高壓換流站交流側避雷器在線監測系統的研制

余亞東， 李杰， 張荻

(1.平頂山學院 電氣與機械工程學院，河南 平頂山 467000；2.河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山 467000)

0 引 言

隨著科學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[1]。金屬氧化物避雷器作為變電站內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[2]。因此對金屬氧化物避雷器進行在線監測就顯得尤為重要。

金屬氧化物避雷器的核心器件是電阻片，電阻片具有極為優越的非線性特性[3]。在正常工作電壓下，流過電阻片的電流僅為微安級[4]，但長期在工頻電壓下工作會使電阻片的非線性發生變化，導致流過電阻片的泄漏電流增加，泄漏電流的增加直接使電阻片溫度上升而發生熱崩潰，嚴重時直接引起避雷器的爆炸。為了防患事故的發生，筆者和國內知名避雷器生產廠家聯合公關，設計了一整套金屬氧化物避雷器(MOA)在線監測系統，包含避雷器監測單元、系統電壓監測單元、避雷器監測IED和后臺系統，可為用戶提供完整的避雷器監測解決方案。

1 交流避雷器在線監測系統方案設計

筆者根據現場工程的需要，設計了一套基于STM32F407的數字式避雷器在線監測系統。該監測系統總體方案如圖1所示。

圖1 交流避雷器在線監測系統圖

圖1所示的在線監測系統中包含了避雷器在線監測單元的設計、PT系統電壓在線監測單元的設計以及避雷器監測IED單元的設計。其中，避雷器A、B、C相的在線監測單元采集避雷器的泄漏電流的幅值、動作次數以及泄露電流與參考相之間的夾角；PT的系統電壓采樣單元采集電網的電壓頻率、諧波及電壓轉換成電流后與參考相的夾角值；避雷器監測IED單元是將避雷器在線監測單元的采樣值與PT系統電壓的采樣值在其IED內部進行數學計算，得出泄露電流與母線電壓的夾角，進而得出容性電流和阻性電流的大小。

1.1 避雷器在線監測單元的設計

在線監測單元由核心模塊、電源模塊、MOA采集模塊和零磁通電流互感器組成。該監測單元能夠準確地采集每相避雷器的泄露電流(容性電流和阻性電流)、避雷器的動作次數以及泄露電流與參考相夾角。

1.1.1 CPU核心模塊設計

避雷器在線監測單元的控制核心為德州儀器公司生產的型號為STM32F407的微處理器，完成交流避雷器的泄漏電流、基準參考電壓的采集、避雷器動作次數的計數和RS-485的通信等功能，同時完成系統控制條件判定與策略實現，該芯片具有強大的嵌入式控制功能，完全能夠滿足本系統的要求[5]。

1.1.2 電源模塊的設計

電源模塊的設計是為整個監測裝置提供合適的動力來源，該電源模塊的輸入來自于變電站內的AC220 V，經過轉換后可為監測裝置內的主控芯片、隔離放大及信號的調理電路和通信電路的供電。圖2給出了監測單元電源電路設計原理圖。

圖2 避雷器在線監測單元電源模塊設計

圖2中:G1、G2為固體放電管；RV1為壓敏電阻；L1為共模扼流圈；T1為電源電路的穩壓保護元件；U1為廣州金升陽公司的AC/DC電源模塊L005-00B05E，該電壓轉換器是隔離型芯片，抗干擾能力強。同時在該電源模塊內AC220 V電壓經無感電阻網絡變化后得到電流，作為參考相電流。

1.1.3 MOA采集板

在該在線監測裝置中需實時監測泄漏電流和動作次數等參數。交流避雷器的泄漏電流一般情況下很小[6-7](μA級)。本文選取零磁通電流傳感器作為MOA采集板的前端輸入，零磁通電流傳感器由起始導磁率高，損耗小的坡莫合金鐵芯作為主要零部件，同時采用深度負反饋技術和屏蔽措施，能夠對鐵心全自動補償，使鐵心工作在理想的零磁通狀態，較好地解決避雷器泄露電流小的微弱信號的采集問題。圖3為MOA采集模塊的設計圖。

圖3中，MOA采集模塊可針對三相避雷器100 μA～700 mA泄露電流和參考相電流的實時采樣，經過電壓跟隨放大電路后在AD7606芯片內進行AD轉換，最終將采集到的泄露電流的數值和參考相電流輸入至后端CPU內部進行FFT算法分析及數據的處理。在圖3中通過避雷器放電檢測互感器對避雷器的放電動作次數進行了實時記錄，經過信號調理保護電路和光耦后將避雷器動作次數輸入至后端CPU內部。

