基于LabVIEW的氧化鋅避雷器監測系統的研究

向思怡，陳渝光，劉述喜

(重慶理工大學 電子信息與自動化學院, 重慶　400054)

?

基于LabVIEW的氧化鋅避雷器監測系統的研究

向思怡，陳渝光，劉述喜

(重慶理工大學 電子信息與自動化學院, 重慶400054)

摘要：氧化鋅避雷器的金屬氧化物電阻片長期工作在工頻電壓下會引起設備故障，為避免這種故障，對氧化鋅避雷器泄露電流監測原理進行研究。為了減小電力系統諧波引起的誤差，結合虛擬儀器及圖形化編譯語言LabVIEW軟件，設計了一套針對氧化鋅避雷器泄露電流的在線監測系統。該系統可以提高氧化鋅避雷器泄露電流的測量精度，并使電力系統安全、穩定地運行。該系統監測原理與理論分析相符，誤差控制在允許范圍以內，可靠性及可擴展能力強，為今后的優化設計提供了較好的基礎。

關鍵詞：金屬氧化物電阻片；阻性電流；諧波；虛擬儀器；LabVIEW

氧化鋅避雷器(簡稱MOA)具有優越的非線性保護特性,已成為當今電力系統中必不可少的器件。在電力系統中，若工作電壓處在正常情況下，氧化鋅避雷器電阻片的電阻值很高，類似于一個絕緣體；但在過電壓作用下，電阻片的電阻值變得很小，并且容易被擊穿，可以將大電流釋放，然后回到高阻狀態，由此起到保護作用。

由于電阻片長期在工頻電壓作用下而產生劣化，引起電阻片阻值的變化，導致電阻片的泄露電流增加，嚴重時還可能引起避雷器的爆炸。因此，在電力系統中，對MOA的泄露電流進行監測，根據監測結果對MOA的運行狀況進行判斷，可對電力系統安全運行提供有力保障[1]。

1　監測原理

現階段監測氧化鋅避雷器的方法有基波法、直接測量法、補償法、三次諧波法等。

傳統的硬件測量法無法排除氧化鋅避雷器一字型排列的相間干擾，其原理是由于變電站中的避雷器一般呈一字形排列,而其他兩相的電壓具有雜散電容，會對本相接地線中的電流產生影響。例如中間相B相與旁邊A、C兩相的距離相同，受A、C兩相的影響程度相同，B相的阻性電流分量和容性電流分量的相位關系基本不會產生影響。但是旁邊的A相和C相只與B相距離相近,B相對其影響較大，其阻性電流分量和容性電流分量的相位關系會產生偏移，在高電壓等級的電力系統中，這種偏移可達3°～5°[3]。

采用基波法、三次諧波法對接地線中的電流進行分析時，其前提是假設系統電壓相對穩定。在電力系統運行時，往往會含有大量的諧波分量，它是阻性電流產生變化的主要因素。由于電阻的非線性特征，會使阻性電流的各次諧波的幅值相位與系統電壓的各次諧波之間不是簡單的疊加關系[4]。系統中諧波分量含量的不確定性，以及上述的非線性特征，會引起阻性電流各項參數的變化。因此，雖然有許多的監測方法，但要測出準確的數據并不容易。如果電力系統中諧波含量比較大，監測出的阻性電流的數據會有很大變化，從而掩蓋了對避雷器的優劣判斷，不利于及時發現避雷器的劣化情況[6]。

其次是補償法，這也是國內學者研究得比較多的方法。它的原理是假定氧化鋅避雷器的泄露電流由阻性分量和容性分量組成，通過移相器將監測出的末端的電壓移相90°，并乘以增益系數，將泄露電流中的容性分量全部補償掉，然后計算出阻性電流。為了使測量結果盡量精確，國內學者對補償法消除誤差的研究較為深入。對傳統的補償法進行改進，提出多元補償法，它能補償掉全部的阻性分量，并運用小波去噪方法對阻性分量進行計算[8]。

