氧化鋅避雷器無線在線監測系統的研究

程月平，肖 黎

（1.武漢職業技術學院 機電工程學院，武漢 430074；2.武漢南瑞有限責任公司，武漢 430074 ）

0 引言

隨著自動化技術的發展及自動化水平的提高，電力系統高壓設備的檢修手段也在逐步改進，狀態監測、狀態評估及狀態檢修是未來電力系統的必然方向。氧化鋅避雷器(MOA)作為電力系統重要的過電壓保護設備，其本身運行狀況的好壞將直接影響到電力系統的安全，因此對氧化鋅避雷器進行在線監測就顯得尤為重要。通過研究與實踐發現，MOA很容易發生以下兩種異常[1]：

1）在運行電壓下長期工作發生MOA閥片老化現象，引起閥片擊穿，最終導致線路短路；

2）當溫度降低后引起MOA內部受潮，導致閃絡現象。

為了確保MOA正常工作、防止故障的發生，傳統的做法具有非常大的局限性。因此將采取無線在線監測方式對MOA進行狀態跟蹤，可以大大提高監測系統的靈活性、實時性、準確性，減少有線數據傳輸的誤差及成本。

1 MOA在線監測原理及方法

如今對MOA監測的方法以其總泄漏電流為基礎，將總泄漏電流中的阻性分量以及電壓、電流的介質損耗作為反映MOA運行狀況的指標[2]。泄漏電流由閥片柱泄漏電流、瓷（合成）套泄漏電流及絕緣桿泄漏電流三個部分組成。通常來講，流過閥片柱的泄漏電流又不會發生突變，所有的突變都來自于瓷（合成）套泄漏電流及絕緣桿因為受潮或污穢引起的泄漏電流突變。由于瓷（合成）套泄漏電流及絕緣桿泄漏電流在總泄漏電流中所占比例非常微小，因此MOA阻性電流分量都能看作是流過MOA閥片柱的阻性電流。在實際的監測中也是根據MOA的這個特性，通過在線監測MOA總泄漏電流中阻性電流的分量，并將監測值與以往的歷史數據進行比較分析，以此來判斷MOA的在工作電壓下的狀況。MOA閥片的等效模型由非線性電阻及線性電容并聯組成。

2 MOA無線在線監測系統結構

MOA無線在線監測系統的關鍵點在于真實有效的現場數據采集及無線傳輸。現場采集端必須能夠全天候的正常工作，同時穩定的數據傳輸方案將給監測系統提供強大的技術支持，因此硬件電路必須具有很高的監測靈敏度及良好的抗干擾能力。本系統采用數字波形分析法對MOA進行狀態監測，需采集MOA總泄漏電流及雷擊次數。

MOA無線在線監測系統由監測模塊、中央結點及后臺3個部分，結構如圖1所示采用星狀拓撲結構。其中1，2，3，…，N，N+1為監測模塊，負責采集MOA避雷器監測數據，同時將采集到的數據傳輸至中央結點，中央結點通過USB與后臺處理系統進行通信。該結構可減小各個監測模塊的通信負擔，擴展性極強，只需利用中央結點即可對整個網絡進行重新配置，可以方便地增加或減少監測模塊，單個模塊的故障不會對全網產生影響。

圖1 MOA無線在線監測系統結構框圖

監測模塊部署在每個MOA旁，被測的電流及電壓信號分別通過電流互感器（CT）和電壓互感器（PT）分別從MOA的底部和母線上獲取。

3 監測模塊硬件設計

監視模塊的硬件系統包括數據采集、數據處理和無線接口電路三大部分，所設計的硬件電路必須能實現在高準確度和高精度下的信號獲取、轉換、放大、濾波等功能。因此系統的監測模塊選取STM32系列的STM32F103VB作為微控制器，STM32有三種低功耗模式，可在要求低功耗、多種喚醒事件及短啟動時間之間達到最佳平衡[3]。

3.1 總泄漏電流的采集

在MOA無線在線監測系統進行現場采集的時候，要求能無失真地將泄漏電流信號及參考電壓相位信號引入監測模塊，而且要求監測模塊能與被測系統之間實現有效的電氣隔離，保證系統不受影響。系統將采用電流互感器(CT)對總泄漏電流進行采集。

為了使MOA計數器正常工作，避免有大電流通過CT，通常將感抗串入CT的一次回路中，這是利用電感來阻止瞬時大電流的通過。因此，必須謹慎選取電感的大小。通常可以根據雷擊計數器的阻值來確定電感值。一般的雷擊計數器，等效阻抗低于100歐，相對應的合適電感控制在0.2H即可。圖2給出了串入電感對電路的保護原理。

