基于GPS同步的金屬氧化鋅避雷器阻性電流和功率損耗檢測系統

高亦樂 陳善平

（1.江蘇省常州技師學院，江蘇 常州 213017；2.常州帕斯菲克自動化技術有限公司，江蘇 常州 213022）

1 引言

近年來，金屬氧化物避雷器（metaloxidearrester，MOA）以其優異的技術性能逐漸取代了其他類型的避雷器，成為電力系統的換代保護設備。采用MOA后，往往可使相對地的操作過電壓降到1.6～1.8倍相電壓，各相間的過電壓降到1.7～1.8倍線電壓，也可使大氣過電壓降到1.7～2.2倍相電壓。保護性能的改善，可顯著降低被保護設備的絕緣水平，因而也降低成本，大大提高運行的可靠性。而無串聯間隙的 MOA如果有故障，問題會比有串聯間隙的閥式避雷器更為嚴重。因此，MOA的預防性試驗就倍受重視。一般認為大小僅占總泄漏電流10%～20%的阻性電流的增加是引起 MOA劣化的主要因素，所以從總泄漏電流中準確提取其阻性電流是判斷MOA運行狀況的重要方法[1]。

2 已有在線測量MOA泄漏電流方法

目前對氧化鋅避雷器在線監測的主要方法有全電流法、瞬時法、泄漏電流的諧波分析法、諧波補償法和測溫法等[2]。

2.1 全電流法

全電流的測量通常利用串聯在 MOA接地線上安裝的毫安表實現，它給出了整流后的泄漏電流的平均值或者峰值。常規MOA等效電路，如圖1所示。全電流由等效電容電流IC，電阻電流Ir矢量合成后得到，如圖2所示。設容性電流IC=1mA峰值，Ir=50-500μA變化由圖 3可見，阻性電流增加到250uA時，總泄漏電流增到3%，而在500μA處，僅增加10%，這意味著此種方法不能靈敏反映MOA阻性電流的變化。

圖1 金屬氧化鋅避雷器等效圖

圖2 電流矢量

圖3 基頻分量的增加與阻性電流的關系（α是溫度和電壓的函數）

2.2 直接測量阻性泄漏電流法或者叫瞬時法

原理是將MOA看作為R和C并聯，外施正弦交流電壓，當電壓信號過零時，Ir=0，電流信號為電容電流Ic；當電壓信號達到波峰時，Ic=0，電流信號為阻性電流，但是此方法通常很難應用到實際中，只適用于離線檢測等。

2.3 泄漏電流的諧波分析法

由于MOA的非線性，導致其全電流中含有3、5、7和更高次的諧波分量，其幅值逐漸減小。故采用測量三次諧波來代表阻性電流的大小，但其缺點是高壓線路側含有諧波，會給3次諧波測量結果產生較大的誤差。

2.4 泄漏電流的諧波補償法

針對泄漏電流的3次諧波法，也有文章提出采用測量母線電壓（接線到PT二次端），通過測量高壓母線側的3次諧波和MOA端泄漏的3次諧波電流之差得到MOA的3次諧波電流方法。但是此方法常要安裝一個場探頭來測量現場電壓的諧波，探頭容易受到相鄰線路測的干擾使得補償工作較為繁瑣，同時降低了測量的準確性。

除以上介紹方法此外還有直接采用紅外槍直接測量 MOA表面溫度的測溫法等，但都是非主流測測量方法。

3 避雷器阻性電流測量及MOA功率損耗的新方法

本文提出一種基于 GPS（Global Positioning System全球定位系統）授時同步的MOA阻性電流和功率損耗測量方法。系統設計時候考慮到嵌入式系統的設計限制，不采用FFT（傅里葉變換）算法，設計采用同步ADC（模擬/數字轉換器）的MOA端電壓和泄漏電流采樣值，直接計算出 MOA阻性電流的大小，并換算出MOA的功率損耗。

系統采用分布式設計，由CVT（電容式電壓互感器）電壓監測設備、MOA泄漏電流在線監測設備、就地顯示的MOA在線阻性電流顯示儀表組成。

（1）CVT（電容式電壓互感器）電壓監測設備

CVT電壓監測設備安裝在高壓母線側，用于監測母線側的電壓，設備內部的GPS接收器用于接收GPS發出的時間信息，通過GPS的UTC時間可以得到非常精確時間。GPS一般輸出的是NMEA0183碼，對GPGGA和GPRMC都有明確的定義，比如：$GPGGA，100639.00，3109.79801，N，12123.38493，E，1，07，1.20，21.9，M，8.0，M，，*5D100639.00表示UTC時間的10點06分39秒，如果算成北京時間，加8個小時，就是18點06分39秒。

