CN102841234A - 无间隙金属氧化物避雷器无残压监测装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及避雷器在线监测技术领域，尤其涉及一种无间隙金属氧化物避雷器无残压监测装置及测量方法。是通过无残压的方法对避雷器运行状态进行在线监测。本发明包括外壳体和内部电路板：在体上设有外盖，外盖开有显示屏窗口，LED显示器安装在端盖上从窗口中显示；外盖上还设有凸起、电缆穿线孔及插座；内部电路板包括：传感器部分、中央处理器MCU、时钟电路、存储电路、信号测量及变换电路、保护电路及通信电路。本发明能够在线监测避雷器全电流、阻性电流、动作次数等参数，并具有本地显示、远程通讯、数据存储等功能。适用于各电压等级避雷器的在线监测，可以完全替代传统的全电流表和动作计数器，其应用前景广阔。

Description

无间隙金属氧化物避雷器无残压监测装置及测量方法

技术领域

本发明涉及避雷器在线监测技术领域，尤其涉及一种无间隙金属氧化物避雷器无残压监测装置及测量方法。是通过无残压的方法对避雷器运行状态进行在线监测。 

背景技术

随着电子技术的进步和对MOA研究的深入,逐渐出现了一些在线监测仪器。这些仪器携带方便,使用简单,不用停电拆除MOA,采用人工巡检的方式,直接测量MOA的泄漏电流、电压等性能参数,大大提高了工作效率，避免了离线监测的诸多不便。但是MOA的运行工况非常复杂,相间耦合电容和系统电压谐波的影响相互交织在一起。采用上述这些在线监测仪器对MOA进行监测还存在着检测精度低，实时性不够等缺点。如今现场应用的避雷器在线监测装置内部都安装电阻片，这样就使得装置在受到雷击时留有残压，并且此类装置只能测量全电流峰值，无法测量阻性电流值，缺少了避雷器状态的一个重要判据。传统的避雷器监测装置也不具有远程通信功能，不符合当前智能变电站的基本要求。 

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提供了一种无间隙金属氧化物避雷器无残压监测装置及测量方法。目的是为了实现各电压等级避雷器的在线监测，可以完全替代传统的全电流表和动作计数器， 显著提高工作效率。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 

无间隙金属氧化物避雷器无残压监测装置，包括外壳体和内部电路板：在体上设有外盖，外盖开有显示屏窗口，LED显示器安装在端盖上从窗口中显示；外盖上还设有凸起、电缆穿线孔及插座； 

内部电路板包括：传感器部分、中央处理器MCU、时钟电路、存储电路、信号测量及变换电路、保护电路及通信电路； 

其中互感器连接在壳体内，互感器引出线与电路板接线端子相连；电路板引线避雷器泄漏电流直接进入信号测量及变换电路，在经过信号变换后进入中央处理器MCU；时钟电路与中央处理器MCU连接；存储电路也与中央处理器MCU连接；中央处理器MCU直接发送数据到保护电路及通信电路，通过标准的RS485电平传输到远端。 

所述的显示屏窗口由工程透明塑料密封。 

所述的凸起为耳状，设有两个。 

所述的外盖材质为铸铝。 

所述的插座设有两个，为五芯金属航空插座，其中第三芯为通信接口，第二芯为电源接口；插座的插头部分焊接五芯屏蔽电缆。 

所述的互感器采用小电流穿心互感器。 

所述的中央处理器MCU采用C8051系列高性能单片机，具有12位AD和SPI、UART接口。 

无间隙金属氧化物避雷器无残压监测测量方法是：避雷器的泄漏电流经过无间隙金属氧化物避雷器无残压监测装置的穿心式电流互 感器，电流信号进入电流电压转换电路，把电流变换成电压信号，在经过电压信号调理电路后变换成MCU可以接受的电压幅值，最后进入MCU进行计算，在经过DFT离散傅立叶变换后，采集的电流信号分解出全电流和阻性电流的基波值，在显示屏以轮询方式显示数据并存在FLASH存储器中，存储数据的指针存放在E2PROM中，可以多次擦写；当上位机请求发送数据时，MCU通过数据通信系统接收到命令，并通过UART串口发出相应返回数据。 

所述的把电流变换成电压信号是采用高频互感器感应大电流的出现，当有大电流通过高频互感器后，在互感器二次侧输出一定的幅值的电流，经过比较电路后形成脉冲信号并直接触发MCU中断功能，此时MCU记录雷电流或过电压发生一次，并且把实时时钟系统所记录的时间一起存入FLASH存储器中。 

本发明具备的功能是：能够在线监测避雷器全电流、阻性电流、动作次数等参数，并具有本地显示、远程通讯、数据存储等功能。装置适用于各电压等级避雷器的在线监测，可以完全替代传统的全电流表和动作计数器。装置也具有远程通信功能，采用MODBUS-RTU协议，标准RS485通信接口，通信参数可灵活配置，方便与综合状态监测单元（主IED）进行通信。带有时间戳的全电流、阻性电流和动作次数等监测数据可以在装置内部存储1年以上。当装置所监测的避雷器电流值超过用户设定值时，将输出报警信号，及时发现避雷器老化或受潮问题，防止故障的发生。

本发明具有如下优点及有益效果： 

监测装置采用穿心式互感器取样，测量精准，通过雷击电流时不会残留压降，并且对取样信号进行调理后送入到处理器，经过DFT算法提取出基波及三次谐波，从而得出更精确的全电流和阻性电流值，运行人员可以方便的查看避雷器的运行状态。能够在线监测避雷器全电流、阻性电流、动作次数等参数，并具有本地显示、远程通讯、数据存储等功能。适用于各电压等级避雷器的在线监测，可以完全替代传统的全电流表和动作计数器，其应用前景广阔。达到的效果：①加快MOA工况判断的速度和精度；②实现远程监视与故障预测；③减少监测费用。MOA远程在线监测具有较大经济效益和社会意义。 

