基于無線采集技術的MOA電位分布及溫度分布測試系統

李佳奇，韓洪剛，劉碧琦，耿莉娜，劉至坪

(1.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；2.國網遼寧省電力有限公司信息通信分公司，遼寧 沈陽 110006；3.國網大連供電公司運維檢修部，遼寧 大連 116000)

近年來，交流無間隙金屬氧化物避雷器具有良好的電氣特性，并逐步取代了傳統的碳化硅(SiC)避雷器，其功能是：當線路遭受雷擊或由于分合閘瞬間產生的各種過電壓時起到抑制過電壓，以保護電網中運行設備免受危害的作用。 MOA內部由幾百片閥片相互串聯，以閥片柱的形式存在。由于存在對地雜散電容，MOA內部的電位分布通常也是不均勻的，承受高電位的閥片其內部泄漏電流也大，相比較低電位的閥片老化速度大大加快，嚴重時甚至出現熱崩潰，使得整支MOA提前報廢。電壓等級高的MOA較電壓等級低的MOA電位分布的不均勻更加明顯，因此對MOA采取均壓措施以延長其運行年限是十分必要的[1-6]。

目前廣泛采用光纖-電流法對避雷器的電位分布情況進行測試，是一種在高壓工況下對MOA內部的電位分布進行測試的常規方法[7]。光纖-電流法利用光纖作為信號傳輸介質，其特點為有線光纜完成電位分布信號傳遞，采用示波器讀取MOA內部各個閥片的電位分布的泄漏電流值，測試預備工作繁瑣，同時要反復調試測試儀器，光纖損壞率高。光纖-電流法現場安裝如圖1所示。

圖1 光纖-電流法現場安裝圖

為了改進MOA電位分布的準確度，設計并研制了一種基于無線采集技術的MOA電位分布及溫度分布測試系統，實現了避雷器閥片分布電位及分布溫度同時測試，提升了測試效率，減輕了試驗的前期準備工作，保證了系統安全。

1 系統設計原理

MOA在運行電壓下，內部每個閥片可視為一容性單元，其阻抗若遠大于采樣探頭的等效阻抗，則采樣探頭串接于MOA閥片中對整支避雷器的電位分布情況的影響可以忽略不計[8-10]。設計與MOA閥片尺寸一致的采樣探頭，并安置在MOA閥片柱的相應位置；通過PC機實現信號采集單元與MOA內部各個測試探頭內部的無線通信模塊完成通信，完成了整支MOA在運行前各個測試閥片分布電位及分布溫度的型式試驗檢測，為采取MOA均壓措施提供了試驗依據，保障了電網的安全可靠運行[11-14]。

采樣探頭外殼為鋁制圓環結構，其尺寸和MOA閥片尺寸一致，其下方粘貼單面覆銅的電路板，通過一導線將MOA的泄漏電流連接至采樣探頭內部工作單元，利用采樣電阻完成電流-電壓信號轉換并接至A/D轉換器。采樣探頭上方打直徑2 mm的孔，使引出的熱敏電阻與MOA閥片靠緊，達到實現MOA閥片溫度測試的目的，采樣探頭內部如圖2所示。

圖2 采樣探頭內部示意圖

2 系統硬件設計

2.1 信號調理電路設計

避雷器在工作電壓下閥片的等效阻抗大于百兆歐，則串聯歐姆級電阻完成避雷器內部閥片泄漏電流的電流-電壓傳感與轉換。為適應不同電壓等級泄漏電流的測試，引入量程選擇電路，通過切換不同阻值的采樣電阻，可滿足不同電壓等級MOA的測試量程。由于單片機內部為單極性A/D，故采用基準源電路LM385-1.2產生1.23 V的基準電壓，提升系統的零基準電平實現了交流正負信號的測試。雙3.3 V穩壓管反向串聯構成雙向過壓保護電路，實現了輸入信號幅度鉗位目的，在測試時一旦產生涌流，可保護整機電路不受沖擊。C5、C4、R9構成π型濾波器以消除測試信號中的干擾。經過濾波后的電壓連接至微控制器的任意2個模擬數字通道進行A/D轉換。信號調理電路如圖3所示。

圖3 信號調理電路

2.2 系統鋰電池電壓采集電路設計

為了滿足分布電壓、分布溫度及系統電池剩余容量的測試，選擇具有內部自帶10位A/D轉換精度的AVR處理器。測試探頭采用大容量可充電鋰電池供電，隨著探頭的使用，會引起電池電壓逐漸下降，準確測試系統的電池電壓Vbat是實現準確測試電位分布及溫度分布的前提。AVR內部自帶基準源，但此基準源的準確度受溫度影響大，且不同生產日期的AVR受制造工藝的因素會導致內部的基準電壓不統一。若引入信號調理電路中高精度1.23 V基準源作為系統的參考電壓，則可以有效提升模擬數字轉換測試結果準確度。在這里利用R10，R11 2只等值電阻對鋰電池電壓進行衰減，可得系統鋰電池電壓為

(1)

