配網線路雷電過電壓與過電流傳感采集技術研究

深圳供電局有限公司 吳國偉

隨著科技的不斷進步，傳感器技術、數據處理算法和通信技術都取得了巨大發展。這為電力配網線路的故障檢測和保護提供了新的機會和挑戰。本文將著重研究雷電過電壓與過電流傳感采集技術，通過結合先進的傳感器技術、智能數據處理和高效通信系統，以應對電力配網線路可能面臨的各種故障[2]。通過本文的研究，將深入探討這些技術的原理和應用，以期為提高電力配網線路的安全性和可靠性提供有力支持。

本文的目標是建立一種可行的、高效的雷電過電壓與過電流傳感采集技術，以提供實時的故障檢測和保護機制，確保電力配網線路的穩定運行，減少故障對社會生產生活的不良影響[3]。

1 雷電過電壓與過電流的產生機理

雷電過電壓是由大氣中的靜電場和電荷分布不均勻引起的，當雷電擊中地面附近的電力設備或線路時，會產生瞬態的高電壓。過電流則是由于短路或其他電力故障引起的電流異常增大。這些故障可能會瞬間引起線路內部溫升、設備損壞甚至爆炸，嚴重威脅著電力系統的安全性和可靠性。

雷電測量涉及對大氣中的雷電現象進行監測和測量。為了實現這一目標，科學家們常常使用羅氏線圈來捕捉和記錄雷電放電事件的電磁信號。這里涉及法拉第電磁感應定律，即當電磁場變化時會感應出電流，而雷電放電產生的強電場變化會被羅氏線圈捕獲，從而產生電流信號。安培環路定律則有助于理解電流在導體中的路徑和分布，這可以幫助分析和解釋雷電放電的過程。因此，對于雷電的研究是以電流為基準，然后再研究雷電在設備上造成的過電壓[4]。

雷電流標準雙指數函數模型和雷電流Heidler函數模型是用于描述雷電電流脈沖的兩種數學模型，用于分析雷電放電過程中電流的變化。

雷電流標準雙指數函數模型描述了雷電流在時間上的變化，并通常用于模擬雷電放電的電流波形。其采用了雙指數函數的形式，包括上升時間和下降時間兩個參數。這兩個參數控制了雷電流脈沖的上升和下降速度，使模型能夠較好地擬合實際雷電放電的特性。標準雙指數函數模型是雷電研究中常用的工具之一，用于分析雷電放電的電流峰值、時間持續性等重要參數。

Heidler 函數模型是另一種用于描述雷電流的模型，其是對雷電流波形的另一種數學表達形式。與標準雙指數函數模型不同，Heidler 函數模型使用了一種更加復雜的函數形式，以更準確地模擬雷電放電的特性。這個模型可以更好地捕捉雷電流脈沖的不連續性和非對稱性，因此在某些應用中更為準確。

幅值為5kA、修正系數為1、波頭和波尾為2.6/50μs 時的雷電流I 波形如圖1所示。

圖1 不同函數下的雷電流波形

2 傳感采集技術

為了及時檢測和應對雷電過電壓和過電流故障，傳感采集技術起著關鍵性作用。傳感采集技術包括傳感器的選擇、數據采集與處理、通信與控制等。在雷電過電壓檢測方面，常用的傳感器有電壓傳感器和電流傳感器。電壓傳感器可以通過測量線路上的電壓變化來檢測雷電過電壓，而電流傳感器則可以監測電流的異常增大情況。采集到的傳感數據需要經過精確的處理和分析，以確定是否存在故障。數據采集設備應具備高精度和高采樣率，以確保數據的準確性。數據處理算法可以通過比較采集到的數據與預設的閾值來判斷是否存在過電壓或過電流故障。

2.1 供電單元

供電單元是一個關鍵的電子設備，通常采用鋰電池作為電源。為了確保電源的穩定和安全運行，供電單元通常配備過電壓監測單元和過電流監測單元，這些監測單元能夠實時監測供電電壓和電流的波動，以防止電壓過高或電流過大，從而保護設備不受損壞。中央信號處理單元則負責處理監測數據，確保設備的正常運行。各單元供電電壓要求見表1。