由氧化鋅避雷器的結構可以看出：它在正常工作時由電阻片串聯而成，相當于絕緣體。電阻片長期承受工頻電壓會產生劣化，泄露電流急劇增加，其中阻性電流增加明顯，引起發熱等故障，嚴重時還會引起爆炸。但在總泄露電流中，阻性電流所占比例較小，不易觀察，所以如何從比例大的容性電流為主的泄露電流中觀察并分析到阻性電流的變化是監測泄露電流的關鍵[10]。

氧化鋅避雷器可等效為電阻與電容串聯的模型，如圖1所示。

圖1　氧化鋅(MOA)避雷器的等效電路

設電網電壓為u(t)，泄露全電流為ix，其中容性電流為ic，阻性電流為ir，考慮到電網中的諧波分量，則：

(1)

(2)

(3)

(4)

用FFT算法分別算出電壓u(t)的各諧波幅值U1，U2，U3…，基波相位φu1，φu2，φu3…，全電流ix的基波幅值Ix1，Ix2，Ix3…，基波相位φi1，φi2，φi3…。k次諧波相量圖如圖2所示。

圖2　k次諧波相量圖

圖2中：Ixk為k次諧波的全電流；Uk為k次諧波分量；φxk為k次諧波全電流的初相角；φuk為k次諧波電壓的初相角。

(5)

(6)

最后將上式代入式(4)，便可求得全電流的阻性分量[11]：

(7)

2　系統構成

基于虛擬儀器技術的氧化鋅避雷器監測系統由硬件測量和軟件處理2部分構成。硬件電路由傳感器和變換器、信號調理設備、數據采集卡、計算機構成。通過傳感器把非電的物理量轉變成模擬電量(如電壓、電流等)。信號調理設備包括前置放大器、濾波器等，前置放大器用來放大和緩沖輸入信號。由于輸出傳感器的信號通常較小，因此需要加以放大才能滿足大多數A/D轉換器的量程輸入要求。此外，由于某些傳感器的輸出功率小且內阻較大，也需要用放大器起到阻抗變換器的作用來緩沖輸入信號。傳感器以及后續處理電路中的器件常會產生噪聲，工頻信號也會成為一種人為的干擾源。為了提高模擬輸入信號的信噪比，濾波器用于對噪聲信號進行一定的衰減[13]。從傳感器獲取的有用信息傳到數據采集卡，然后轉換成計算機能識別的數字信號，計算機再對數字信號進行相應處理，得出所需數據。監測系統硬件的構成如圖3所示。

圖3　監測系統的硬件構成

精度和速度是決定數據采集系統性能好壞的主要因素。為滿足實時采集、實時處理和實時控制的要求，可以在保證精度的條件下，采樣速度盡可能高。數據采集卡選用PCI-6251，在安裝相應的DAQ驅動之后，在LabVIEW中程序框圖的函數選板的測量I/O-DAQmx中有豐富的硬件驅動程序用于數據測量。使用其中的DAQmx創建通道、DAQmx定時(采樣時鐘)、DAQmx開始任務、DAQmx讀取、DAQmx清除任務等函數即可以構建測量模塊，實現對電壓量的讀取。

3　系統軟件設計

數據采集系統的軟件由模擬信號采集與處理程序、數字信號采集與處理程序、開關信號處理程序、運行參數設置程序、系統管理程序、通信程序等組成。對模擬輸入信號進行采集、標度變換、濾波處理及二次數據計算是模擬信號采集與處理程序的主要功能，然后將數據存入磁盤。將各個功能模塊程序組織成一個程序系統、管理和調用各個功能模塊程序是運行參數設置程序的主要功能。為完成上位機與各個數據采集站之間的數據傳送工作，需要設計通信程序。上位機向數據采集站發送命令，并且接受和判斷數據采集站送回的數據、信號。

本系統計算機用NI公司的圖形化編譯語言LabVIEW作為軟件開發平臺。LabVIEW程序可以非常容易地與各種數據采集硬件、以太網系統無縫連接,并與各種主流的現場總線通信以及與大多數通用數據庫鏈接。

