張?zhí)爝\(yùn)，毛慧明，王保山

（1.廈門ABB高壓開關(guān)有限公司，廈門 361009；2.西安西潤電器技術(shù)有限責(zé)任公司，西安 710075；3.中國電力科學(xué)研究院，北京 100085）

0 引言

目前，中國已有很多智能變電站投入了運(yùn)行，金屬氧化物避雷器（以下簡稱避雷器）的智能監(jiān)測也是智能變電站的重要組成部分。避雷器由于不帶任何間隙，在持續(xù)運(yùn)行電壓下有泄漏電流流過，泄漏電流會使避雷器不斷老化；另外由于受潮、電位分布不均勻、表面污穢電流、過電壓使避雷器過熱等原因都會引起避雷器劣化。避雷器劣化的明顯標(biāo)志是泄漏電流和阻性電流的顯著增加，所以實(shí)時監(jiān)測避雷器泄漏電流的變化情況非常重要。

常用的避雷器的智能監(jiān)測方法有智能監(jiān)測器（在普通監(jiān)測器內(nèi)增加RS485通訊系統(tǒng)[1-2]）和零磁通電流互感器監(jiān)測系統(tǒng)[3]等，在應(yīng)用中已有的智能監(jiān)測方法表現(xiàn)出各自的優(yōu)缺點(diǎn)。智能監(jiān)測器由于內(nèi)部有高性能氧化鋅電阻片，對監(jiān)測系統(tǒng)有一定的保護(hù)功能，但由于和避雷器接地系統(tǒng)相連，必須要有光電隔離系統(tǒng)；零磁通電流互感器監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無接觸監(jiān)測，但由于有強(qiáng)大的雷電流經(jīng)常流過避雷器，雷電流會在CT二次側(cè)產(chǎn)生極高的過電壓，損壞測試系統(tǒng)。這兩種監(jiān)測系統(tǒng)都必須接入供電系統(tǒng)和通過信號線傳送避雷器的運(yùn)行數(shù)據(jù)。因此，在現(xiàn)場施工中必須進(jìn)行系統(tǒng)布線，工程量大，施工麻煩。對于老舊電站的智能化改造，由于電纜溝已經(jīng)封閉就更麻煩。為了解決這些問題，筆者設(shè)計(jì)了無源無線型智能避雷器在線監(jiān)測傳感器，它能很好地解決上述問題，無需布線，安裝方便，應(yīng)用安全可靠。

1 無源無線在線監(jiān)測傳感器測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 無外接電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

無間隙氧化鋅避雷器根據(jù)電壓等級的不同，一般都有幾百微安到幾毫安的泄漏電流。能不能利用避雷器的泄漏電流存儲能量進(jìn)行避雷器的智能監(jiān)測？作者經(jīng)過研究計(jì)算是完全可以的。

作者經(jīng)過對文獻(xiàn)[1]中電路的實(shí)測，在供電電壓5 V的情況下，智能監(jiān)測用單片機(jī)系統(tǒng)耗能約30 mA，泄漏電流模擬測試系統(tǒng)耗電約20 mA；另外實(shí)測了市面上的SM51無線數(shù)據(jù)發(fā)射系統(tǒng)耗電約60 mA。完成一次數(shù)據(jù)采集到無線數(shù)據(jù)發(fā)射的時間不到1 s，按1 s計(jì)算，完成一次數(shù)據(jù)發(fā)射大約需要的能量：W=V×I×t=5×（0.03+0.02+0.06）×1=0.55（W）。

假如避雷器的泄漏電流約為600 μA（一般110～220 kV的避雷器），若充電電壓為6 V，充電到0.55 W需要的時間約為t=0.55/6/0.0006=1528（s），約為25.5 min。所以考慮到測量電壓等產(chǎn)生的能量損耗，30 min完成一次避雷器泄漏電流的采集和無線發(fā)送是完全可以的。對于10～35 kV低電壓等級的避雷器數(shù)據(jù)發(fā)送的周期是要延長。對于電壓等級高于220 kV的避雷器，發(fā)送周期就會縮短。當(dāng)然對于髙電壓等級的避雷器，為了保持大約30 min發(fā)送一次數(shù)據(jù)，有必要增加旁路電流，減慢充電速度。