圖3 MOA采集模塊的設計

1.2 PT系統電壓在線監測單元的設計

在該系統中需要實時采集PT上的系統電壓，以此作為參考電壓，圖4給出了PT系統電壓的原理圖。PT系統電壓采集模塊可以針對三相PT系統電壓轉換后的100 uA～700 mA電流的實時采樣，經過電壓跟隨放大電路后在AD7606芯片內進行AD轉換，最終將采集到的PT系統電壓的數值輸入至后端CPU內部作為參考相電流。

圖4 PT系統電壓采集模塊設計圖

1.3 避雷器監測IED單元的設計

為減少整個監測單元的開發周期,避雷器監測IED單元的硬件系統購買了上海某公司的開發平臺，在該開發平臺上只進行了軟件系統的開發，完成了由MOA監測裝置和PT采樣裝置向IED單元傳送變量的存儲，同時在監測IED單元內部通過算法計算得出泄露電流與母線電壓的夾角，進而得出容性電流和阻性電流。

2 交流避雷器在線監測系統軟件實現

軟件采用模塊化設計，主要包括系統運行參數設置模塊、泄漏電流采集模塊、動作次數采集模塊、快速傅里葉分析算法、數據分析判斷及狀態指示模塊。

2.1 主系統初始化及主函數實現

圖5給出了主系統的初始化和主函數的流程圖。

圖5 主系統的初始化和主函數的流程圖

系統程序運行時，首先完成系統參數的初始化，以確保整個系統軟件中各個子程序的功能實現及系統運行的穩定性。系統及外設初始化包括時鐘、嵌套向量中斷控制器、GPIO口和ADC轉換等的初始化配置。

2.2 交流避雷器在線監測同步采集的實現

在該在線監測系統中存在著一個至關重要的問題，即避雷器泄露電流與母線PT電壓信號的同步采集(時鐘同步)。目前解決采集同步的方法主要有參考相位法、 相位搜索法、 GPS法和避雷器泄露采樣與PT電壓采樣放于同一個裝置法等多種方法。通過查閱相關文獻，認為參考相位法具有較強的現實意義，故本文選擇參考相位法解決采集的同步問題。圖6為同步采集時序圖。

圖6 同步采集時序圖

2.3 數據的處理流程圖

在線監測系統中數據的處理是采集N個周波的數據集，選擇合適的放大倍數，通過快速傅里葉變換(FFT)獲得全電流和參考相位，之后進行電流閾值的判定和循環。圖7給出了數據的處理流程。

圖7 數據處理流程圖

傅里葉變化是數字信號處理中對信號進行分析時常采用的一種方法。本文對采集到的泄露電流部分進行FFT運算，獲取泄露電流數據。當周期信號x(t)滿足狄利克雷(Dirichlet)條件時，可分解為傅里葉級數表達式：

(1)

式中：t為時間；T為周期；a0、an、bn均為常數。

將滿足狄氏條件的非正弦周期電壓u(t)和電流i(t)分解為傅里葉級數：

(2)

式中：U0、I0分別為電壓直流分量和電流直流分量；Uk、Ik分別為k次諧波電壓幅值和諧波電流幅值；φuk、φik分別為k次諧波電壓初相位和諧波電流初相位；ω為角頻率。

為求取初相位，首先要解析出基波電流信號和基波電壓信號的相位，根據三角函數的正交性以及離散周期序列的傅里葉級數變換得：

(3)

式中：Uk為k次諧波電壓；N為序列周期。依據式(3)可得：

(4)

式中：UR(k)、UI(k)分別為U(k)的實部和虛部。由式(4)可以看出：

該方法優點為高次諧波對基波電壓信號相位和基波電流相位的求解無關，具有較高的測量精度[8]。將阻性電流從總泄露電流計算出來，可準確反映避雷器絕緣狀態。

3 試驗研究及結果分析

為驗證本文所研制系統的有效性和可行性，在某公司的10 kV交流避雷器上安裝在線監測系統。通過試驗得到表1所示的全電流、阻性電流和容性電流的采樣數據值。

表1 泄漏電流采樣數據對比表 μA

從表1可看出，本系統在試驗條件下能夠有效地采集到避雷器的全電流、阻性電流和容性電流，同時能夠準確地分離出阻性電流數值，準確反應了交流避雷器的絕緣狀態。

4 結束語

本文基于工程實際，開發了一套換流站內高壓交流側金屬氧化物避雷器在線監測裝置。給出了詳細的裝置開發過程，對交流避雷器內的泄露電流等相關參數進行了實時采集，采集的準確度和實時性較高，可為避雷器的狀態檢修提供有力的支撐。