劉晉孝，祝嘉喜

（1.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司曲靖局，云南 曲靖 655099；2.西安西電避雷器有限責(zé)任公司，西安 710200）

MOA－BC型避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)的研制

劉晉孝1，祝嘉喜2

（1.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司曲靖局，云南 曲靖 655099；2.西安西電避雷器有限責(zé)任公司，西安 710200）

MOA－BC型避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測避雷器的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行，是非常必要的。介紹了MOA－BC型避雷器在線監(jiān)測裝置的原理設(shè)計(jì)、傳感器的選用、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)傳輸。該避雷器在線監(jiān)測裝置系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了避雷器狀態(tài)參數(shù)的采集、轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、分析、存儲(chǔ)、現(xiàn)場顯示及數(shù)據(jù)上傳。具有測量精度高、實(shí)時(shí)記錄和分析、掉電保存數(shù)據(jù)、高低壓回路隔離等特點(diǎn)。

避雷器；在線；監(jiān)測

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電力設(shè)備二次系統(tǒng)測量、保護(hù)裝置的數(shù)字化發(fā)展，電力系統(tǒng)對測量、保護(hù)、控制和數(shù)據(jù)傳輸智能化、自動(dòng)化及電網(wǎng)安全、可靠和高質(zhì)量運(yùn)行的要求越來越高，具有測量、保護(hù)、監(jiān)控、傳輸?shù)冉M合功能的智能化、小型化、模塊化、機(jī)電一體化電力設(shè)備，對電網(wǎng)安全、可靠和高質(zhì)量運(yùn)行具有重要意義。以電力設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測為基礎(chǔ)的狀態(tài)檢修已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)智能化變電站并最終建立智能電網(wǎng)的核心技術(shù)之一。電力設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測是指通過傳感器、計(jì)算機(jī)及通訊網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，獲取設(shè)備運(yùn)行的實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)，并進(jìn)行綜合分析處理，對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判定[1]。避雷器是電網(wǎng)中的重要保護(hù)設(shè)備，對避雷器的在線監(jiān)測技術(shù)的研究和應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)避雷器狀態(tài)檢修的發(fā)展方向。

1 避雷器在線監(jiān)測的現(xiàn)狀

氧化鋅避雷器是一種重要的過電壓保護(hù)裝置，因其具有優(yōu)良的非線性和大通流容量等優(yōu)點(diǎn)而在電網(wǎng)中廣泛應(yīng)用，是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的有力保障。隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對供電可靠性的要求越來越高，不停電在線狀態(tài)監(jiān)測的發(fā)展勢在必行，避免了通常預(yù)試工作中試驗(yàn)周期間隔時(shí)間長，預(yù)試試驗(yàn)施加電壓較低，試驗(yàn)條件與運(yùn)行狀態(tài)相差較大的缺點(diǎn)。

在線帶電監(jiān)測系統(tǒng)主要是在運(yùn)行電壓下對氧化鋅避雷器的全電流、阻性電流、容性電流、避雷器動(dòng)作次數(shù)等參數(shù)進(jìn)行測量。正常情況下，流過避雷器的主要電流為容性電流，阻性電流只占很小一部分，為10%-20%。但當(dāng)閥片老化、避雷器受潮、內(nèi)部絕緣部件受損以及表面嚴(yán)重污穢時(shí)，容性電流變化不多，而阻性電流卻大大增加[2]。

2 阻性電流的測試

2.1 避雷器阻性電流的測試原理

1）補(bǔ)償法。其基本原理為用PT二次側(cè)的電壓信號來補(bǔ)償容性電流分量，進(jìn)而得到阻性電流。

2）基波法。其基本原理為用PT二次側(cè)的電壓信號與泄漏電流信號進(jìn)行FFT計(jì)算，得到電壓和電流基波分量的幅值和相位，將基波電流在基波電壓上投影從而得到阻性電流的基波分量[3]。

3）三次諧波法。其基本原理為通過對避雷器的泄漏電流信號進(jìn)行FFT計(jì)算，從而得到避雷器阻性電流的三次諧波分量，然后通過阻性電流值與三次諧波存在的一定比例關(guān)系得出阻性電流的峰值[4]。

以上幾種方法中，基波法和三次諧波法都因?yàn)槠浞椒ǖ木窒扌?，不能完整反映避雷器老化和受潮時(shí)阻性電流的全部變化，因此我們選用了補(bǔ)償法，對采集信號經(jīng)過數(shù)字化處理后，通過上位機(jī)的高速程序處理，從而得到穩(wěn)定可靠地阻性電流值。

