步的分析判断。定时采集的时间间隔可由工作站或远方计算机整定。测量终端配置有时钟芯片，所有的避雷器测试数据都将有时间标签。平时，测量终端处于待机状态，定时时间到后启动数据采集，记录40ms电流信号及PT电压基准信号，记录完成后向网关发出申请，网关响应后将数据传给网关。

3.4 电源模块

测量终端可选配高容量锂电池或太阳能电池。亦可采用直接取电的方法，即考虑到避雷器由氧化锌电阻片串联组成，正常运行状态下其泄漏电流在200μA左右，如果在避雷器上串联一检测电阻片，可从电阻片两侧取电压，经整流稳压为检测电路提供电源。

3.5 处理器

从低功耗的角度考虑，处理器可选用LM3S1138芯片，该芯片采用Cortex-M3内核设计，在兼顾性能和功耗方面有独特的优势。当处于深度休眠状态时，其功耗为0.8mW左右，并且能够通过外部中断信号将其从休眠状态中唤醒。

3.6 安全及可靠性

所有电子元器件和集成芯片均采用工业级（-10°C～70°C），传感器信号线采用屏蔽线引入，测量终端外壳采用具有磁场屏蔽和电场屏蔽性能的合金外壳，并采取防雨水的密封措施。测量终端的信号输入端并联双向二极管和压敏电阻以保护测量回路。需经地下敷设的信号线采用金属水管保护以防止被虫鼠啃咬。

3.7 盘表电压信号采集单元

盘表电压信号采集单元专门负责三相基准电压信号的隔离、放大、电压/电流变换等。整个系统只需要一个单元。安装在控制室内。其作用是为傅立叶变换提供相位基准。设计、安装时要充分考虑系统安全，设置隔离、短路保护回路，确保二次回路安全可靠。

4.数据处理

系统软件运行在网关上，负责控制测量终端并收集数据进行数据计算分析及管理，显示数据波形，输出诊断结果。系统软件拟采用分层结构设计，方便设计与维护。特征值数据计算模块采用外挂的形式，由诊断算法管理模块管理，系统可方便扩展，如图4所示。

图4 软件体系框图

工作站将对数据处理的结果对应于时间标签建立数据库。对采集到的电流与基准电压信号进行傅立叶变换，分解出1、3、5、7、9次谐波分量，绘出各参数的变化趋势。分析数据时，首先判断阻性电流是否增大，然后判断是基波增大（说明由受潮引起的故障）还是谐波增大（说明由劣化引起的故障），进而判断避雷器的故障类型，从而采取不同的处理方法。

相关判据包括：

1）氧化锌避雷器测试结果的分析以历史数据纵向变化趋势为依据，不刻意追求测试值的绝对大小。

3）氧化锌避雷器的阻性电流值占全电流的25%～40%时，须增加检测频度，密切关注其变化趋势，并做数据分析判断。

4）氧化锌避雷器的阻性电流值占全电流的40%以上时，则考虑退出运行，进一步分析故障原因。

5）如果阻性电流占全电流的百分比明显增长，且其中基波的增长幅度较大，而谐波的增长不明显，则一般可确定为氧化锌避雷器污秽严重或内部受潮。

6）如果阻性电流占全电流的百分比明显增长，且其中谐波的增长幅度较大，而基波的增长不明显，则一般可确定为氧化锌避雷器老化。

5.无线传输

微功率近距离无线通信技术是超大规模集成电路技术和数字信号处理技术发展的产物。微功率近距离无线通信主要是依靠射频收发芯片来实现，单片射频收发芯片加上少量的外围器件就能够构成一个近距离无线收发系统。现有的射频收发芯片内部已经集成了简单的数据传输协议，能够满足一般无线通信系统的要求。此外该类芯片无需用户对芯片底层有很深入的了解，只需要按照用户开发手册对芯片的相关寄存器进行读写就可以实现无线数据传输。

例如，可采用ChipCon公司设计的CC1100芯片，该芯片是一种单片的UHF收发器，专为低功耗无线应用而设计的。处于休眠状态时整个芯片消耗的电流为900nA。CC1100芯片还具有电磁波唤醒功能，能够通过接收适当的电磁波信号将自身从休眠状态唤醒，同时还会在GD0引脚产生一个脉冲信号，利用该脉冲信号能将LM3S1138从休眠状态唤醒。

防冲突功能是基于分时发送来实现的，数据采集端的分时发送功能主要依靠自身的地址编号电路来实现。

数据采集端和数据接收端采用相同的无线传输模块。

6.影响因素

6.1信号取样

氧化锌避雷器的接地线一般不允许断开，信号大多是在计数器的两端取样，当计数器位置较高时，如图5所示。电流传感器的上端接线需要人工攀爬，危险性很高，给测量带来很大不便。

