張 翔 韋納斯 王展印 李瀟童 方勝利

(湖北汽車工業(yè)學院 電氣與信息工程學院電氣工程系，湖北 十堰442002)

關鍵字：MOA；實時檢測；特征電氣參數；監(jiān)測系統(tǒng)

MOA 利用其自身優(yōu)良的非線性伏安特性，使得當系統(tǒng)過壓時保持其兩端電壓不超過規(guī)定值，從而保護與其并聯(lián)運行的電氣設備免受過電壓沖擊。而其自身性能隨著帶電運行時間、吸收過電壓次數及環(huán)境溫度/濕度的改變而改變，當其性能老化后，不僅不能起到過壓保護功能，還可能引起熱崩潰，甚至爆炸事故。因此對其性能參數的實時檢測是預防電力事故的有效措施之一。通過分析可知，其阻性泄露電流是表征其性能的關鍵參數。目前國內外對MOA 性能的檢測方法很多，主要有離線高壓沖擊法和在線特征參數檢測法兩種，其中離線高壓沖擊法由于需要MOA 在停運的狀態(tài)下進行，因此受限條件較多，現在大部分均采用基波法、諧波分析法、補償法等在線檢測法。

本文在研究其自身運行電氣參數的基礎上，利用單片機作為主控單元，結合其他外圍電路模塊采用分布式結構設計了變電站MOA 遠程在線檢測系統(tǒng)。

1 MOA 等值電路分析

對MOA 的內部結構及其特性進行分析后，可得到其等值電路，如圖1 所示。

圖1 MOA 等值電路

通過分析可知：當MOA 正常運行時，阻性泄露電流iR一般很?。╩A 級）；當MOA 性能老化后，iR則會有較大幅度的提高。

對圖1 進行電路分析，可知其阻性泄露電流為：

為防止由于iR較小而導致檢測不準確，可采用高精度電流互感器感知總泄露電流iX和容性泄露電流iC，然后通過式（1）求解iR，最后對iR的大小進行比較和分析即可對MOA 的性能進行評估。

2 檢測系統(tǒng)總體設計

根據系統(tǒng)設計要求，在信號檢測端首先對被檢測電流參數iX和iC進行電流互感器CT 傳感和信號調理，然后通過MCU 的A/D 外設得到相應的數字量，并經數據計算得到iR，最后將iR的分析和比較結果傳輸至人機交互端，通過聲光提示向監(jiān)控人員反饋MOA 性能的檢測結果。此外，為同時對變電站的多臺MOA進行性能檢測，本系統(tǒng)采用分布式結構，并通過RS485 進行數據通訊。其總體設計如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)總體設計圖

3 信號檢測端設計

根據檢測原理及要求，對每臺MOA 的總泄露電流數iX和容性泄露電流iC進行傳感、調理及A/D，然后通過MCU 的內部數據計算得到阻性泄露電流iR，最后經通訊電路將數據發(fā)送出去。

3.1 CT 傳感部分

考慮到原始檢測信號的準確性，本系統(tǒng)采用精度為0.1s、二次側額定電流為1A 的電流互感器CT 對iX和iC進行傳感，其二次側輸出低于1A 的電流信號。

3.2 信號調理部分

該部分電路的作用是采用相關模擬電子元器件將電流信號轉換為相應的電壓信號，并經過信號隔離、濾波和RMS 檢測最終得到iX和iC的有效值。

其中在電信號轉換部分，通過雙極性高精度集成運放AD706 及并聯(lián)保護二極管、電阻、電容等外圍分立器件，將電流信號轉化為電壓信號，并將其按照預定的增益系數放大；在信號隔離、濾波部分，以集成運放OP07 和RC 電路組成二階濾波器，實現電信號的低通濾波，然后通過電壓跟隨器實現電信號的隔離作用；在RMS 檢測部分，主要以模擬器件LTC1966 為核心，通過其內部集成電路將交流信號轉換為與其有效值成正比的直流電壓信號，并通過反相并聯(lián)二極管構成的鉗位電路對輸出的電壓信號進行0～3.3V 的限幅。