大部分設(shè)備使用的儲能元件為可充電電池。但是對于該裝置，由于避雷器的泄漏電流很小，無法給充電電池提供可充電的能量。因此本裝置的儲能元件只能選用電容器儲能，由于普通的電解電容器儲能較小，所以作者選擇法拉電容器儲能，很好地解決了系統(tǒng)的電源問題[2-4]。

充電控制與保護(hù)電路見圖1。

原理說明：D是橋式整流電路，將避雷器的泄漏電流整流成直流電流，通過保護(hù)電阻和對法拉電容器C充電。R2和R3是充電電壓測量分壓器，R4和D2構(gòu)成基準(zhǔn)電壓。比較器電路是比較分壓器電壓和基準(zhǔn)電壓的大小，當(dāng)分壓器上的電壓高于基準(zhǔn)電壓時，比較器輸出控制信號，使電源輸出與穩(wěn)壓回路開始輸出工作電壓Vd。D1是過電壓保護(hù)支路，防止充電電壓過高，損壞電容器C。

圖1 充電控制與保護(hù)電路Fig.1 Charging control and protection circuit

1.2 泄漏電流的采集方法

一般情況下，避雷器運(yùn)行時需要監(jiān)測全泄漏電流和阻性電流。為了系統(tǒng)工作穩(wěn)定，需要隔離電流測量回路。本文采用電流互感器從主回路中獲得泄漏電流信號，全電流信號通過放大和有效值檢測電路變?yōu)橹绷麟娖?，輸入單片機(jī)A/D通道（一）輸入口。避雷器阻性電流有多種的檢查方法，文獻(xiàn)[5]IEC60099-5附錄D中推薦了無間隙金屬氧化物避雷器阻性電流的測試方法：1）利用電壓信號，補(bǔ)償泄漏電流中容性分量獲得阻性電流的補(bǔ)償法。2）利用施加電壓信號作為參考，在全泄漏電流對應(yīng)的電壓峰值點(diǎn)，直接讀取阻性電流峰值的相位法。3）利用泄漏電流的諧波分析，間接測定阻性泄漏電流的諧波法。4）功耗測試法等。

對于避雷器阻性電流的各種測試方法，其具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)：

1）補(bǔ)償法測試時，需要避雷器運(yùn)行電壓的信號。需調(diào)整補(bǔ)償支路的容性電流大小，和避雷器等值容性電流大小一致，兩信號相減可等到阻性電流值。優(yōu)點(diǎn)：測試簡單，能看到阻性電流波形。缺點(diǎn)：需要避雷器運(yùn)行電壓信號和幅值調(diào)整，使測量不便；還存在相間干擾問題，相間干擾是指A相電流或C相電流，受B相電壓通過雜散電容對避雷器泄漏電流相位的干擾，兩者全電流偏離了原來的相位。由于容性電流分量較大，通過補(bǔ)償法測得的A相阻性電流增大，而C相減小。對于220 kV及以上避雷器干擾已明顯，很難測試。對于500 kV的避雷器，一般測得C相的功耗為負(fù)值，說明完全不能使用補(bǔ)償法[6-8]。

2）利用電壓信號作為參考的相位法，由于一個周波只有一個測試點(diǎn)，再加上測試點(diǎn)的分散性，測到的阻性電流波動很大。和補(bǔ)償法一樣存在相間干擾問題。不適合220 kV及以上電壓等級的避雷器阻性電流的測試[9-10]。

3）諧波法是通過測量全泄漏電流中的諧波分量間接測量阻性電流的，由于阻性電流中含有較大的諧波分量，而容性電流中不含諧波分量，通過測量全電流中的3次諧波分量或高次諧波分量的和，通過阻性電流諧波分量和阻性電流峰值的關(guān)系，可以間接地測量出阻性電流值。優(yōu)點(diǎn)：不需要避雷器運(yùn)行電壓信號，不存在相間干擾問題。缺點(diǎn)：看不到阻性電流波形，系統(tǒng)電壓中的諧波分量影響測量的準(zhǔn)確性[11-13]。