2.2 MOA-BC型避雷器在線狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)阻性電流測試的工作原理

MOA-BC型避雷器在線狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)阻性電流測試的基本原理如1所示。避雷器在線狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)由電流采集處理量單元、電壓采集處理單元和 IED（Intelligent Electronic Device）單元組成。電流采集處理量單元從MOA的引下線處，通過電流互感器經(jīng)過高精度A/D采集避雷器的泄漏全電流，電壓采集處理單元從分壓器或電壓互感器側(cè)經(jīng)過高精度A/D采集避雷器的參考電壓Uc，在得到泄漏全電流和參考電壓的有效值的同時(shí)，將數(shù)字化后的I0和Uc波形上傳至IED單元，通過高速、高性能的微控單元將電壓信號Uc相位前移90°±α°相位后并經(jīng)幅值增益調(diào)整后與相減，同時(shí)根據(jù)由乘法運(yùn)算的結(jié)果組成的自動(dòng)反饋跟蹤，以控制Uc的幅值增益G和相移角度值α將其結(jié)果做為容性電流IC，使同相的（IC-GUC0）的差值結(jié)果降為零（可控制在一定數(shù)值范圍內(nèi)），即中的容性分量全部被補(bǔ)償?shù)?，剩下的即為阻性分量IR。同時(shí)電流采集單元實(shí)現(xiàn)泄漏全電流I0的計(jì)算及動(dòng)作計(jì)數(shù)次數(shù)的采集輸出，電壓采集單元實(shí)現(xiàn)運(yùn)行電壓UC的采集輸出。

圖1 MOA-BC型避雷器在線狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)阻性電流測試原理圖Fig.1 Working principle diagram of intelligent monitoring device for surge arrester

3 MOA-BC型避雷器在線狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)

MOA-BC型避雷器在線狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)見表1。

4 MOA-BC型避雷器在線狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 傳感器

本系統(tǒng)裝置的電流采集采用CT線圈技術(shù)，CT線圈選用了自補(bǔ)償式零磁通電流傳感器，其采用了獨(dú)特的深度負(fù)反饋補(bǔ)償技術(shù)，通過線圈的特殊繞制，能夠?qū)﹁F芯的激磁磁勢全自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償，保持鐵芯在測量范圍內(nèi)都工作在接近理想的零磁通狀態(tài)，具有很高的測量精度和較好的穩(wěn)定性[5]。

4.2 IED單元

1）按照國家DL/T860《變電站通訊網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)》的規(guī)定[6]，從電站的運(yùn)行安全來考慮，在IED單元處理完成的數(shù)據(jù)需要按照IEC61850的協(xié)議規(guī)約，通過光纖上傳至上位機(jī)。

表1 避雷器在線狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)Table1 Technical parameters of online monitoring device for surge arrester

2）為實(shí)現(xiàn)信號采集后的快速、復(fù)雜、大量數(shù)據(jù)的運(yùn)算，本系統(tǒng)選用了基于ARM CortexTM－M3的Stellaris LM3S6000系列的微控器。A/D數(shù)據(jù)采集芯片的選用 24位 216 kHz模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）PCM4220，其集成了線性相位抽取濾波器引擎，支持典型與較低的群延遲濾波器響應(yīng)，同時(shí)支持時(shí)分多路復(fù)用功能，簡化了電路板布局與系統(tǒng)分區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)了高集成度與高動(dòng)態(tài)范圍的結(jié)合[7]。

4.3 MOA-BC型避雷器在線狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的組網(wǎng)

MOA-BC型避雷器在線狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖2，整個(gè)系統(tǒng)由一臺(tái)或多臺(tái)IED處理單元和配套的多只電流采集處理單元IM、電壓處理單元組成UM組成。電流采集單元IM和對應(yīng)相線的電壓采集單元UM通過通訊線纜經(jīng)RS485接口上傳數(shù)據(jù)至IED單元，IED單元進(jìn)過快速、復(fù)雜、大量數(shù)據(jù)的運(yùn)算實(shí)現(xiàn)避雷器泄漏全電流、容性電流、阻性電流、動(dòng)作計(jì)數(shù)次數(shù)及避雷器運(yùn)行電壓的獲得并監(jiān)測，從而對避雷器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷，再將測量結(jié)果儲(chǔ)存在IED存儲(chǔ)器中的同時(shí)將監(jiān)測結(jié)果按照IEC61850通訊規(guī)約，通過光纖上傳至上位監(jiān)控機(jī)，并通過管理軟件在上位機(jī)的顯示屏上顯示[8]。