此外，為實現各集成電子器件的預定功能，本部分還設計了±15V、5V 及3.3V 電源電路。首先經過電源變壓器將220V交流市電降壓至16V，經由IN4007 組成的橋式整流電路進行不可控整流。其次經分別通過LM317、LM337、LC 濾波電路及瞬態(tài)抑制二極管等相關外圍電路產生±15V 直流電源，為AD706、OP07 等模擬器件供電。再次，采用L7805 三段降壓穩(wěn)壓管及外圍電容將15V 直流電源降至5V，為LTC1966 供電。最后經AMS1117-3.3V 三段降壓穩(wěn)壓管及外圍電容將5V 直流電源降至3.3V，為數據處理/控制單片機供電。

3.3 MCU 部分

該部分主要利用單片機的A/D 外設及內部運算處理器計算iR，并通過其集成的UART 外設實現與通訊部分的數據交互?？紤]到最終計算結果的準確度和功能要求，本系統(tǒng)采用28 引腳封裝的MSP430I2021 型號單片機，其自帶2 個24 位高精度獨立A/D，能實現同步采樣功能，此外還集成有2 個16 位計時器和1個UART 通信外設，能滿足本系統(tǒng)數據采集和異步通信需求。該部分電路如圖3 所示，其中LED 用于表征內部程序運行正常與否。

圖3 MCU 部分電路

3.4 通訊部分

該部分主將單片機內部TTL 電平轉換成與RS485 電氣特性相符的差分信號, 用于信號檢測端與人機交互端的遠距離通信。其電路如圖4 所示。

圖4 通訊部分電路

4 人機交互端設計

置于變電站監(jiān)控室的人機交互端主要與信號檢測端的數據通信及聲光提示功能，當信號檢測端判斷某MOA 性能老化時人機交互端對應發(fā)出一定頻率的聲光報警，同時監(jiān)控人員可進行消警操作。其通訊部分信號檢測端一致（見圖4）。對于MCU部分，考慮到其UART 外設功能和多臺MOA 的檢測要求，選用28 引腳封裝的MSP430I2021 型號單片機，其集成有16 個GPIO口，因此可同時對16 臺MOA 的性能進行監(jiān)測，該部分電路類似與信號檢測端。對應于某臺MOA 的聲光提示部分電路如圖5所示。

在圖5 中，若經信號檢測端判斷該MOA 性能正常，則MCU控制端口PX.y 輸出低電平，則三極管S9013 不導通，無聲光提示；反之，則控制端口PX.y 輸出一定頻率的高、低電平，則發(fā)出對應頻率的聲光提示。此外，若監(jiān)控人員已獲知該MOA 性能異常情況，可通過自鎖式按鍵S1 消除聲光提示報警。

5 系統(tǒng)測試

對以上設計的系統(tǒng)進行樣件制作，然后在實際變電站進行調試，最終進行實際測試。對3 臺已老化的MOA 測試，測試結果顯示在人機交互端均有異常報警；而對另外6 臺近期更換的MOA 進行測試，測試結果顯示在人機交互端無任何異常報警，可知該系統(tǒng)對MOA 性能的檢測和判斷準確率為100%，且通過長時間的試運行，該系統(tǒng)均能穩(wěn)定可靠工作，完全滿足設計要求。

6 結論

本文在對MOA 特征電氣參數進行分析和研究的基礎上，結合當前MOA 檢測方法，設計了基于單片機的變電站MOA 遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)，其采用分布式系統(tǒng)結構可同時對變電站內多臺MOA 的性能檢測，經過實際測試，該系統(tǒng)準確度高，且穩(wěn)定可靠，滿足了MOA 性能的在線監(jiān)測要求。