CVT電壓監測設備同時安裝有短距離射頻模塊，其作用是負責與各個設備之間的信息溝通；CVT電壓監測設備內部的 MCU（微處理器）負責讀取GPS授時信號，在系統設置的同步時刻采集 CVT的電壓信號，然后通過RF（射頻）模塊發送至就地顯示的MOA在線阻性電流顯示儀表。CVT電壓監測設備框圖如圖4所示。

圖4 CVT電壓監測設備

（2）MOA泄漏電流在線監測設備

MOA泄漏電流在線監測設備安裝在MOA接地側，用于監測三相 MOA的接地泄漏電流，內部通過取樣電路獲取MOA的全電流信號，MCU負責讀取GPS授時信號，在系統設置的同步時刻采集MOA的全電流信號，通過RF（射頻）模塊發送至就地顯示的MOA在線阻性電流顯示儀表。MOA泄漏電流在線監測設備框圖如圖5所示。

圖5 MOA泄漏電流在線監測設備

（3）MOA在線阻性電流顯示儀表

MOA在線阻性電流顯示儀表安裝于控制室內，由射頻模塊和人機交互的液晶顯示器等構成，MCU負責顯示和接收來自CVT電壓監測設備、MOA泄漏電流在線監測設備送來的基于GPS時鐘同步的電壓信號和電流信號，采用 TRMS（真有效值）算法計算出實時的 MOA的阻性電流和 MOA的功率損耗功率。MOA在線阻性電流顯示儀表框圖如圖 6所示。

圖6 MOA在線阻性電流顯示儀表

4 系統工作原理及計算方法

4.1 系統工作原理

由于采用GPS授時使分布式MOA測量系統的時間可以非常精確，可以精確到μS級，CVT電壓監測設備和 MOA泄漏電流在線監測設備按照預設的同步時間點開始采樣，MOA電壓信號和泄漏電流信號的波形如圖7所示[3]。CVT電壓監測設備負責采樣同步時間后的 64個周波，每個周波內的 128個點電壓數據；MOA泄漏電流在線監測設備負責采樣同步時間點后的 64個周波，每個周波內的 128個點全電流數據；以上兩設備采集好數據后采用LSDRF4310N01射頻無線數傳模塊，將數據傳輸給就地顯示的 MOA在線阻性電流顯示儀表。由于采用同頻數據傳輸，所以射頻無線數傳模塊采用時分復用方式，CVT電壓監測設備發射數據在前，MOA泄漏電流在線監測設備在后，保證射頻無線數據相互不沖突。

4.2 系統計算方法

（1）MOA電壓端Vrms計算

圖7 MOA電壓信號和泄漏電流信號的波形

就地顯示的 MOA在線阻性電流顯示儀表在收到 MOA的電壓信號和泄漏的全電流信號后，根據TRMS算法，MOA電壓端的電壓計算公式是

其中 n=128；V0～V（n-1）是每個周波中各個電壓采樣點的值

（2）MOA全電流Irms計算

MOA泄漏電流的計算公式是

其中，n=128；I0～I（n-1）是每個周波中各個電流采樣點的值

（3）TRMS算法C51的實現代碼

上述設備采用與8051兼容的C8051F930，MCU上采用C51實現上述公式的代碼如下：

（4）MOA消耗有功功率計算

通過上述計算得到MOA的Vrms和全電流Irms值；再根據有功功率公式計算MOA的有功消耗功率：

式中，n=128；V0～V（n-1）是每個周波中各個電壓采樣點的值，I0～I（n-1）是每個周波中各個電流采樣點的值；這樣MOA的功率損耗就已經計算出來。

（5）MOA阻性電流導出

根據上述計算出MOA消耗有功功率的P我們可以求解出 MOA的有功阻性電流，根據公式Ir=P/Vrms即可以求解出阻性電流Ir。

5 結論

金屬氧化鋅避雷器阻性電流和功率損耗檢測系統可以在無需停電的情況下，對運行中的避雷器狀態進行可靠監測。本文對常用的氧化鋅避雷器的在線監測方法進行了歸納總結，對電流、電壓信號的測量阻性電流和有功功率消耗進行了計算公式推導，新方法的主要優點不需要FFT變換，而是采用TRMS計算方法，大大減少了 MCU的運算量，使用常規的8051系列MCU就可以實現準確的計算出金屬氧化鋅避雷器的阻性電流和功率損耗，這對開展避雷器帶電測試和在線監測具有參考價值。

[1]林耀洲,顏湘蓮.MOA 阻性電流提取算法探討[J].中國電機工程學會高壓專業委員會高電壓新技術學組2006年學術年會.

[2]萬四維,陳世元.氧化鋅避雷器阻性電流的在線監測[J]. 廣東電力, 2005(12).

[3]謝碧海,周井生. 基于諧波分析氧化鋅避雷器阻性泄漏電流帶電測量的一種新方法[J]. 廣東輸電與變電技術, 2005(6).

[4]嚴璋.電氣絕緣在線檢測技術[M].北京:中國電力出版社,2002.