圖2 串入感抗的保護原理圖

3.2 電壓相位信號的采集

電壓互感器作為聯絡電力系統一次側與二次側的重要元件，其將一次側的高電壓轉換為二次側的低電壓，并將監測系統與高壓部分實現電氣隔離。在電壓互感器的副邊端，由于是直接與大地相接，因此具有極強的安全保證。由于通過數字波形分析法計算MOA的特征參數需要有MOA的運行電壓波形，因此選擇電壓互感器作為母線電壓獲取的元件[4]。通常從變電站內取出的PT的電壓幅值是60V，但用在信號處理中仍舊不合適。使用電流型電壓互感器TV，將60V的PT電壓再降低到0～3.3V的電壓范圍內，這樣就可以直接送至STM32進行處理。

3.3 無線射頻電路設計

系統采用Si4432作為無線收發芯片，Si4432通過4線制的SPI接口與STM32F103VB進行連接。主控制器通過片上SPI完成對Si4432的初始化、FIFO訪問及讀寫數據等操作，可以靈活配置各種參數。工作時STM32F103VB工作在主模式下，Si4432工作在從模式下。在實際的連接中，STM32F103VB的PA4（NSS）端口與Si4432的nSEL引腳連接，nSEL是片選信號，由STM32控制，只有當該信號為低電平時，對Si4432的控制才有效；STM32F103VB的PA7（MOSI）腳與SDI引腳連接，用于從MCU到Si4432的串行數據傳輸；STM32F103VB的PA6（MISO）與SDO引腳相連，用于從Si4432到MCU的串行數據傳輸；用于同步STM32F103VB與Si4432之間在MISO及MOSI線上的串行數據傳輸，時鐘信號由STM32的PA5（SCK）發出。硬件連接設計如圖3所示。

圖3 射頻芯片接線圖

4 監測模塊軟件設計

4.1 主程序設計

主程序首先對系統進行初始化，其中包括系統時鐘初始化、I/O口初始化、嵌套向量中斷控制器初始化、外部中斷初始化、SPI初始化和Si4432無線收發模塊初始化。初始化完成后，Si4432模塊隨即進入低功耗休眠模式，該模式每隔1s醒來偵聽是否有有效電波。STM32F103VB開放電磁波喚醒中斷及雷擊計數中斷，然后立即進入停止模式，以期將電流消耗降到最小。停機模式可以使STM32在保持SRAM和寄存器內容不丟失的狀況下，達到最低的電能消耗，在這種模式下，可以通過任何一個配置成EXTI的信號把芯片從該模式下喚醒[5]。

4.2 中斷程序設計

MOA無線在線監測系統的中斷程序分為電磁波喚醒中斷和雷擊計數中斷兩個，雷擊計數中斷的優先級高于電磁波喚醒中斷，這兩個中斷都可以將STM32F103VB從停機模式喚醒。

Si4432每隔1s將對電磁波進行偵聽，當偵聽到有效波時將觸發nIRQ中斷，從而喚醒STM32F103VB，監測模塊將開啟20s定時器進行工作，然后STM32F103VB將配置Si4432進入接收狀態。否則進入休眠狀態，等待下次被喚醒；當20s內接收到中心節點的命令時，監測模塊將在執行完相應命令程序后返回主程序，對Si4432無線模塊進行重新配置，最后進入休眠狀態，等待下次被喚醒。

當有雷擊過電壓或者操作過電壓發生時，光電耦合器將導通，從而觸發雷擊中斷。中斷發生后，STM32F103VB將被喚醒進入中斷程序，中斷程序將在原先次數上加一后返回，然后STM32F103VB進入休眠模式。雷擊次數將不會立即發送給中心節點，只有當后臺需要知道雷擊次數或者泄漏電流時才將數據發送給中心節點，由中心節點通過USB傳送給后臺。

5 結束語

本文設計的避雷器無線在線監測系統可同時對多個避雷器進行實時監控。采用短距離無線通信技術和大容量電池供電，使系統結構簡單、抗干擾能力強，監測系統與避雷器以及變電站電源沒有任何電的聯系，提高了變電站運行的安全性。同時通過低功耗設計使系統工作年限大大延長。

[1] 羅光偉,向守明,陳曉東.高壓電氣設備絕緣在線監測系統的研究[J].黑龍江電力,2006,26(4):27-31.

[2] 鄭健.氧化鋅避雷器泄漏電流在線監測技術綜述[J].繼電器,2000,28(9):7-9.

[3] 秦娜.氧化鋅避雷器在線監測數據處理方法的研究[D]. 成都:西南交通大學,2003.

[4] M.R.Raghuveer.Inf l unce of Representation Model and Voltage Harmonicson Metal Oxide Surge Arrester Diagnostics[J].IEEE Trans.on Power Dlivery.2001,16(4):599-603.

[5] Jurdak R,Ruzzelli A G,O'Hare G M P.Radio sleep mode optimization in wireless sensor networks[J].IEEE Transactions on Mobile Computing,2010,9(7):955-968.