圖2 避雷器在線監(jiān)測裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.2 Topology diagram of the on-line monitoring device for surge arrester

4.4 程序軟件

本裝置系統(tǒng)附帶強(qiáng)大管理功能的軟件系統(tǒng)。軟件包括功能菜單項(xiàng)、通訊信息等參數(shù)設(shè)置、采集單元ID號的設(shè)置、避雷器狀態(tài)參數(shù)的讀取、泄漏全電流、阻性電流波形顯示及歷史數(shù)據(jù)的讀取。用戶軟件包括動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)讀取、定時(shí)報(bào)告文件、避雷器動(dòng)作事件文件及歷史數(shù)據(jù)文件的讀取。

5 試驗(yàn)及比對

由于各廠家避雷器的非線性電阻片的性能參數(shù)各有不同，同時(shí)由于避雷器的電壓等級、在各個(gè)電站的位置等外在因素的影響，以及隨著避雷器的長期運(yùn)行避雷器的整體性能改變等原因，避雷器的泄漏電流和參考電壓的相位角會(huì)有所改變，本裝置采用了動(dòng)態(tài)自動(dòng)補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算方法，彌補(bǔ)了現(xiàn)在市場上大多數(shù)采用固定相位角度補(bǔ)償方法的不足，從而可以長期、穩(wěn)定、可靠地獲取避雷器的阻性電流值[10]。同時(shí)由于了電流采集采用CT線圈技術(shù)，本產(chǎn)品可以適用不同電壓等級的避雷器產(chǎn)品的配套。

在試驗(yàn)室進(jìn)行了實(shí)際使用中的幾種不同試驗(yàn)方法及不同避雷器試品的比對試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 避雷器工頻漏電流試驗(yàn)數(shù)據(jù)比對Table 2 Comparison of test data for power frequency leakage current of arrester

通過以上比對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，MOA－BC型避雷器在線監(jiān)測裝置與實(shí)驗(yàn)室測量系統(tǒng)和在線測試儀器的試驗(yàn)結(jié)果，全電流最大偏差為3.5%，阻性電流最大偏差為3.8%。其結(jié)果滿足要求，適用于各個(gè)電壓等級避雷器的在線監(jiān)測的需要。

6 結(jié)語

該避雷器在線監(jiān)測裝置采用了無源自補(bǔ)償式零磁通電流傳感器和深度負(fù)反饋補(bǔ)償技術(shù)，以及Stellaris LM3S6000系列的微控器，采用先進(jìn)的數(shù)字化處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)避雷器容性電流的動(dòng)態(tài)自動(dòng)全補(bǔ)償，有效降低了電壓諧波分量對阻性電流峰值測試結(jié)果的影響，實(shí)現(xiàn)了避雷器在線阻性電流等狀態(tài)參數(shù)的采集、轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、分析、存儲(chǔ)、現(xiàn)場顯示及數(shù)據(jù)上傳，具有測量精度高、實(shí)時(shí)記錄和分析、掉電保存數(shù)據(jù)、高低壓回路安全隔離等特點(diǎn)。

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Development of MOA-BC Type Online Monitoring System for Arrester

LIU Jinxiao1，ZHU Jiaxi2
（1.China South Grid Corp，UHV Transmission Company，Qujing Bureau，Qujing 655099，China；2.Xi’an XD Arrester Co.，Ltd.，Xi’an 710200，China）

The MOA－BC type online monitoring system for arrester is able to monitor the operating state parameters of the surge arrester in real－time，which is very necessary to ensure the safe operation of the power system.The principle design，sensor selection，data processing and data transmission of the MOA－BC type on－line monitoring system for surge arrester are introduced.The state parameters of the arrester are collected，transformed，data processing，analysis，storage，display and data upload by this type of arrester on－line monitoring system，which has the characteristics of high measuring accuracy，real－time recording and analysis，data saving，high and low voltage circuit isolation，etc.

arrester；on－line；monitoring

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.03.019

2016－04－01

劉晉孝（1985—），男，助理工程師，從事電氣系統(tǒng)及其自動(dòng)化、高電壓工作。