李佳奇，李 斌，劉碧琦，耿莉娜，馬一菱，李 爽

（1.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，沈陽 110006；2.國網遼寧省電力有限公司，沈陽 110006）

0 引言

交流無間隙金屬氧化物避雷器（以下簡稱避雷器）由于具有優(yōu)異的電氣性能，自20世紀80年代開始在電力系統(tǒng)得到廣泛的應用，取代了傳統(tǒng)的碳化硅（SiC）避雷器。避雷器的電位分布是否合理直接關系到整支避雷器的運行壽命。它的芯體是由幾片乃至上百片電阻片串聯(lián)而成的電阻片柱，由于電阻片柱對地雜散電容的作用，在無均壓措施的情況下，電阻片柱的電位分布是很不均勻的。上部電阻片較下部電阻片承受的電位高得多，使整支避雷器的老化速度加快，甚至發(fā)生熱崩潰。隨著避雷器電壓等級的升高，避雷器的高度也隨之增高，避雷器電位分布的不均勻程度也越來越嚴重[1-6]。

國網遼寧電力科學研究院在20世紀80年代，首次提出了用光纖-電流法測量避雷器的電位分布，解決了無法測量避雷器電位分布的難題，并編入GB11032—1989版標準中，此方法一直沿用至今[7]。光纖-電流法以光纖方式進行有線數(shù)據傳輸，其不足在于一套光接受機接受測量點位有限、擴展性不強、光纜鋪設工作量大、測量探頭內電池壽命短等；測試人員在對若干只測試點進行測試時只能反復查看單一通道波形，頻繁更換測量探頭電池等工作量大。同時將測量探頭的測試數(shù)據以光纖為媒介傳出避雷器外，光纖易損壞。特別是，由于避雷器受安裝地點及環(huán)境、氣候的影響，在避雷器投入運行時對溫度分布進行監(jiān)控是非常必要的。見圖1。

圖1 光纖-電流法現(xiàn)場安裝圖Fig.1 Installation diagram of fiber-current method

為了解決現(xiàn)有檢測中的技術問題，研制了一種避雷器電位分布及溫度分布無線快速檢測系統(tǒng)，其目的是實現(xiàn)對避雷器閥片分布電位及溫度分布情況進行同步檢測，提高測量數(shù)據準確度，化簡檢測過程，保障了人身安全。

1 系統(tǒng)設計原理

避雷器在正常運行電壓下，可等效為若干只電容相互串接，對于單一避雷器閥片而言，可等效為一只容性元器件。將采樣探頭串聯(lián)在避雷器閥片中，且該采樣探頭的阻抗小于避雷器閥片的阻抗10個數(shù)量級以上，因而采樣探頭的接入不會造成整只避雷器的電位分布情況的改變[8-10]。采樣探頭的尺寸和避雷器的閥片相同，可靈活安置于避雷器閥片柱的任何位置；采樣探頭內裝有無線數(shù)字傳輸芯片，可與外部測試基站進行無線通信，完成測試結果的無線傳輸，達到快速實現(xiàn)避雷器投運前分布電位及分布溫度的檢測，滿足避雷器健康狀況，為后續(xù)進行均壓決策提供參考數(shù)據[11-14]。

采樣探頭上方為導電金屬，采樣探頭下方設置一單面導電的金屬板，通過導線將避雷器閥片的泄漏電流I接入到采樣探頭傳感器內部，經I/U轉換將信號傳出。將采樣探頭上方開一直徑3 mm的孔，同時將一熱敏電阻安裝于孔的出口位置，滿足安裝時和避雷器內部的閥片相互接觸，以實現(xiàn)避雷器閥片溫度的實時測試，采樣探頭內部示意圖見圖2。

圖2 采樣探頭內部示意圖Fig.2 Schematic diagram of sensor

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 信號調理電路設計

在這里采用了串聯(lián)電阻的方式實現(xiàn)避雷器內部閥片泄漏電流的I/U轉換。為提高測試精度，設計一量程選擇電路SW，利用不同的跳線帽選擇接入被試回路的采樣電阻為R2、R5、R7之一，使得泄漏電流產生的分布電位的動態(tài)范圍滿足實際現(xiàn)場需求。引入了基準源電路REF，實現(xiàn)了外接零基準電平的移位，以滿足交流正負半周信號的測試。同時加入雙向穩(wěn)壓管DW1，DW2滿足過電流情況下的系統(tǒng)保護。C6、R8、C7構成π型濾波器消除泄漏電流中的干擾。經處理后的信號接入AVR的模擬輸入端。信號調理電路見圖3。

