絕緣子泄漏電流監測系統設計

溫惠婷 劉文彬 溫惠康 張建峰 張澤謙 周桂濤

收稿日期：2023-08-07

基金項目：南方電網公司科技項目（031400KK52220008（GDKJXM20220755））

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.06.032

摘? 要：通過監測輸電線路中絕緣子的泄漏電流來判斷絕緣子的污穢程度，以避免絕緣子發生污閃的情況。設計了一種絕緣子泄漏電流實時監測系統，系統主要包括泄漏電流傳感器、泄漏電流放大與濾波模塊、泄漏電流ADC轉換模塊、主控模塊、無線通信模塊和終端等功能元件。系統能夠實現對絕緣子泄漏電流信號的在線監測、處理、采集、顯示與傳輸等功能。實驗結果表明，系統具有高精度的數據采集能力，對泄漏電流信號監測相對誤差小于2%，滿足對絕緣子泄漏電流監測的要求。

關鍵詞：絕緣子；泄漏電流；電流傳感器

中圖分類號：TP277? ? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2024）06-0149-06

Design of Insulator Leakage Current Monitoring System

WEN Huiting1， LIU Wenbin1， WEN Huikang2， ZHANG Jianfeng1， ZHANG Zeqian3， ZHOU Guitao3

（1.Meizhou Power Supply Bureau of Guangdong Grid Co.， Ltd.， Meizhou? 514021， China;

2.Jiangmen Power Supply Bureau of Guangdong Grid Co.， Ltd.， Jiangmen? 529050， China;

3.School of Automation， Guangdong University of Technology， Guangzhou? 510006， China）

Abstract： By monitoring the leakage current of insulators in transmission lines， the degree of contamination of insulators can be determined to avoid contamination flashover. A real-time monitoring system for insulator leakage current has been designed， which mainly includes functional components such as leakage current sensor， leakage current amplification and filtering module， leakage current ADC conversion module， main control module， wireless communication module， and terminal. This system can achieve online monitoring， processing， collection， display， and transmission functions of insulator leakage current signals. The experimental results show that the system has high-precision data acquisition capability， and the relative error in monitoring leakage current signals is less than 2%， meeting the requirements for monitoring insulator leakage current.

Keywords： insulator; leakage current; current sensor

0? 引? 言

絕緣子是輸電線路的重要組成部分，是電網中用量龐大、種類較多的零部件，對電氣設備或導體既要起絕緣作用，又要起固定懸掛作用。絕緣子在各種天氣條件下，長期置于戶外運行會導致絕緣子表面附著各種污穢物質，導致絕緣子的絕緣性能降低而其導電能力提高。當絕緣子受到過電壓影響時，可能發生閃絡現象，如果長時間發生閃絡，則可能引發事故性停電[1-3]。絕緣子的泄漏電流監測信號可以用于反映其污穢程度，監測絕緣子泄漏電流信號可以使線路維護人員了解絕緣子的運行狀態，并在必要時進行清洗，以避免因過高污穢程度引發閃絡停電事故，這對保障電力系統的安全至關重要[4]。

由于絕緣子安裝在輸電線路桿塔較高的位置，絕緣子數量龐大且線路復雜，線路維護人員很難逐一進行實測以了解線路絕緣子的工作狀態，無法掌握絕緣子的實際運行情況，因此相關的維護策略也無法得到落實。為解決這一問題，本文設計了一種絕緣子泄漏電流的監測系統，可以實時監測絕緣子泄漏電流信號，以評估絕緣子的污穢程度。

1? 系統總體方案設計

系統由電流傳感器、泄漏電流放大與濾波模塊、泄漏電流ADC轉換模塊、主控模塊、無線通信模塊、電源模塊和終端等組成，系統的總體結構框如圖1所示。

系統通過電流傳感器獲取絕緣子微弱泄漏電流信號，采用泄漏電流放大與濾波模塊對上述微弱信號進行放大與濾波，使用ADC轉換模塊將處理完成的信號進行數模轉換，由主控模塊計算泄漏電流信號的相關特征值，數據通過無線通信模塊發送到云服務器，并在終端存儲與顯示。為了適應戶外工作環境，系統采用以太陽能充電的蓄電池供電方式，通過在桿塔上安裝太陽能電池板為系統的蓄電池充電，再由電源管理模塊將蓄電池提供的電能供給系統中的各個模塊使用。

2? 系統硬件設計

2.1? 系統整體硬件設計

系統的硬件組成包括電流傳感器、泄漏電流放大與濾波電路、ADC轉換電路、主控電路。泄漏電流放大與濾波電路包括電流/電壓轉換電路、電壓放大電路和濾波電路等，主控電路的MCU采用STM32單片機，硬件電路整體框如圖2所示。