式中：Vref為高精度電壓表讀取到的基準源電壓值；ADbat為AVR獲取的R10、R11抽頭處AD值；ADref為AVR獲取的基準源AD值。

2.3 MOA電位分布采集與溫度采集電路設計

利用1%精度NTC型熱敏電阻R4完成測試溫度。將R4與一定值電阻R5串聯，當熱敏電阻測試到閥片溫度變化，會引起R4電阻值的變化。通過測試R4、R5中心抽頭的電壓Vtemp，可反推出R4對應的電阻值。其中Vtemp：

(2)

式中：ADtemp為AVR獲取到的R4、R5中點AD值。

由式(1)、(2)得到:

(3)

再根據NTC熱敏電阻的阻值分度表，通過單片機軟件查表方式確定測試點MOA溫度。同時，軟件控制A/D轉換器完成對應模擬通道對輸入波形的時間積分采樣，提高了模擬量有效值測試精度。上述測試過程在信號集中單元發送問詢指令時，所有測試探頭內的微處理器控制三極管Q1導通并啟動檢測，之后微處理器控制三極管關閉，并進入休眠狀態。測試到的MOA泄漏電流、MOA溫度和系統電池的電量經過數據壓縮后通過無線通信方式傳出MOA，通過信號集中器接收并處理。測試探頭內部電路如圖4所示。

圖4 測試探頭內部電路圖

2.4 無線數據傳輸模塊

引入ESP8266無線WIFI 芯片完成采樣數據的無線通信。芯片內核為32位ARM，在滿足小型化的同時保障了系統數據傳輸質量。

3 系統程序設計

3.1 采樣探頭部分程序設計

整組采樣探頭采用星型拓撲，每只采樣探頭在通電后即完成CPU內部控制單元的初始化，之后進入待機狀態并定時檢測信號集中單元是否發出啟動信號，實現了低功耗的效果[15]。當所有采樣探頭同步偵聽到信號集中單元發出的無線啟動信號則立即啟動檢測，以10 kHz的采樣率連續采樣本探頭檢測到的泄漏電流。當完成10萬次的模數轉換，即50個工頻信號的積分采樣后，運算采樣點MOA的分布電位真有效值，之后進行對應MOA的溫度及探頭鋰電容量的采集。為了防止多只探頭同時發送采集結果數據造成的時間通道的沖突，設定各采集探頭以Ts的時間延遲與信號集中單元進行檢測數據包通信。同時將本次采集到的工頻信號的波形存儲至AVR內部存儲器，以方便對采集波形的細節進行歷史查詢。

Ts=N×200(ms)

(4)

式中：Ts為各探頭發送無線檢測壓縮包信號時間延遲；N為第N只探頭。

當傳輸完1次數據報文，各探頭再次進入休眠模式，偵聽數據采集器下次發出的無線啟動命令，以節約系統電池電量。采樣探頭測試流程如圖5所示。

圖5 采樣探頭程序流程圖

3.2 上位機處理與分析

上位機前端采用可視化DELPHI編程實現數據處理分析，采集結果以數據、表格、曲線形式直觀顯示，后臺數據儲存至ACCESS數據庫，實現了結果統計與歷史查詢，方便型式試驗人員對MOA情況進行分析并采取均壓措施。

4 應用

4.1 采樣探頭安裝設計

750 kV電壓等級的避雷器分為4節，各節內部分別裝有43只氧化鋅閥片。與氧化鋅閥片尺寸一樣的若干采樣探頭和氧化鋅閥片間隔串接。避雷器內部采樣探頭安裝如圖6所示。

圖6 采樣探頭安裝示意圖

4.2 試品

試驗用避雷器型號YH20W1-648/1491，共有4節。避雷器框架高度4.9 m，總高度7.7 m，均壓環為雙層結構。罩入深度136 cm。其中下環外徑240 cm，中環外徑110 cm，上環外徑80 cm。

4.3 采樣探頭布置

MOA閥片173片，厚度20 mm，直徑136 mm。每節安裝9只采樣探頭，4節共計36只采樣探頭。其中上數第1節上法蘭為測點1—9號，上數第2節測點10—18號，上數第3節測點19—27號，上數第4節測點28—36號。

4.4 試驗結果

對750 kV避雷器，其相電壓為

(5)

對整支避雷器施加433 kV工頻電壓，由計算機控制信號集中單元發出檢測指令，全部采樣探頭同時開始對當前MOA被測點閥片的分布電位、溫度情況及電池電量進行測試，各探頭以固定的時間延遲發送無線檢測壓縮包信號至信號集中單元。每8 s完成全部被測點的采集并在計算機界面展示結果。以同步方式進行避雷器的分布電位采集解決了電網波動造成的測試數據準確性差的弊端。測量數據見表1，避雷器電位分布曲線如圖7所示。

表1 電位分布測試結果

圖7 避雷器電位分布曲線

4.5 分析與計算

避雷器電位分布不均勻系數為

(6)

In=Un×Cn×2πf

(7)

將式(7)代入式(6)，得到：

(8)

避雷器的所有閥片電容經折算成平均電容量為

(9)

通過計算分析，滿足750 kV電壓等級MOA規程規定的不均勻系數小于10%的要求。

5 結束語

以無線采集方式進行MOA電位分布及溫度分布測試，可實現同步方式采集，提高了測試結果準確度，大幅縮短檢測的前期準備工作時間。相對光纖傳輸數據，無線方式在高壓設備檢測時具備更高的使用價值與應用前景。