分体式避雷器底座泄漏电流在线监测装置设计

黄 义，吴 静，胡奕挺

(1.国网台州供电公司，浙江 台州 318000；2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006)

金属氧化锌避雷器底座分为整体式和分体式2种，分体式避雷器底座一般由绝缘瓷瓶、绝缘套和金属螺栓组成，运行一段时间后，水分和杂质往往会经由瓷瓶与螺栓之间或瓷瓶与避雷器底座之间的缝隙侵入内部，导致螺栓锈蚀和污秽。而内部绝缘套和瓷瓶也有由于金属螺栓的热胀冷缩导致损坏。出现上述情况后会出现电流泄漏，从而使底座绝缘电阻显著下降的问题。底座绝缘不良将导致在线监测全电流数值偏低，不能准确监视避雷器的实际运行状态。同时，也极易引起断裂、破损等缺陷，影响避雷器的稳定性。金属氧化锌避雷器的泄漏电流[1-2]在线测量是评估其非线性电阻片劣化程度的重要指标，开发性能优良的在线监测装置实现对其泄漏电流的监测具有重要的实际意义。

针对金属氧化锌避雷器在线监测装置的设计与研究，文献[1]采用数字波形分析系统提取泄漏电流中阻性电流分量的峰值，传感器采用磁环-线圈型传感器，试验结果验证该系统的有效性。文献[3]指出了准确地测量阻性泄漏电流是实现金属氧化锌避雷器运行状态在线监测的关键因素。文献[4]对氧化锌避雷器在线监测系统的监测进行了分析，并给出了克服相间干扰影响阻性泄漏电流准确测量的方法。文献[5]结合现场缺陷案例分析了避雷器底座绝缘缺陷对避雷器正常工作的影响，指出了在线监测装置的重要性。文献[6]指出了红外测温在线监测和高压预防性试验相结合是对氧化锌避雷器运行监测的合理方式。文献[7]针对配电网的线路结构复杂、设备分散的特点，提出了构建氧化锌避雷器分布式在线监测系统，从而保证避雷器的安全稳定运行。文献[8]开发了一种基于短距离无线通信的便携式氧化锌避雷器在线测试仪，该氧化锌避雷器阻性电流的三次谐波分量可经过一系列的分析推导计算得出。文献[9]基于DSP实现了氧化锌避雷器在线监测系统的软硬件设计。文献[10]介绍了MOA-RCD型无间隙金属氧化物避雷器阻性电流测量仪的现场正确使用方法。文献[11]提出了一种基于DSP的新型分布式金属氧化锌避雷器在线监测系统。文献[12]介绍了无间隙氧化锌避雷器的现场带电测试的实践经验。文中针对避雷器底座绝缘缺陷，通过改善分立式避雷器外部材质结构达到消除底座绝缘缺陷的目的。

为了解决前述问题，本文采用了一种分体式避雷器底座泄漏电流在线监测装置，通过改善分体式避雷器的底座绝缘性能，具体通过增设安全防腐材料，将基础钢座底部增加排水孔，同时在瓷瓶与引下线之间加装绝缘性能良好的硅橡胶垫。此外，在绝缘底座底部安装电流传感器，在线监测绝缘底座泄漏电流，并提取出阻性电流的三次谐波含量；在基础钢杆底部安装湿度传感器，监测钢杆内部水汽含量。通过设定阈值，当检测到泄漏电流高于阈值时，将传输结果发送至现场监控终端，通过WIFI无线通信装置将检测结果传输给后台监控，后台监控人员根据检测结果启动检修方案，确保避雷器运行状态稳定无异常。

1 在线监测装置总体架构

分体式避雷器底座泄漏电流在线监测装置包括现场采集模块、现场监控模块以及后台监控。现场采集模块主要包括电流传感器、湿度传感器、WIFI无线通信模块。现场监控模块主要包括单片机、报警模块、显示模块。电流传感器和湿度传感器检测的信号通过WIFI无线通信模块传输给单片机[13]，单片机通过综合分析将检测结果反馈给后台监控。同时根据检测结果发出控制命令控制报警模块动作。该在线监测装置的操作流程如图1所示。

a.由于绝缘底座在室外，经常会经受雨水冲洗，造成绝缘底座的金属螺栓生锈，导致泄漏电流偏大。因此将金属螺栓替换成不锈钢螺栓。

b.由于绝缘底座与法兰连接处密封性不好，因此添加防水效果好的密封胶。

c.在金属材料外表涂抹刷镀液，防止进一步腐蚀。

d.由于避雷器绝缘底座存在很多缺陷，其平台的密封性也较差，从而导致在雨、雪天气时，积水较易流入底座，由于底座是密封状态，没有排气口，导致大量水分积存，从而使避雷器底座绝缘偏低。因此，在基础钢杆底部增设排水孔，确保钢杆内没有积水。