4）功耗測試法最能準(zhǔn)確地表明避雷器的劣化情況，但同樣存在相間干擾問題，而且無法得到阻性電流的峰值，所以除避雷器老化試驗(yàn)外，采用的很少[14-15]。

綜上所述，作者選擇了諧波法測量阻性電流的測試方法。在全電流回路中，通過濾波電路得到諧波分量值，通過有效值檢測電路變?yōu)橹绷麟娖?，輸入單片機(jī)A/D（二）通道輸入口。由于諧波分量的大小與阻性電流的大小有差異，在單片機(jī)系統(tǒng)中，通過軟件，分多端給諧波分量不同的放大倍率，間接得到阻性電流的實(shí)際值。

對于避雷器阻性電流的測試誤差。在試驗(yàn)室，由于不存在相間干擾，大多數(shù)都采用補(bǔ)償法，測試誤差較??；對于諧波法，在試驗(yàn)室測量時，由于試驗(yàn)室電壓的諧波分量較大，測試的誤差會較大。由于在電力系統(tǒng)中電壓等級越高，系統(tǒng)電壓中的諧波分量很小，因此諧波法受到的影響會減小。

1.3 放電次數(shù)和放電時間的監(jiān)測

參照文獻(xiàn)[1]中的內(nèi)容，與本文放電次數(shù)的測量方法類似。避雷器放電時，通過繼電器節(jié)點(diǎn)的閉合輸入單片機(jī)系統(tǒng)獲得放電次數(shù)，在文獻(xiàn)[1]中通過記錄單片機(jī)系統(tǒng)時間得到放電時間。但對于無源系統(tǒng)，單片機(jī)大部分時間是休眠的，系統(tǒng)不工作，無法記錄放電時間。所以筆者采用了避雷器有放電信號時，立即啟動系統(tǒng)發(fā)送避雷器放電信號、接收端收到放電信號時的系統(tǒng)時間即為放電時間。

1.4 單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

單片機(jī)電路和文獻(xiàn)[1]相同，主要是改進(jìn)了部分軟件系統(tǒng)。由過去上位機(jī)控制的被動發(fā)送信號改為主動發(fā)送信號。為了防止無線信號的干擾，每次連發(fā)兩組數(shù)據(jù)。通過校驗(yàn)位驗(yàn)證信號準(zhǔn)確后，才記錄避雷器的運(yùn)行參數(shù)。

1.5 無線發(fā)送系統(tǒng)的研究

無線發(fā)送技術(shù)已經(jīng)是很成熟的產(chǎn)品技術(shù)，我們選擇了SM1型0.5 W發(fā)送模塊，經(jīng)過測試，在開闊地帶，通訊距離可達(dá)1500～2000 m。雖然變電站會有遮擋，完全能滿足無線通訊的需要。由于同一變電站的避雷器很多，為了防止相互間的干擾，可采用不同發(fā)射頻率，將避雷器分組傳送信號，當(dāng)然這就需要多個接收端。

