氧化鋅避雷器在線監測系統的設計

沈陽電氣傳動研究所（有限公司） 張 茜

針對氧化鋅避雷器工作中氧化鋅閥片發熱甚至熱擊穿、老化、內部放電及徑向放電而損壞避雷器的現象，提出了一種能自動地連續進行監測、數據處理和診斷分析的氧化鋅避雷器在線監測的設計方案。該方案具有較好的抗干擾能力和合理的監測靈敏度，監測結果具有較好的有效性和可靠性、能及時準確地反映氧化鋅避雷器的運行狀況。

避雷器主要應用于電力系統，其作用是限制由線路傳來的雷電過電壓或由操作引起的內部過電壓。金屬氧化鋅避雷器（MOA)具有非線性特性好、通流能力強、造價低的特點，它的正常運行對保證安全供電起著重要作用。但MOA在實際運行過程中存在以下問題：

（1）有泄漏電流流過氧化鋅閥片將使閥片發熱，導致氧化鋅閥片老化，直到出現熱擊穿。

（2）MOA閥片在沖擊電壓能量的作用下發生老化。

（3）MOA內部受潮或內部絕緣支架絕緣性能不良而加大功耗，嚴重時可導致內部放電。

（4）MOA時常受到雨、雪、凝露及灰塵的污染，可能會發生徑向放電現象，嚴重時有可能損壞避雷器。

當MOA存在內部受潮和閥片老化等缺陷時，一般可以通過停電試驗可以檢查出來，但在電網電壓及環境等因素長期作用下MOA會產生劣化，有導致停電事故的可能。因此設計一套氧化鋅避雷器在線帶電監測系統，實時有效快速發現MOA受潮、老化及損傷等缺陷，對預防故障發生，確保電網的安全穩定運行具有重要的意義。

1 組成及工作原理

本文設計的氧化鋅避雷器在線監測系統以工控機為核心，由測試傳感器、放大與濾波、相位差檢測及A/D轉換、數字濾波、單片機為檢測單元組合成在線監測系統。

通過傳感器獲取被測量設備的電壓和電流信號，分別經過前置處理單元、后級電路處理以及被測量設備的電壓和電流信號的相位差處理單元，再由單片機進行A/D轉換、軟件濾波傳送到上位機，在上位機內根據預設不同型號MOA的伏安特性（如圖1所示）及工作要求。

圖1 MOA的伏安特性

進行數據分析、處理，得到氧化鋅避雷器運行的電流、電流峰值及電流與電壓相位差，顯示并儲存母線的電壓被測MOA的、電流數值和波形。

氧化鋅避雷器在線監測系統的原理框圖如圖2所示。

圖2 氧化鋅避雷器在線監測系統原理框圖

2 設計方案

2.1 硬件設計

2.1.1 電流、電壓信號采集設計

避雷器的電流信號由電流傳感器采集，母線的電壓信號由互感器采集。

（1）氧化鋅避雷器總泄漏電流的采集是整個系統的關鍵，直接影響系統的可靠性和準確性，泄漏電流的采集具有以下幾個難點：

a.設備正常運行時的泄露電流比較小，一般只有微安級；

b.工作現場環境是高壓大電流場合，電磁干擾嚴重；

c.測量的電流傳感器反映速度要快；

d.避雷器在過流保護時的動作電流幅值遠遠大于正常運行時候泄露電流。

市面上的電流傳感器無法滿足設計的技術要求，經綜合考慮選用磁平衡原理特別設計的微電流傳感器，電流傳感器的測量端被串接到避雷器的接地回路。

（2）特別設計的磁平衡原理電流傳感器是在聚磁環開一道縫隙，縫隙里面安裝霍爾元件用來檢測磁環的磁通量，將被測的電流（原邊）線圈與輸出（次級）的電流線圈分為逆向分別繞制在磁環上，當原邊線圈有電流流過時會在聚磁環處所產生一個磁場作用到霍爾元件上，霍爾元件的輸出電壓發生變化，將霍爾元件的輸出電壓進行處理，轉化為電流信號也即是次級電流，因次級的電流線圈逆向繞制在磁環上，這樣次級電流也會在聚磁環處所產生一個與原邊電流產生的磁場方向相反的磁場作用到霍爾元件上，當原邊與次級產生的磁場大小相等（方向相反）時，作用在霍爾元件的磁場為零，次級電流信號保持相對穩定。次級電流的頻率、相位與原邊的電流信號相同，但其幅值可根據原邊電流與原邊線圈匝數的乘積與次級電流與次級線圈匝數的乘積相等的關系計算出次級電流的數值。