为了进一步在线监测绝缘底部的绝缘性以及快速查找故障，在绝缘底座下方安装电流传感器，实时检测泄漏电流大小。同时，在基础钢座底部安装湿度传感器，检测钢杆内部湿度。

2 现场采集模块

2.1 电流传感器

在线监测装置中电流传感器选用的是ACS712电流传感器[14]，该传感器是由Allegro公司推出的一种线性电流传感器，该传感器是由铜制电流通路以及霍尔传感器电路构成，该铜制电流通路靠近芯片表面，而另一部分采取精确的低偏置线性电路，具有响应时间快、灵敏度高、噪声低、几乎零误差、绝缘电压高等特点。其电流监测模块电路图2所示。

线性电流传感器ACS712-20A的器件内置采用线性霍尔传感器电路，且常被应用在电流监测模块电路中，其精确的低偏置能有效输出与检测的交流或直流电流成比例的电压，由于输出电压与电流线性相关，因此，实际检测电路电流约在0～4 A范围变动，该传感器的输出电压在2.5～2.9 V变化，ΔV=0.4 V，而单片机要求检测输入电压为0～5 V。

由此，为了实现电位的移动以及信号的放大，可将具有一级差分输入比例的运算放大器加入到传感器当中，相应的该运算放大电路图由多种结构构成，如电阻R3、R4、R5、R6以及运放OP1177等。令电压V1、V2为2.5 V，放大倍数采用12.5，可满足相应要求。

2.2 湿度传感器

湿度传感器选用的是DHT12电容型数字传感器[15]，该传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合型传感器。具有体积小、低功耗、使用简单等优点。如图3所示，该图为湿度传感器检测电路图。

图3中，所采用的电路是带有电容的电容型湿度传感器，其中的湿敏元件可作为敏感元件，且是采用有机高分子材料构成的，是由其独特的吸湿性能和膨润性能而组成的，属水分子亲和力型湿敏元件，当其吸湿后，介电常数会发生很明显的变化，变为高分子电介质，由此可将其做成电容式湿敏元件。同时，该电路是2个时基电路IC1、IC2组成，图3中的556即双时基电路，也就是2个555多谐振荡器构成，与此同时，时基电路IC1以及外围元件构成多谐振器的主要部分，主要作用是产生触发IC2的脉冲，而脉冲发生器是由IC2和电容型湿敏元件及外围元件组成，具有调节脉冲宽度的作用，调节脉冲宽度将会影响湿敏元件的电容值的大小，而电容值的大小又进一步可决定空气中的相对湿度，图3中IC2的9号管脚为调宽脉冲的输出管脚，输出信号为直流信号，途经电阻R5、C3滤波，其输出电压幅值与空气的相对湿度成正比，其灵敏度为2 mV/%RH。

3 单片机及辅助模块

单片机选择ATMEGA8L型号单片机[16-17]。图4为系统的主控制电路图。

主要功能是用于读取各检测模块的信号，处理检测数据、向执行部分发送控制信号。该电路由ATMEGA8L单片机U1，电容C1、C2、C3、C4、C5、晶振Y1、电感L4组成。ATMEGA8L单片机是主控芯片。单片机的PB0～PB2端口用于检测湿度传感器的输入信号；PD0～PD2端口为输入接口，其作用是为了检测电流传感器的输入信号；P2为程序下载接口；电容C3等构成复位电路；图5中的滤波电路是由电容C4、C5以及电感L4组成，其功能是滤除高频信号，从而保证单片机的正常工作。

为了更好的进行短信收发，其GSM短信收发模块主控制电路如图6所示。当湿度传感器和电流传感器检测值超出阈值，不仅可以通过传输给远程监控中心，还可以通过短信形式发送给运维值班人员。图中的模块采用的是TC35I，其引脚众多，约40个，并通过1个零阻力插座ZIF(Zero Insertion Force)连接器引出。这40个引脚可以划分为5部分，即电源、数据输入/输出、SIM卡、音频接口和控制。图中的I/O口可控制TC35I的开关机、复位等，并且通过串口可实现数据通信，其通信速率大小为9600 kbps，采用8位异步通信方式，1位起始位、8位数据位、1位停止位。

4 结束语

从改善避雷器底座绝缘性能的角度出发，文中提出了一种分体式避雷器底座泄漏电流在线监测装置，通过增设安全防腐材料，将基础钢座底部增加排水孔，同时在瓷瓶与引下线之间加装绝缘性能良好的硅橡胶垫。采用湿度传感器和霍尔电流传感器实现对避雷器底座绝缘和泄漏电流的在线监测。通过设定一定阈值，当检测到泄漏电流超标时，将传输结果发送至现场监控终端，通过远程无线通信，将检测结果传输给后台监控平台。同时现场监控终端根据检测结果，启动报警装置，可提醒现场维护人员避雷器出现故障，以便能及时维修。