6.2 同步测量误差 电压信号和电流信号没有同时测量，会给相位角差带来很大误差，氧化锌避雷器的很多参量计算都是依靠相位角差，远距离、精准同步测量是测试要求的重点。

7.现场应用

7.1 变电站

传输信号应采用硬件处理方式，经过时间可预测、稳定不变的硬件通道，才能保证测量精度。

图5 计数器位置较高的MOA测量示意图

采用合理的技术方案，本系统具备三种可选择的无线通讯方式400米、800米、3公里，分别对应的技术指标为400米内可进行介损带电测试、800米和3公里内可进行避雷器带电测试，800米和3公里的差异在于选择不同的发射单元和天线。一般的应用场合是500kV变电站内可以选择800m工作方式，变电站周边3km范围内的线路避雷器和电缆出线处的避雷器进行带电测试。

7.2 线路

现场环境非常复杂，PT端子和氧化锌避雷器之间的状况千变万化，长距离的现场布线受到的干扰非常严重，也具有危险性。对于线路避雷器而言，采用有线测量的方式根本不可能，只能采用无线传输模式，而无线传输的距离受环境的制约非常明显，因此，稳定可靠的长距离无线测量方式，对于现场试验而言，具有重大意义。

经过多年的摸索和反复的现场试验，解决了上述问题。主要采用的方式有：

1）在相同的发射功率下，距离与频段成反比，系统设计之初就考虑采用低频的公用频段。

2）发射功率增强，传输距离也会增加，从电路板的设计到天线的制作，严格按照阻抗匹配的原则，将发射功率完全耦合到天线，有效增加传输能量，提高通信的距离。

3）采用先进的无线测量仪表，匹配器件参数，提高接收机的灵敏度。相同环境下，接收机灵敏度提高，也会增加通信距离。

无线带电测试的原理如图6所示。

针对线路避雷器的具体特点，有如下两种接线方式可供参考选择：

电流传感器直接安装在计数器下端，二次侧信号接入端尽量靠近仪器测量端，如图7所示。

电流传感器为无源穿芯传感器，传感器二次侧的信号通过屏蔽线引入到线路杆塔的中下部位的金属盒子中，测试时直接将金属盒子中二次侧取样信号送入仪器，减少攀爬接线的工作量。

图6 远距离无线通信测量方式

图7 电流传感器安装方式

从计数器的上端直接引线下来，接入到杆塔中下部的金属盒子中，如图8所示.

图8 引线测量方式

测量时将仪器测量线接到绝缘引线，工作量很小，成本也非常少，但要考虑绝缘性能，同时绝缘引线可能会有较强的感应电压，下端不能太低，以防人误碰触。

第二种方案方便易用，通用性也很强。目前绝缘强度较高的线也容易买到，只要注意引线下端离地面高度就可以了。唯一需要验证的是这种方法是否符合目前系统的安全运行规定。

7.3 监测目标

7.3.1 串联空气间隙避雷器的监测

针对线路避雷器，设计了穿芯式的冲击电流传感器和在线监测单元，可实时记录线路避雷器动作电流峰值和动作次数，并通过GPRS将数据传回后台系统。

7.3.2 动作电流和泄漏电流的监测

在变电站周围3km范围内，针对无间隙的避雷器可开展动作电流和泄漏电流的在线监测。泄漏电流的监测和带电测试的原理基本相同，只是传感器和监测单元安装在现场。动作电流的监测和间隙避雷器的动作电流监测方式一致。

8.结语

无线分布式氧化锌避雷器在线监测系统是电力设备在线监测技术发展的必然产物。经现场运行，该系统具有实用、灵活、可靠等特点，可扩展性强，适于智能电网发展的需要。

参考文献

[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，2009.675～679

[3] 刘岗. 基于DSP的无线多通道MOA在线监测装置研究：[硕士学位论文].西安：西安理工大学图书馆，2008.

[4] 李喜平. 基于GPRS的氧化锌避雷器远程监测系统：[硕士学位论文].哈尔滨：哈尔滨理工大学图书馆， 2009.

[5] 谢碧海， 周井生. 一种在线测量MOA阻性电流的新方法.高电压技术， 2005，31（8）： 77～78

[6] 王叶坤. 一种新型分布式氧化锌避雷器在线监测系统的研究：[硕士学位论文].广西：广西大学图书馆， 2008.

[9] Tong Zhao， Qingmin Li， Jiali Qian. Investigation on Digital Algorithm for On-LineMonitoring and Diagnostics of Metal Oxide Surge Arrester Based on an Accurate Model. IEEE Transactions on Power Delivery， 2005， 20（2）： 751～756