本系統利用LabVIEW自帶的NI-DAQmx驅動程序。LabVIEW是由美國國家儀器公司(簡稱NI公司)開發的一種圖形化編譯語言，簡稱G語言，它是目前應用最廣、發展最快、功能最強的圖形化軟件開發集成環境。LabVIEW軟件采用數據流的方式編程，整個程序由前面板和程序框圖組成。系統充分應用了LabVIEW的函數庫，包括數據采集、GPIB、串口控制、數據分析、數據顯示及數據存儲等。

在基本的數據采集驅動中，NI-DAQmx驅動軟件具有較強的功能，尤其是在數據采集以及控制應用等方面顯現出非常高的效率和性能。DAQ系統的每一方面都由NI-DAQmx控制，貫穿于從系統配置、設備控制、LabVIEW編程到底層操作系統。子程序部分主要涉及數據采集子VI和數據處理子VI的設計。

圖4　系統流程框圖

本系統流程框圖如圖4所示。本系統對數據采集子VI和數據處理子VI進行設計。本系統初始化后，首先啟動數據采集子VI，使用前述數據采集卡、信號調理設備等進行采集，完成電壓、電流信號的采集。同時啟動數據處理子VI，按照前述監測原理進行數據處理及分析，并把分析結果傳給專家系統進行顯示、存儲及打印等相關工作。

3.1數據采集子VI

選取測量I/O模塊中的DataAcquisition中的AnalogInput中的AIAcquireWaveform.vi子模塊，連接4個輸入控件，分別是數據采集卡的器件編號、通道編號、采樣點數量及采樣速率，輸出與后續數據分析模塊相連。該子VI對設備編號所對應的數據采集硬件的一個通道進行數據采集，并由用戶決定采樣速率和采集的數據點數。

3.2數據處理子VI

由本文的分析可知：在避雷器泄露電流的數據處理的核心算法中將用到信號處理中的FFT子模塊，對輸入信號進行傅里葉變換。傅里葉變換是信號處理中常用的頻率分析工具，它可以完成從時域信號到頻域信號的變換，方便使用者更好地對信號進行分析處理。該模塊的流程見圖5。

圖5　監測流程

數據處理模塊將上述DAQ模塊采集到的數據連接FFT控件。FFT控件對輸入信號進行快速傅里葉變換，將前述時域信號轉換成頻域信號，輸出信號的頻率及相位信息，然后運用到LabVIEW軟件數學模塊中的基本四則運算子控件，按照相應公式計算出Ak的值，并連接波形圖進行顯示。將計算好的Ak與移相90°的Uk做乘法運算，如圖5中的Ak*Uk。最后用數組索引控件對生成的Ak*Uk數組按照頻率索引出相應的值作為需疊加容性分量電流值的幅值，運用正弦信號生成控件連接對應的正弦波形三要素(分別以索引出Ak*Uk的值作為幅值、Uk的頻率作為基頻、Uk移相90°后的角度作為初相角)，并累加成ic。ix與ic做簡單的差分運算便可做出ir的波形。

3.3軟件測試

對本監測軟件數據處理部分進行測試，輸入工頻為5 Hz，含有3次、5次諧波的正弦波，基波初次諧波相角為0，3次、5次諧波有一定的初相角。經上述算法計算后，輸出的阻性電流波形如圖6所示。對輸出的阻性電流進行FFT分析，阻性電流各次諧波的頻率與輸入電壓基本相同，與理論分析相符。軟件部分測試如圖6所示。

圖6　軟件部分測試

4　結束語

本氧化鋅泄露電流在線監測系統基于諧波分次補償法和LabVIEW軟件進行開發，解決了電網頻率波動對MOV阻性電流測量的影響,所測阻性電流與外施電壓基本同相,提高了MOV阻性電流測量的準確度。虛擬儀器開發軟件LabVIEW能與外接硬件電路很好地連接，可實現數據采集與數據分析準確同步進行。

本文研究了系統內部設計及算法可行性，采用MOV阻性電流測量準確度的方法即諧波分次補償法，并運用準同步采樣和離散傅里葉變換等技術，使電流和電壓信號的幅值、相位等偏差小于5‰。本系統消除了電網諧波以及非線性系統包括頻率波動對阻性電流的影響。通過仿真實驗可以看出：本系統的可靠性及可擴展能力強，可以基本補償避雷器總泄露電流中的容性分量，從而使避雷器的阻性分量和外施電壓同相位。

參考文獻：

[1]張同衛，段東興.基于LabVIEW 的金屬氧化物避雷器在線監測系統[J].電力科學與工程，2008，24(4):50-52.