本方案采用的數(shù)據(jù)發(fā)送方式為字頭ED、編號、放電次數(shù)、全電流、阻性電流、校驗(yàn)位。

1.6 電路原理框圖

電路原理框圖見圖2。

圖2 系統(tǒng)原理框圖Fig.2 System principle block diagram

2 無源無線在線監(jiān)測傳感器高壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

參考文獻(xiàn)[1]采用了高性能金屬氧化物電阻片作為傳感器的主要取樣器件。當(dāng)避雷器在正常持續(xù)工頻電壓下運(yùn)行時，監(jiān)測器兩端的電壓很低，金屬氧化物電阻片呈高阻狀態(tài)。避雷器的泄漏電流全部流經(jīng)計(jì)數(shù)、泄漏電流顯示和電容器充電支路；當(dāng)有沖擊電流流過避雷器時，金屬氧化物電阻片迅速導(dǎo)通，呈低阻狀態(tài)，沖擊電流絕大部分都流經(jīng)金屬氧化物電阻片。這時，施加在計(jì)數(shù)支路上的是電阻片的殘壓，由于高性能金屬氧化物電阻片優(yōu)越的非線性，這時電阻片上的殘壓并不高，計(jì)數(shù)、泄漏電流顯示和電容器充電支路經(jīng)過過電壓保護(hù)完全能夠耐受。

為了兼顧現(xiàn)場巡視的方便性，本設(shè)計(jì)保留了傳統(tǒng)的避雷器在線監(jiān)測器的放電計(jì)數(shù)器和泄漏電流表功能，便于巡視人員在現(xiàn)場觀測避雷器的放電次數(shù)和泄漏電流，同時在主控室計(jì)算機(jī)能讀取較詳細(xì)的避雷器運(yùn)行參數(shù)。

3 無源無線在線監(jiān)測傳感器外形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

由于避雷器監(jiān)測傳感長期在戶外運(yùn)行，容易發(fā)生密封不良而損壞的情況，密封性能和耐候性成為制約產(chǎn)品長期可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。本設(shè)計(jì)采用了精密鑄鋁外殼，通過機(jī)械力壓緊密封圈，改進(jìn)了文獻(xiàn)[1]通過密封膠粘接密封的方法，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固耐用，密封性好，防水防潮，解決了戶外運(yùn)行的耐腐蝕問題；另外，在鋁外殼的正下方設(shè)計(jì)有無線發(fā)射天線接口，能防止雨水對天線接口的浸蝕。

傳感器外殼下方兩個孔距85 mm，?11 mm的孔是固定監(jiān)測器和接地兩用的，監(jiān)測器上部?11 mm的孔是接避雷器接地端。避雷器必須安裝在絕緣支柱上，使避雷器的電流通過監(jiān)測器接地。安裝尺寸和普通的監(jiān)測器相同，利于直接更換。外形結(jié)構(gòu)見圖3。

4 無源無線在線監(jiān)測傳感器技術(shù)參數(shù)

目前無源智能在線監(jiān)測器分220 kV及以下系統(tǒng)用和500～750 kV系統(tǒng)用兩種。

圖3 無源智能在線監(jiān)測器外形圖Fig.3 Outline shape for passive wireless remote on line sensor

通過計(jì)算，這兩種產(chǎn)品的主要參數(shù)見表1。

表1 電氣性能Table 1 Electrical performance

5 結(jié)論

無源智能在線監(jiān)測傳感器從理論上實(shí)現(xiàn)了變電站避雷器運(yùn)行信號的無線傳輸和監(jiān)控，同時也得到了實(shí)驗(yàn)室和變電站運(yùn)行現(xiàn)場的實(shí)踐驗(yàn)證。

由于采用了無源智能化的設(shè)計(jì)，該裝置極大簡化了變電站現(xiàn)場施工的工作，為已經(jīng)投運(yùn)的變電站智能化改造提供了一種新的方法。

無源智能在線監(jiān)測傳感器正運(yùn)用在變電站智能化改造項(xiàng)目中，可以推廣到變電站的其它領(lǐng)域，值得進(jìn)一步的研究開發(fā)。

無源智能在線監(jiān)測器經(jīng)過試驗(yàn)室反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證和成都國網(wǎng)公司現(xiàn)場試運(yùn)行，均證明利用避雷器自身泄漏電流充電，完全能滿足測試系統(tǒng)和無線發(fā)射系統(tǒng)的能量需求。由于每次數(shù)據(jù)發(fā)送時間只有0.05 s左右，每相大約30 min發(fā)送一次數(shù)據(jù)，所以相互間的干擾是很小的。當(dāng)有干擾時，可以通過校驗(yàn)位排除干擾。遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，抗干擾能力好。