圖2? 系統硬件電路結構圖

2.2? 電流傳感器

采集絕緣子的泄漏電流信號，需要選擇具有寬頻帶、高靈敏度和高精度的電流傳感器。由于泄漏電流信號微弱且幅值變化大，并且頻率范圍寬，所選傳感器要能夠準確地測量這些特征。此外，電流傳感器還必須適應戶外運行環境，具備防水和防塵的特性[5，6]。本文選用以羅氏線圈為基礎改進的電流傳感器，其具備寬頻率響應范圍和高靈敏度，能夠準確捕捉細微的泄漏電流信號。此外，該傳感器的測量線路與系統設備之間沒有直接的電氣聯系，因此測量過程更加安全可靠，并且安裝便捷。同時，該電流傳感器采用高質量材料制成，具有出色的耐久性和防護性能。它可以在惡劣的室外環境下長時間穩定地運行，確保系統的可靠性。

2.3? 泄漏電流放大與濾波電路

泄漏電流放大與濾波電路由電流/電壓轉換電路、電壓放大電路和濾波電路組成，電路原理如圖3所示。

電流/電壓轉換電路在放大與濾波電路中起著關鍵的作用，電流信號通常用于作為傳感器輸出[7]，通過使用電流/電壓轉換電路，系統可以將電流傳感器監測到的絕緣子微弱泄漏電流信號轉換為等效的電壓信號，以適應后續放大電路和濾波電路的要求。電路中需要使用具有極低偏置電流和高輸入阻抗的運算放大器。因為如果運算放大器的偏置電流比待轉換的電流信號大，導致其被掩蓋以致無法準確測量。另外，在采樣電阻上并聯一個小電容可以減小高頻信號的失真并濾除高頻噪聲，提高電路的頻率響應和信號質量。為了保證I / V轉換電路轉換電壓的穩定性，需要選用高精度低溫漂的采樣電阻。

根據圖3所示的電流/電壓轉換電路原理，可得該電路的轉換電壓公式為：

式中I為微弱泄漏電流，R1為采樣電阻。

根據圖3中元件參數計算，電壓放大電路的放大倍數為：

在絕緣子泄漏電流信號的頻率中，通常包含工頻50 Hz的基波成分，在異常狀態下可能還包括三次諧波和五次諧波[8，9]。而在實際應用中，由于環境的干擾影響，輸入信號常常會受到高頻干擾信號的影響，因此在將信號送入ADC轉換電路之前，必須進行濾波處理，濾除干擾信號。系統需要保留的信號主要包括基波、三次諧波、五次諧波等低頻信號[10，11]，因此設計低通濾波電路用于濾除高頻干擾信號。本文系統采用有源二階巴特沃斯濾波器，根據圖3中元件參數，計算二階低通濾波器的截止頻率為：

因為運算放大器的輸出電壓通常會存在直流偏置，因此需要設計一個高通濾波器將直流偏置電壓濾除。根據圖3中元件參數，計算一階高通濾波器的截止頻率為：

2.4? ADC轉換電路

ADC轉換電路對泄漏電流放大與濾波電路輸出的電壓信號進行采樣，將電壓信號轉換成主控芯片可以運算處理的數字信號，以便于進行測量、計算、存儲和發送等操作。ADC轉換電路的準確性和精度等性能指標直接影響到電壓信號測量的準確度，即絕緣子泄漏電流的準確度，因此采用高性能的ADC芯片并設計合適的外圍電路是設計的關鍵。

2.5? 主控電路

主控電路是由MCU及其外圍電路組成，其中MCU采用STM32F4芯片。該芯片以其出色的性能和低功耗特點而備受青睞，并具備豐富的外設資源，能夠滿足各種嵌入式開發需求。該MCU還配備了高達192 KB的SRAM內部存儲器，提供充足的運行內存，以便處理由ADC芯片傳輸的大量數據，主控電路的原理如圖4所示。MCU的外圍電路主要包括晶振電路和復位電路。復位電路的設計旨在應對可能發生的MCU程序跑飛和死機等異常情況以便及時對系統進行復位，確保系統的穩定運行。

3? 系統軟件設計

3.1? 軟件總體設計

系統的軟件設計包括泄漏電流信號采集單元、泄漏電流數據處理單元、數據存儲單元、無線通信模塊數據傳輸單元等，系統軟件結構框如圖5所示。

泄漏電流信號采集單元設置了ADC芯片的配置程序，控制ADC轉換電路對處理完成的泄漏電流信號進行數模轉換。數據處理單元是系統的核心部分，利用MCU對采集單元輸出的數據進行計算，并提取相關的泄漏電流特征值。數據存儲單元負責將MCU計算得出的泄漏電流數據存儲在TF卡中，以便長期保存。無線通信單元負責MCU與無線通信模塊之間的通信，以及無線通信模塊與云服務和終端之間的通信，實現將MCU計算得出的泄漏電流數據發送到終端的功能。

