氧化锌避雷器在线监测系统的设计

沈阳电气传动研究所（有限公司） 张 茜

针对氧化锌避雷器工作中氧化锌阀片发热甚至热击穿、老化、内部放电及径向放电而损坏避雷器的现象，提出了一种能自动地连续进行监测、数据处理和诊断分析的氧化锌避雷器在线监测的设计方案。该方案具有较好的抗干扰能力和合理的监测灵敏度，监测结果具有较好的有效性和可靠性、能及时准确地反映氧化锌避雷器的运行状况。

避雷器主要应用于电力系统，其作用是限制由线路传来的雷电过电压或由操作引起的内部过电压。金属氧化锌避雷器（MOA)具有非线性特性好、通流能力强、造价低的特点，它的正常运行对保证安全供电起着重要作用。但MOA在实际运行过程中存在以下问题：

（1）有泄漏电流流过氧化锌阀片将使阀片发热，导致氧化锌阀片老化，直到出现热击穿。

（2）MOA阀片在冲击电压能量的作用下发生老化。

（3）MOA内部受潮或内部绝缘支架绝缘性能不良而加大功耗，严重时可导致内部放电。

（4）MOA时常受到雨、雪、凝露及灰尘的污染，可能会发生径向放电现象，严重时有可能损坏避雷器。

当MOA存在内部受潮和阀片老化等缺陷时，一般可以通过停电试验可以检查出来，但在电网电压及环境等因素长期作用下MOA会产生劣化，有导致停电事故的可能。因此设计一套氧化锌避雷器在线带电监测系统，实时有效快速发现MOA受潮、老化及损伤等缺陷，对预防故障发生，确保电网的安全稳定运行具有重要的意义。

1 组成及工作原理

本文设计的氧化锌避雷器在线监测系统以工控机为核心，由测试传感器、放大与滤波、相位差检测及A/D转换、数字滤波、单片机为检测单元组合成在线监测系统。

通过传感器获取被测量设备的电压和电流信号，分别经过前置处理单元、后级电路处理以及被测量设备的电压和电流信号的相位差处理单元，再由单片机进行A/D转换、软件滤波传送到上位机，在上位机内根据预设不同型号MOA的伏安特性（如图1所示）及工作要求。

图1 MOA的伏安特性

进行数据分析、处理，得到氧化锌避雷器运行的电流、电流峰值及电流与电压相位差，显示并储存母线的电压被测MOA的、电流数值和波形。

氧化锌避雷器在线监测系统的原理框图如图2所示。

图2 氧化锌避雷器在线监测系统原理框图

2 设计方案

2.1 硬件设计

2.1.1 电流、电压信号采集设计

避雷器的电流信号由电流传感器采集，母线的电压信号由互感器采集。

（1）氧化锌避雷器总泄漏电流的采集是整个系统的关键，直接影响系统的可靠性和准确性，泄漏电流的采集具有以下几个难点：

a.设备正常运行时的泄露电流比较小，一般只有微安级；

b.工作现场环境是高压大电流场合，电磁干扰严重；

c.测量的电流传感器反映速度要快；

d.避雷器在过流保护时的动作电流幅值远远大于正常运行时候泄露电流。

市面上的电流传感器无法满足设计的技术要求，经综合考虑选用磁平衡原理特别设计的微电流传感器，电流传感器的测量端被串接到避雷器的接地回路。

（2）特别设计的磁平衡原理电流传感器是在聚磁环开一道缝隙，缝隙里面安装霍尔元件用来检测磁环的磁通量，将被测的电流（原边）线圈与输出（次级）的电流线圈分为逆向分别绕制在磁环上，当原边线圈有电流流过时会在聚磁环处所产生一个磁场作用到霍尔元件上，霍尔元件的输出电压发生变化，将霍尔元件的输出电压进行处理，转化为电流信号也即是次级电流，因次级的电流线圈逆向绕制在磁环上，这样次级电流也会在聚磁环处所产生一个与原边电流产生的磁场方向相反的磁场作用到霍尔元件上，当原边与次级产生的磁场大小相等（方向相反）时，作用在霍尔元件的磁场为零，次级电流信号保持相对稳定。次级电流的频率、相位与原边的电流信号相同，但其幅值可根据原边电流与原边线圈匝数的乘积与次级电流与次级线圈匝数的乘积相等的关系计算出次级电流的数值。