表1 各單元供電電壓要求匯總

2.2 過電壓監測單元

過電壓在線監測單元是電力系統中至關重要的組成部分，其用于監測和保護設備免受過電壓和過電流的損害。該系統通常包括電壓互感器和過電流保護器，電壓互感器用于實時測量電壓水平，而過電流保護器則監測電流的波動。當系統中出現過電壓或過電流時，過電壓保護器和過電流保護器會立即介入，通過分壓電路和隔離電路來切斷電路或減小電壓，以保護設備免受損壞，過電壓在線監測單元電路如圖2所示。分壓電路的電容均采用高頻瓷介電容，隔離電路由運算放大器 LM7332組成。

圖2 過電壓在線監測單元電路圖

在電路保護與監測方面，過電流保護器專門設計用于檢測和限制電路中的過載電流，以防止設備或電線受損。兩級過壓保護器負責監測電路中的電壓水平，如果出現電路短路或意外的電壓波動，這些保護器將迅速介入，通過分壓電路降低電壓或切斷電路，從而保護設備免受損壞。此外，高速數據采集卡在這個系統中起到了關鍵作用，用于實時采集和分析電路中的信號數據。然而，信號干擾可能會對數據采集造成困擾，因此需要使用兩級過壓保護器來降低信號干擾的影響。

在過電壓監測單元中，隔離電路扮演著至關重要的角色。它們被廣泛應用于不同領域，以確保信號的穩定性和安全性。隔離電路的主要目標是保持電氣隔離，防止信號干擾和提高系統的穩定性。通過結合隔離電路和緩沖器基準電壓等元件，創建出高性能的信號處理系統，適用于各種應用來滿足復雜應用中的需求。

該電路的輸出電壓等于輸入電壓，即U0=Ui，基于仿真軟件PSpice 驗證隔離電路設計的可行性，仿真結果如圖3所示。

圖3 隔離電路中交流電壓輸入的仿真結果

2.3 過電流監測單元

過電流在線監測單元是電力系統中的重要組件，其用于實時監測電路中的電流水平以保護設備和系統的安全性。這個單元通常包括電流采集電路，專門用于測量電流的變化。當電路中出現過流情況時，過流保護器將迅速介入，切斷電路以防止設備受損。為了確保信號的準確性和電路的可靠性，隔離電路通常用于隔離監測電路和被監測電路之間的電氣連接。比較電路用于比較監測到的電流與預設的閾值，以觸發過流保護器的操作。這些關鍵組件協同工作，構建了一個有效的電路保護系統，確保電力系統在各種工況下都能保持穩定并減少潛在的電氣故障風險。過電流在線監測單元電路如圖4所示。

圖4 過電流在線監測單元電路圖

采用LR 積分器結構的Rogowski 線圈測量雷電流；隔離電路采用單個零漂移快速建立放大器OPA388；比較電路采用高速比較器TLV3201；輸出部分設計了推挽電路結構。

3 中央控制技術

中央信號處理單元是一個關鍵的電子系統組成模塊，通常由多個子模塊構成。其中，FPGA 主控模塊扮演著核心角色，其擁有可編程的特性，能夠高效地處理各種信號和數據。與之配套的人機交互模塊允許用戶與系統進行交互，監測狀態并進行控制。數據存儲模塊則用于安全地儲存大量的信息，以備將來的分析和檢索。報警模塊則負責實時監測系統的狀態。

FPGA 主控模塊采用芯片型號為5CEFA7F31I7N；人機交互模塊包括RJ-45以太網端口和點陣式LCD 顯示屏。數據存儲模塊包括兩片256MB 的DDR3存儲器芯片和一片512MB 的LPDDR2存儲器芯片。報警模塊包括LED 閃光燈報警電路和揚聲器聲音報警電路。

4 結論

雷電過電壓過電流傳感采集裝置是一個復雜的系統，包括多個關鍵組件。供電單元提供電力支持，而過電壓監測單元和過電流監測單元負責監測電路中的電壓和電流。這些數據通過中央信號處理單元進行處理和分析。整個系統的設計裝置旨在實現高效的電壓傳感監測和電流傳感監測，確保雷電過電壓和過電流事件能夠可靠地被檢測和記錄。最后，數據采集存儲部分負責儲存大量的監測數據，以備將來的分析和應用。這種雷電過電壓過電流傳感采集裝置在電力系統保護中發揮關鍵作用，確保電路的安全運行。