[2]鄭梅.氧化鋅避雷器泄漏電流的測量與故障分析[J].電子制作，2015(3)：42.

[3]陳景亮，姚學玲.MOV阻性電流諧波補償法的研究[J].高電壓技術，2007，33(3)：53-57.

[4]趙先堃.氧化鋅避雷器泄露電流的測量原理及實現方法的研究[J].電子設計工程，2014，22(5)：178-180.

[5]胡道明，潘文霞.MOA泄漏電流在線監測方法評述[J].江西電力，2004，29(4)：26-29.

[6]祁雪梅，呂修亞，高級，等.虛擬數據采集及處理器設計[J].國外電子測量技術，2006，25(7)：27-29.

[7]費莉，王博，劉述喜.基于LabVIEW的數據采集及測試系統設計[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2012，26(10)：38-41.

[8]李朋輝，張國光，張延華.LabVIEW在電力系統諧波分析中的應用[J].儀器儀表學報，2009，30(6)：755-757.

[9]李松，陳新崗，倪志，等.基于LabVIEW的戶外電氣設備工作環境無限監測研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2015，29(3)：95-99.

[10]盛兆順.設備狀態監測與故障診斷技術及應用[M].北京：化學工業出版社，2003.

[11]李大鵬，茹予波，韓豐收，等.基于LabVIEW 的變電站二次回路在線監測系統[J].儀表技術與傳感器，2012(4)：20-22.

[12]米林，袁曉晨，譚偉.基于LabVIEW的同步器試驗臺測控系統[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2014，28(10)：8-11.

[13]周龍，陳繼東，文遠芳.氧化鋅避雷器阻性電流的諧波分析法[J].華東電力，1997(4):44-45.

[14]林楚標，廖永力，李銳海，等.110 kV整只氧化鋅避雷器雷電沖擊老化特性研究[J].南方電網技術，2015，9(7)：40-45.

[15]羅緒東，楊帆，許勇，等.特殊結構110 kV GIS氣室器件耐壓及MOA泄漏電流試驗[J].高壓電器，2015，51(1)：121-127.

(責任編輯楊文青)

收稿日期：2015-12-28

基金項目：重慶市教委科學技術研究一般項目(2014CJ31)

作者簡介：向思怡(1988—)，女，重慶人，碩士研究生，主要從事電氣測試技術方向的研究；陳渝光(1962—)，男，江蘇無錫人，教授，碩士生導師，主要從事車輛電子技術、電氣測試方面的研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.07.017

中圖分類號：TM86

文獻標識碼：A

文章編號：1674-8425(2016)07-0098-05

MonitorforZinc-OxideSurgeArrestorwithLabVIEW

XIANGSi-yi,CHENYu-guang,LIUShu-xi

(CollegeofElectronicEngineeringandAutomation,ChongqingUniversityofTechnology,Chongqing400054,China)

Abstract:For avoiding the resistor discs with zinc-oxide faults during the allowing frequency for a long time, the monitor theory of zinc-oxide’s current was invested for declining the error of the harmonic wave, and an on-line monitor system for zinc-oxide’s current was designed, incorporating with virtual instrument and graphical design language LabVIEW. This system can increase the accuracy of zinc-oxide surge arrestor’s current and improve the stability and safety of the grid system. This system’s theory agrees with practice, and its error control is allowed, and it is reliable and extensional, which provides the basic guarantee for the future development.

Key words:metal oxygen discs; resistive current; harmonic wave; virtual instrument; LabVIEW

引用格式：向思怡，陳渝光，劉述喜.基于LabVIEW的氧化鋅避雷器監測系統的研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(7):98-102.

Citationformat：XIANGSi-yi,CHENYu-guang,LIUShu-xi.MonitorforZinc-OxideSurgeArrestorwithLabVIEW[J].JournalofChongqingUniversityofTechnology(NaturalScience)，2016(7):98-102.