圖3 信號調理電路Fig.3 Signal conditioning circuit

2.2 系統(tǒng)鋰電池電壓采集電路設計

為了實現(xiàn)調理后的各模擬量的準確采集，選擇具有10 bit模數(shù)轉換精度的AVR處理器，在測試電位分布及溫度采集之前，應先確定系統(tǒng)的電池電壓Ubat。設計了兩只1%精度的10 kΩ電阻R15、R16對探頭內電池電壓進行二分壓，從而可以確定系統(tǒng)鋰電池電壓Ubat：

式中：Uref為FLUKE萬用表測試到基準源REF的電壓值；ADbat為CPU讀取到的R15、R16抽頭處AD值；ADref為CPU讀取到的基準源REF的AD值。

2.3 系統(tǒng)電位分布采集與溫度采集電路設計

采用R13，即NTC-MF52型1%精度熱敏電阻測試溫度。并與10 kΩ電阻R14相串聯(lián)，則避雷器閥片溫度變化將改變R14電阻值。通過測試R13、R14中心抽頭的電壓Utemp，可反推出熱敏電阻對應的電阻值。先確定Utemp：

式中，ADtemp為CPU讀取到的R13、R14抽頭處AD值。

由式（1）和式（2）得到

由此，根據NTC-MF52熱敏電阻的阻值分度表確定測試點溫度。同時，程序中設定模擬通道進行對時間的積分采樣，實現(xiàn)被測模擬量有效值的運算。以上測試過程在測試基站發(fā)出查詢指令時，各測試探頭內主控芯片控制具有低導通電阻的MOS管Q1導通并啟動測試程序，其余時間CPU控制MOS管截止，整機進入低功耗狀態(tài)。測試到的避雷器閥片泄漏電流有效值、閥片溫度值及可充電鋰電池的電量以數(shù)據包的形式由無線通信模塊傳出到避雷器外，并由測試基站完成各測試探頭采集數(shù)據的接收。測試探頭內部電路圖見圖4。

圖4 數(shù)據采集電路圖Fig.4 Data acquisition circuit diagram

2.4 無線數(shù)據傳輸模塊

由于無線通信模塊安裝于鋁制采樣探頭內，且探頭安裝于避雷器瓷外套內部，故采用低頻段的LORA通信模塊，以實現(xiàn)較好的無線信號穿透能力以及抗干擾性能。

3 系統(tǒng)程序設計

3.1 采樣探頭部分程序設計

采樣探頭采用星型拓撲結構，各采樣探頭起始工作狀態(tài)為上電后完成AVR內部定時器及寄存器的初始化。各個采樣探頭等待測試基站發(fā)出的無線喚醒指令，如果沒有喚醒指令，則繼續(xù)休眠模式，并繼續(xù)等待測試基站發(fā)出的無線喚醒指令，以節(jié)省電量[15]。當各個采樣探頭同時接受到測試基站發(fā)出的無線喚醒指令，則立即對測試到的信號以0.1 ms的采樣間隔進行連續(xù)的模擬數(shù)字轉換。將連續(xù)5000次的模擬數(shù)字轉換結果，即25個工頻周波采集點對時間取積分，得到當前采樣探頭對應閥片該段時間的泄漏電流有效值。為了避免各個采樣探頭同時發(fā)送測試結果數(shù)據造成的數(shù)據沖突，以Tn的延遲時間向外發(fā)送采樣探頭號、分布電位值、溫度值并將內存數(shù)據寫入EEPROM，以便于后期的二次查詢[16]。其中

式中：Tn為各只探頭從測試結束至發(fā)送測試結果的時間延遲；N為采樣探頭號。

執(zhí)行完上述操作后，采樣探頭再次進入睡眠模式，等待測試基站再次發(fā)出的無線喚醒指令，以達到低功耗的效果。采樣探頭程序流程圖見圖5。

3.2 PC端處理分析系統(tǒng)

PC端處理分析系統(tǒng)軟件采用DELPHI編程，并鏈接SQL數(shù)據庫，可同時實現(xiàn)采樣速率設定，采樣參數(shù)設定、數(shù)據統(tǒng)計與查詢。采樣與分析結果以圖形樣式展現(xiàn)，使測試人員對電位分布及溫度分布情況作出分析。當電池電壓小于3.6 V時發(fā)出報警，小于3.3 V時停止測試。

4 應用

4.1 采樣探頭安裝設計

750 kV等級的避雷器由4節(jié)構成，每一節(jié)避雷器內部又由若干避雷器閥片組成。與避雷器閥片外形一致的多個采樣探頭和避雷器閥片間隔串聯(lián)接入，以無線方式實現(xiàn)對各個閥片的電位分布及溫度分布進行檢測。避雷器內部采樣探頭安裝示意圖見圖6。