（3）利用趨膚效應阻止電磁波透入的原理，選用磁導率高的金屬材料制成電磁屏蔽裝置，把電流傳感器包在金屬殼內，將運行環境中的干擾磁通量屏蔽。

（4）電流傳感器是串接在避雷器的接地回路，避雷器在過流保護時的動作電流可能達到0.7A，為確保避雷器能夠正常工作且有雷擊時起到保護作用，同時又不能損壞電流傳感器的原邊線圈，根據這種特殊的工作狀態，采用兩級電流變化方式解決。第一級的原邊線圈和次級線圈選用截可以承載1.5A電流的導線，在霍爾元件的控制電路中增加限壓、限流電路處理，連接到第二級的原邊線圈得到放大的避雷器漏電流信號，這樣既能準確測量正常狀態下的泄露電流，也能保證避雷器在過流保護時可靠工作。

（5）電壓信號由母線電壓互感器( PT)二次側獲取。2.1.2 信號處理電路設計

將采集到的電壓和電流傳感器信號分兩路進行處理，前置處理電路具有信號放大和模擬濾波功能。為抑制噪聲和干擾信號采用高輸入阻抗、低噪聲、高共模抑制比的精密儀表放大器將信號放大到設計的數值，然后經過放大的信號進入模擬濾波電路。采集的電壓和電流信號均為工頻50Hz正弦波，本設計采用工程中常用的二階有源低通濾波電路，抑制檢測電路里的噪聲和干擾信號。

AD轉換器一般不能夠采集電負電壓信號，采集負電壓信號需要復雜的電路轉換。為方便AD轉換器采集信號，利用差分放大器做加法運算，將信號進行平移再輸出到AD轉換器。

考慮到低通濾波電路對信號產生相位變化，將兩個儀表放大器的輸出直接進入相位差計算電路。電路由零位比較器、雙穩態觸發器、高頻率脈沖發生器等組成，測量出氧化鋅避雷器的電壓和電流信號之間的瞬時相位差。

2.1.3 單片機及數字濾波設計

單片機的工作包括模擬量的采集、計算、數據的處理、上位機采集指令的接收、RS485總線通訊以及傳輸等方面。系統采用STM8S003F3單片機作為中央處理單元進行設計，STM8S003F3單片機包含ADC1和ADC2兩個模擬量輸入通道，它們均是10位的逐次比較型模擬數字轉換器。兩路處理后的電壓信號，接入單片機的模數轉換器的輸入端，經模數轉換器轉換為數字量后單片機對此數字量進行濾波運算。

氧化鋅避雷器的電壓和電流信號之間的瞬時相位差是脈沖信號，接入到STM8S003F3單片機的數字輸入端由單片機直接計算。單片機與上位機之間采用RS485總線的方式進行通訊，采用標準的ModBus協議進行數據傳輸，保證數據傳輸的準確與可靠。

2.2 軟件設計

軟件設計主要包括單片機的數據采集軟件和上位機氧化鋅避雷器伏安特性數學模型的建立、對采集數據分析及處理軟件及相互之間的通訊幾個方面。

采集的電壓、電流信號進行同步采樣。在單片機的程序中，當一路模數轉換器采樣后就進行鎖存，然后另一路模數轉換器采樣并鎖存，分時采樣，由于其采樣轉換速度足夠快，可視同為同步采樣。在測量電流的程序中設定了兩個臨時變量i、j以及其它參與計算的一些變量，主要有電壓峰值求和變量、平均值變量電壓及AD采集數值的緩沖區；定義一個存放波形、電壓最大值的緩沖區。當開機或復位后，單片機進行初始化、自檢后進行AD轉換，由于每一個波形均要進行AD_COUNT次采集，因此在程序中用for循環來實現；同理，由于需要對VOLTAGE_MAX_COUNT個波形進行采集，因此外層循環也采用for循環，循環次數為VOLTAGE_MAX_COUNT次。在完成對每個波形的AD_COUNT次AD采集后，需要對AD_COUNT個數據進行處理，將數據依次排序存儲在voltage_value_buf[]數組中，其中的數值為電流的瞬時值，整個數組中的數值按照冒泡法排序，這個值為最大的電流峰值。采用高次諧波計算法即按照得到的總泄漏電流送入邏輯分析單元進行分析，計算容性電流的峰值，再送入減法單元與總泄漏電流作減法運算得到阻性電流。為避免程序收到外來干擾，在程序中設計了若干個軟件“看門狗”，經長期運行證明軟件安全可靠。

將建立的氧化鋅避雷器伏安特性數學模型預裝到上位機，在接收到單片機采樣得到的設備電壓、電流的原始波形和數值的數據后，與數學模型對應型號的氧化鋅避雷器伏安特性進行比較、分析，通過理論計算做出判斷，上位機依次循環的對現場的多路電壓、電流的測試數據接收，計算阻性電流值，在顯示屏顯示氧化鋅避雷器的泄露總電流值和阻性電流值曲線、母線電壓值曲線，并定時保存數據。

本文設計的氧化鋅避雷器在線監測系統已經在多個現場進行實際應用，實踐表明，該系統功能齊全、可靠性好、使用方便。