圖5? 系統軟件結構框圖

3.2? 無線通信單元

MCU與無線通信模塊之間采用RS232協議進行通信。無線通信模塊通過4G網絡將數據發送到云服務器。終端設備通過MQTT協議與云服務器建立連接，實現數據傳輸，并將數據顯示在終端界面上，無線通信單元的組成框如圖6所示。

圖6? 無線通信單元組成框圖

3.3? 終端顯示界面

終端顯示界面采用了QT框架，如圖7（a）所示。該界面用于監測某塔某回路的泄漏電流和其他指標，包括泄漏電流的有效值、三五次諧波分量、電流峰谷值以及超過特定電流閾值的脈沖數。當系統監測到異常數據時，通過無線通信單元將異常泄漏電流數據發送到終端界面，并在界面上顯示出來。如圖7（b）所示，運維人員可以回顧以往異常狀態下的泄漏電流波形。同時，終端顯示界面還提供了命令輸入框，使運維人員可以輸入命令來修改監測系統的工作參數或改變其工作狀態。通過使用QT框架設計的監測界面，用戶可以方便地進行直觀、靈活的操作。

（a）泄漏電流參數監測界面

（b）泄漏電流異常數據顯示界面

圖7? 終端顯示界面

3.4? 泄漏電流監測流程

在系統啟動后，系統程序進行初始化，并判斷是否下達了監測命令，如果下達了監測命令，則泄漏電流采集模塊控制ADC電路對泄漏電流放大與濾波電路輸出的電壓信號進行采集，并通過每秒內的所有采集電壓值計算出各種數據，如泄漏電流有效值、峰峰值、三五次諧波幅值等，最后通過無線通信模塊將這些數據發送至終端，系統軟件對泄漏電流的監測流程如圖8所示。

圖8? 泄漏電流監測流程圖

4? 系統實驗結果與分析

根據實際應用要求，本文設計了系統實驗。實驗為將泄漏電流信號輸入系統，記錄系統中ADC轉換電路采集到的相應電壓數據。將原始泄漏電流值與對應的電壓值進行擬合，得到二者的一次擬合直線，如圖9所示。

圖9顯示了實驗結果中原始泄漏電流值與對應的電壓數據的線性關系，兩者的線性度較好，通過一次擬合得到的擬合直線公式為：

f （x） = 2.017 7×（-0.054 2）

其中自變量x代表原始泄漏電流值，因變量f （x）代表系統ADC轉換電路采集到的電壓值，根據該擬合公式，系統可以準確計算出泄漏電流值，并記錄泄漏電流信號的波形，結果如圖10所示。

圖9? 泄漏電流與電壓數據擬合曲線

（a）泄漏電流信號原始波形

（b）示波器記錄系統處理后的泄漏電流波形

（c）系統記錄泄漏電流波形

圖10? 泄漏電流信號波形

通過對比圖10（a）（b）（c）三張圖中的泄漏電流信號波形，可以發現原始信號伴隨著各種高頻噪聲，而經過系統對泄漏電流的處理后，在保留原始信號的幅值，周期等重要信息的同時，有效地濾除了高頻噪聲的干擾。同時，實驗還記錄了泄漏電流原始信號的有效值，并與系統計算出的有效值進行對比，如表1所示。通過對比表的中兩項實驗數據發現，系統中測得的泄漏電流有效值與實際值之間的相對誤差小于2%。這說明系統在泄漏電流測量方面具有高度的準確性和穩定性。

表1? 泄漏電流有效值匯總

原始泄漏電流有效值/ mA 系統測得泄漏電流有效值/ mA

2.702 2.710

3.598 3.601

4.493 4.530

5.845 5.780

6.295 6.310

6.745 6.670

通過上述實驗分析得出結論，系統對泄漏電流信號進行處理后，能夠有效地濾除高頻噪聲，同時保留了重要的信號信息。此外，系統測得的泄漏電流有效值與實際值之間的相對誤差較小，表明系統具有準確且穩定的測量能力。

5? 結? 論

本文詳細研究了泄漏電流信號采集處理、采集和傳輸等技術，并設計了泄漏電流監測系統的軟硬件，其中包括泄漏電流放大與濾波模塊、ADC轉換模塊、主控模塊和無線通信模塊等。通過實驗驗證，系統能夠準確記錄泄漏電流信號的波形并計算出有效值驗證了系統監測泄漏電流數據的準確性。借助該系統，維護人員可以在終端界面上密切監測絕緣子泄漏電流的變化情況，從而判斷絕緣子可能發生污閃的風險，可以有效預防潛在的故障和事故，保障電力系統的正常運行。

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作者簡介：溫惠婷（1985—），女，漢族，廣東惠州人，工程師，碩士，研究方向：新能源及需求側管理、電力調度與地方電廠出力分析、錯峰用電與負荷調整、非統調電廠購電管理、客戶節能服務、售電業務對接等。