圖6 采樣探頭安裝示意圖Fig.6 Schematic diagram of sampling probe installation

4.2 試品

試驗用避雷器型號YH20W1-648/1491，由4節(jié)構成。避雷器總高7.6 m，構架高4 m。雙層均壓環(huán)上環(huán)外徑800 mm，中環(huán)外徑1100 mm，下環(huán)外徑2400 mm，罩入深度1360 mm。

4.3 采樣探頭布置

避雷器閥片173片，直徑136 mm，厚度20 mm。每節(jié)9個采樣測點，共計36點。上數(shù)第一節(jié)上法蘭為測點1、2、……、9，上數(shù)第二節(jié)測點10、11、……、18，以此類推共計36個測點。采樣探頭現(xiàn)場安裝圖見圖7。

圖7 采樣探頭安裝現(xiàn)場圖Fig.7 Picture of sampling probe installation

4.4 試驗結果

對750 kV避雷器，其相電壓為

避雷器施加433 kV工頻電壓，同時在上位機軟件設定好參數(shù)后，由測試基站發(fā)出喚醒指令，則各采樣探頭同步采集當前避雷器閥片各測點數(shù)據的分布電位、溫度情況及電池的電量，并由式（4）采用無線方式以固定的時間間隔Tn將各測試點的信息發(fā)送至測試基站，歷時約12 s完成一次采集并將測試結果在上位機界面以曲線形式顯示。同步采集方式可避免由于電網波動造成的采集數(shù)據的不一致性，提高了采集結果的精度。測量數(shù)據見表1，避雷器電位分布曲線見圖8。

表1 電位分布測試結果Table 1 Test results of potential distribution

圖8 避雷器電位分布曲線Fig.8 Lightning arrester potential distribution

4.5 分析與計算

避雷器電位分布不均勻系數(shù)為

式中：n=1，2，3，……n，取Ku最大值；Ku為雜散電容引起的電位分布不均勻系數(shù)；Un為第N片閥片兩端的電壓；Cn為第N片閥片的電容值；Cˉ為閥片的電容平均值；Uc為避雷器的持續(xù)運行電壓；m為避雷器中的閥片數(shù)。

將式（7）迭代入式（6），得到

避雷器的所有閥片電容經折算成平均電容量

則由式（8）推導出

通過計算分析，滿足750 kV金屬氧化物避雷器不均勻系數(shù)小于15%的要求。

5 系統(tǒng)的誤差來源及修正

5.1 系統(tǒng)基準源誤差及修正

由于測試探頭系統(tǒng)電源為鋰電池，供電電壓會隨著電量的消耗而不斷降低，對各個模擬量的測試結果造成偏差。

雖然AVR內部集成了2.56 V的基準源，但此基準源的溫飄較大，且不同批次的CPU由于制造工藝的差異引起內部的基準源與實際標稱2.56 V基準相差較大。

為提升測試正確度，采用信號調理電路中高精度低溫飄的1.23 V基準源REF作為探頭內部基準。由于鋰電池工作電壓為3.3～4.2 V，在極限情況下也不會引起基準源REF電壓的改變。采用FLUKE萬用表確定每只探頭的基準電壓Vref，并分別將該此基準電壓Vref寫入對應探頭CPU的程序代碼中，使模擬信號轉換結果更加準確。

5.2 采樣電阻誤差及修正

采樣電阻的準確度決定了I/V變換結果正確性，故選擇1%精度的采樣電阻，在焊接后通過FLUKE萬用表確定采樣電阻的實際值，并寫入程序代碼中。將每只測試探頭的測試結果與ACT-110-A避雷器阻性電流測試儀校驗裝置進行校準，測試探頭校準結果見表2。

表2 測試探頭校準結果Table 2 Calibration results of test probe

6 結論與展望

以無線采集方式進行避雷器電位分布及溫度分布測試，實現(xiàn)了同步采集，提高了測試精度，大大縮短了測試的前期準備時間。以光纖作為數(shù)據傳輸通道的改進產品，增加了測試人員與高壓設備的安全距離。該系統(tǒng)可及時發(fā)現(xiàn)避雷器投運前內部絕緣受潮及閥片老化等危險缺陷，維護費用低，有較高的使用價值與應用前景。若在難以外部供電的高壓檢測場合結合導線取電技術，則可以不間斷地實現(xiàn)高壓設備健康狀況的在線監(jiān)測。