（3）利用趋肤效应阻止电磁波透入的原理，选用磁导率高的金属材料制成电磁屏蔽装置，把电流传感器包在金属壳内，将运行环境中的干扰磁通量屏蔽。

（4）电流传感器是串接在避雷器的接地回路，避雷器在过流保护时的动作电流可能达到0.7A，为确保避雷器能够正常工作且有雷击时起到保护作用，同时又不能损坏电流传感器的原边线圈，根据这种特殊的工作状态，采用两级电流变化方式解决。第一级的原边线圈和次级线圈选用截可以承载1.5A电流的导线，在霍尔元件的控制电路中增加限压、限流电路处理，连接到第二级的原边线圈得到放大的避雷器漏电流信号，这样既能准确测量正常状态下的泄露电流，也能保证避雷器在过流保护时可靠工作。

（5）电压信号由母线电压互感器( PT)二次侧获取。2.1.2 信号处理电路设计

将采集到的电压和电流传感器信号分两路进行处理，前置处理电路具有信号放大和模拟滤波功能。为抑制噪声和干扰信号采用高输入阻抗、低噪声、高共模抑制比的精密仪表放大器将信号放大到设计的数值，然后经过放大的信号进入模拟滤波电路。采集的电压和电流信号均为工频50Hz正弦波，本设计采用工程中常用的二阶有源低通滤波电路，抑制检测电路里的噪声和干扰信号。

AD转换器一般不能够采集电负电压信号，采集负电压信号需要复杂的电路转换。为方便AD转换器采集信号，利用差分放大器做加法运算，将信号进行平移再输出到AD转换器。

考虑到低通滤波电路对信号产生相位变化，将两个仪表放大器的输出直接进入相位差计算电路。电路由零位比较器、双稳态触发器、高频率脉冲发生器等组成，测量出氧化锌避雷器的电压和电流信号之间的瞬时相位差。

2.1.3 单片机及数字滤波设计

单片机的工作包括模拟量的采集、计算、数据的处理、上位机采集指令的接收、RS485总线通讯以及传输等方面。系统采用STM8S003F3单片机作为中央处理单元进行设计，STM8S003F3单片机包含ADC1和ADC2两个模拟量输入通道，它们均是10位的逐次比较型模拟数字转换器。两路处理后的电压信号，接入单片机的模数转换器的输入端，经模数转换器转换为数字量后单片机对此数字量进行滤波运算。

氧化锌避雷器的电压和电流信号之间的瞬时相位差是脉冲信号，接入到STM8S003F3单片机的数字输入端由单片机直接计算。单片机与上位机之间采用RS485总线的方式进行通讯，采用标准的ModBus协议进行数据传输，保证数据传输的准确与可靠。

2.2 软件设计

软件设计主要包括单片机的数据采集软件和上位机氧化锌避雷器伏安特性数学模型的建立、对采集数据分析及处理软件及相互之间的通讯几个方面。

采集的电压、电流信号进行同步采样。在单片机的程序中，当一路模数转换器采样后就进行锁存，然后另一路模数转换器采样并锁存，分时采样，由于其采样转换速度足够快，可视同为同步采样。在测量电流的程序中设定了两个临时变量i、j以及其它参与计算的一些变量，主要有电压峰值求和变量、平均值变量电压及AD采集数值的缓冲区；定义一个存放波形、电压最大值的缓冲区。当开机或复位后，单片机进行初始化、自检后进行AD转换，由于每一个波形均要进行AD_COUNT次采集，因此在程序中用for循环来实现；同理，由于需要对VOLTAGE_MAX_COUNT个波形进行采集，因此外层循环也采用for循环，循环次数为VOLTAGE_MAX_COUNT次。在完成对每个波形的AD_COUNT次AD采集后，需要对AD_COUNT个数据进行处理，将数据依次排序存储在voltage_value_buf[]数组中，其中的数值为电流的瞬时值，整个数组中的数值按照冒泡法排序，这个值为最大的电流峰值。采用高次谐波计算法即按照得到的总泄漏电流送入逻辑分析单元进行分析，计算容性电流的峰值，再送入减法单元与总泄漏电流作减法运算得到阻性电流。为避免程序收到外来干扰，在程序中设计了若干个软件“看门狗”，经长期运行证明软件安全可靠。

将建立的氧化锌避雷器伏安特性数学模型预装到上位机，在接收到单片机采样得到的设备电压、电流的原始波形和数值的数据后，与数学模型对应型号的氧化锌避雷器伏安特性进行比较、分析，通过理论计算做出判断，上位机依次循环的对现场的多路电压、电流的测试数据接收，计算阻性电流值，在显示屏显示氧化锌避雷器的泄露总电流值和阻性电流值曲线、母线电压值曲线，并定时保存数据。

本文设计的氧化锌避雷器在线监测系统已经在多个现场进行实际应用，实践表明，该系统功能齐全、可靠性好、使用方便。