基于无线同步电流法工作原理的避雷器带电检测方法

洪卫东 沈谢林 彭炜文

（国网福建省电力有限公司泉州供电公司）

0 引言

避雷器 （MOA） 阻性电流带电检测仪是进行对氧化锌避雷器 （MOA） 的泄漏电流的带电检测， 是通过测试阻性电流来判断氧化锌避雷器 （MOA） 的受潮或老化的情况。避雷器在长时间运行时会出现阀片老化和绝缘受潮等缺陷， 从而导致氧化锌避雷器 （MOA）阻性电流的增大， 甚至热崩溃， 影响电网安全运行，所以要定期进行前瞻性试验， 确保氧化锌避雷器（MOA） 工作状况是否良好。

实际避雷器带电检测试验中， 由于电流测试线的不足， 存在以下问题：

问题1： 电流测试线长度太短。

问题2： 电流线短无法进行三相同时测量， 试验数据不利于分析。

问题3： 电流线短无法进行三相同时测量， 工作强度加大。

问题4： 电流测试线增加试验安全隐患。

问题5： 电流测试线无法满足低阻状态下避雷器泄露电流的有效接入。

综上所述， 要解决问题， 只需将电流测试线实现无线化、 高精度CT 采样即可。因此需要研发出一款新型氧化锌避雷器带电检测装置。

1 研究内容

1.1 无线同步电流测量模块的研发

内部组成框图如图1 所示。泄露电流传感器， 输入范围AC 0.1~20mA， 满足各种电压等级变电站的使用要求。

图1 无线同步电流测量模块

图2 无线同步电流测量技术的氧化锌避雷器带电测量装置

AD 芯片采用Ti 生产ADS8353， 多路输入， 速度700Ksps、 16 位、 同步采样ADC。无线模块包含无线同步模块、 无线通讯模块， 两种模块不受波特率、 通讯距离影响， 使测量分机和仪器主机的通讯速度达到无线电波传输速度 （光速） 。无线通讯模块工作频段， 不会影响无线同步模块， 每个无线模块都有64位FEC前向纠错能力， 不会产生模块间互相干扰的现象。

1.2 基于无线同步电流测量技术的氧化锌避雷器带电测量装置的研发

内部组成框图如下：

整套装置包含1 个三相相电流同步采集模块， 1个参考电压采集模块以及1 台主机。

主机发送同步信号， 给3 相电流采集模块， 启动电流采集模块A/D 同步采样， 每个交流信号周波采集256 个点， 达到12.8k 采样速率。每秒将采集的电压、 电流数据汇总到主机进行FFT 计算， 最终得到全电流、 阻性电流、 角度等试验结果。

2 实施方案

2.1 无线双模组同步通信技术

本项目智能无线同步电流法避雷器带电测试仪采用无线双模组同步通信技术 （如图3）， 无线双模组同步通信技术主要部分由主控芯片、 无线射频模组1、 无线射频模组2 组成。

图3 无线双模组同步通信技术

本次设计的避雷器带电测试仪选用GD32F407ⅤET6 型号主控芯片 （北京兆易创新生产）， 其分别通过串口2 和无线射频模组1 硬件连接， 通过SPⅠ2 和无线射频模组2 硬件连接， 其中：

（1） 主控芯片的25 脚PA2 （USART2_TX） 连接无 线 射 频 模 组1 的 第1 脚CC_RX； 26 脚PA3（USART2_RX） 连 接 无 线 射 频 模 组1 的 第2 脚CC_TX； 29 脚PA4 （BUSY） 连接无线射频模组1 的第3 脚CC_BUSY； 30 脚PA5 （CS） 连接无线射频模组1 的第4 脚CC_CS。在数据传输的过程中， 主控芯片 将30 脚PA5 （CS） 拉 低， 29 脚PA4 （BUSY） 为0Ⅴ， 使系统处于空闲状态。无线射频模组1 检测29脚是否处于低电平， 若电平为0Ⅴ， 则开始进行数据传输。由25 脚PA2 （USART2_TX） 以9600 波特率向系统传输金属氧化锌避雷器监测数据， 26 脚PA3（USART2_RX） 同步检验报文是否发送成功， 直至数据全部传输完毕。此时， 主控芯片将30 脚PA5 （CS）抬高， 29 脚电平为3.3Ⅴ， 处于运行状态， 停止数据上传。

主控芯片的51 脚PB12 （SPⅠ2_NSS） 连接无线射频模组2 的第1 脚SX_CS； 52 脚PB13 （SPⅠ2_SCK）连接无线射频模组2 的第2 脚SX_SCLK； 53 脚PB14（SPⅠ2_MⅠSO） 连 接 无 线 射 频 模 组2 的 第3 脚SX_OUT； 54 脚PB15 （SPⅠ2_MOSⅠ） 连接无线射频模组2 的第4 脚SX_ⅠN。在数据传输过程中， 主控芯片将51 脚PB12 （SPⅠ2_NSS） 拉低， 系统处于低电平状态。此时， 无线射频模组2 的第1 脚SX_CS 为0Ⅴ， 处于空闲状态， 可延后1ms 将主控芯片中的实验数据上 传。即 由 主 控 芯 片54 脚PB15 （SPⅠ2_MOSⅠ） 以500KHz 频率向系统传输金属氧化锌避雷器测试数据， 53 脚PB14 （SPⅠ2_MⅠSO） 同步检验报文是否发送成功。数据传输完毕后主控芯片将51 脚PB12（SPⅠ2_NSS） 抬高， SPⅠ2 口中断接收， 等待下一次数据传输。

2.2 信号采集与处理环节硬件设计

本次设计的硬件电路主要由信号采集放大滤波电 路， ADS8353 外 部 电 路、 GD32F407ⅤET6 与ADS8353 连接电路， GD32F407ⅤET6 外扩RAM 电路三部分组成， 其中：

2.2.1 信号采集放大滤波电路

一般避雷器运行时泄漏电流为mA 级。为进一步提升测量精度， 本次设计时采用超微晶合金磁芯材料的新型HⅠOKⅠ9657-10 电流传感器。该装置可根据输出电压与泄露电流的比例关系， 精准计算泄漏电流数值。同时， 上述计算过程中还可设置信号放大电路、 抗干扰装置等， 增强输出电压信号的稳定性、 可靠性和有效性， 从而避免直接测量泄漏电流时存在的误差。

在设置信号转换电路时， 可采用ADS8353 数模转换器 （此转换器单端或差分模拟输入信号，信号区间为4Ⅴ或者2Ⅴ， 最高输入信号可以达到12Ⅴ， 其中内置参考 电 压Ⅴr， 为2.5Ⅴ或3Ⅴ）， 选择单端输入模式， 设置内置参考电压Ⅴr 为4Ⅴ输入区间为12Ⅴ。

在设置滤波放大电路时， 可采用OP297 运算放大器作为ADS856 的前置滤波放大， 滤波放大电路， 如图4 所示。该元件能够将可将ADS8353输入端信号放大千倍， 可满足新型HⅠOKⅠ9657-10电流传感器的放大需求 （将输出信号由mⅤ级放大到Ⅴ级） 。同时， 还要设置截止频率调整为400Hz， 并将模数转换芯片输入的区间与输入电压信号运放进行适配， 从而抑制金属氧化锌避雷器泄漏电流中的基波和三次谐波。

图4 滤波放大电路

2.2.2 ADS8353 外部电路、 GD32F407ⅤET6 与A/D连接电路

ADS8353 是6 个通道16 位高精度模数转换器， 这些通道可以并行采样转换。本系统设计COⅤ A 与COⅤ B 并 联 一 起2 通 道 同 时 转 换。ADS8353 有两种工作模式， 软件模式或硬件模式。工作在软件模式的功能设置是通过内部 32位控制寄存器进行实现； 工作在硬件模式的功能通过配置引脚接口进行实现。本系统选择硬件工作模式。设计ADS8353 连接外围电路时， 在ⅤCC和ⅤSS 引脚需接0.1pF 和10uF 组成去耦电路， 电容尽量靠近器件ⅤCC 和ⅤSS 供电端， 已达到更加的去耦效果， 电路的连接引脚如图5 所示。其功能如表1 所示。

表1 关键引脚功能

图5 关键引脚设置

上述信号转换过程中， 模数信号转换器的管脚cov-x 处于上升沿时， 可进行模数信号转换。操作过程中管脚busy 始终处于高电平状态， 转换时间持续25μs； 转换完毕后管脚busy 恢复低电平状态， 可进行模数信号跟踪， 将数据存储到寄存器 内。cs 为 片 选 信 号， cs 置 低 读 取 有 效， cs 每 置低 一 次， 单 片 机GD32F407ⅤET6 即 读 信rd 有 效 读取一组转换数据， 本系统采样4 通道只读取三个三相电流值， 读取3 组通道数据需要分3 次读取完成， 读取时序如图6 所示。

图6 读取时序图

3 结束语

基于无线同步电流法工作原理的避雷器带电检测仪实现电流测量无线化， 可以满足长距离避雷器间隔带电测量需求， 无线通讯距离可以达到几百米， 能够满足任何电压等级变电站。

采用钳形电流传感器法， 能进行高精度电流采样， 能够准确获取避雷器运行中持续电流， 适用于不同工况。所以说无线同步电流法工作原理的避雷器带电检测仪在日常带电检测试验中会得到很好的应用及普及。