附图说明

图1是本发明的结构框图； 

图2是本发明的外部结构示意图； 

图3是本发明的内部结构示意图。 

图中：显示屏窗口1，互感器2，插座3，凸起4，外盖5，中央处理器MCU 6，存储电路7、Flash存储器8，信号测量及变换电路9、放大电路10,基准源电路11，负电压电路12，保护电路13，电容14，保护电路及通信电路15，电压瞬态抑制管16，时钟电路17，比较器18。 

具体实施方式

下面结合本发明的具体实施例和附图，对本发明加以详细描述。 

本发明是一种无间隙金属氧化物避雷器无残压监测装置及测量方法。 

无间隙金属氧化物避雷器无残压监测装置，硬件部分主要包括： 

外壳体和内部电路板：壳体上设有外盖5，外盖5开有显示屏窗口1，LED显示器安装在端盖上从窗口中显示；外盖5上还设有凸起4、电缆穿线孔及插座3；内部电路板包括：传感器部分、中央处理器MCU 6、保护电路及通信电路15、存储电路7、信号测量及变换电路9、电容14。其中互感器2连接在壳体内，互感器2引出线与电路板接线端子相连；电路板引线避雷器泄漏电流直接进入信号测量及变换电路9，在经过信号变换后进入中央处理器MCU 6；时钟电路17与中央处理器MCU 6连接；存储电路7也与中央处理器MCU 6连接，便于存储电流和时间数据。中央处理器MCU 6直接发送数据到保护电路及通信电路15，通过标准的RS485电平传输到远端。 

本发明所述监测装置的外盖5材质为铸铝，端盖上开有显示屏窗口1，窗口由工程透明塑料密封。具有宽温功能的LED显示器安装在端盖上从窗口中显示。铸铝盒背部有两个耳状凸起4，用于将外壳固定到避雷器底座上。外壳盒体部分开有电缆穿线孔，避雷器接地线穿过盒体后接入大地。壳体下方安装两个芯金属航空插座3，其中第三芯为通信接口，第二芯为电源接口。插头部分可以焊接屏蔽电缆。 

内部电路：传感器采用小电流穿心互感器2，采用树脂把互感器浇灌到盒体内部，互感器引出线至电路板接线端子处。中央处理器MCU 6采用C8051系列高性能单片机，具有12位AD和SPI、UART接口。时钟芯片DS130217采用32.768Hz晶振提供高精度的时基。存储电路7，采用Flash存储器8和EEPROM存储芯片，分别能够存储测量数据16M字节和指针数据256字节。信号测量及变换电路9， 信号通过互感器2进入到信号测量及变换电路9，经过信号变换调制成可供单片机采集的信号，经过软件算法处理。保护电路13，在信号的输入端口加入电压瞬态抑制电路以保护测量及变换电路不至于在雷电场合下受损。电压瞬态抑制管（TVS）的选择条件要满足：直流击穿电压大于采样电路能承受的最大值： 

，最大冲击电流能够承受流过避雷器最大雷电电流。通信电路，通信电路采用RS485电路，差分电平传输方式令通信距离更远，抗干扰性更强，通信协议采用MODBUS-RTU协议，数据经过CRC16校验可使通信传输更可靠。计数电路采用触发器触发单片机中断端口，从而进行计数功能。 

工作原理：无间隙金属氧化物避雷器无残压监测装置采用双CT采样电流信号和雷击信号，通过一个精密互感器采集出避雷器泄漏电流，经过信号测量及变换电路9，进入中央处理器MCU 6，中央处理器MCU 6内部AD可以根据用户设置启动，当启动采集命令后，处理器读取一个周波256个采样点的数据，并经过离散傅立叶算法，提取出基波和三次谐波，计算出当前时间的全电流值和阻性电流值，并且存储到FLASH芯片8中，存储时间为1年，用户也可以调取存储器的历史数据。计数功能是采用高频互感器，当发生避雷器发生雷击或者线路过电压时，流出避雷器的电流突然增大，高频互感器可以提取雷击或过电压信号，并且经过整流，TVS电压瞬态抑制管16保护，最后对电容14充电，电压升高至基准电压后触发比较器18，比较器18输出高电平进入处理器中断，并记录此次雷击或过电压信号。本装置通过时钟芯片DS1302  17使每次的电流数据和雷击数据带上时 间戳，便于数据查询及故障诊断。 

本发明是通过精密电流互感器对电流信号进行测量，经过信号调理及变换电路转换成处理器可接受范围的电压信号，在处理器中利用快速傅立叶算法进行计算，得出避雷器全电流和阻性电流。装置的计数功能是采用高频互感器取样，大电流冲击下触发比较器，保持并记录。两种信号的采集都是采用穿心式互感器，因此在装置内部无残压，很好解决了传统监测装置在避雷器受到雷击后，装置存留残压高，从而影响避雷器寿命问题。本发明的装置还采用离散傅立叶算法，很好的提取出避雷器的全电流和阻性电流，测量精度得到提高。 

无间隙金属氧化物避雷器无残压监测测量方法是：器的泄漏电流经过无间隙金属氧化物避雷器无残压监测装置的穿心式电流互感器，电流信号进入电流电压转换电路，把电流变换成电压信号，在经过电压信号调理电路后变换成MCU可以接受的电压幅值，最后进入MCU进行计算，在经过DFT离散傅立叶变换后，采集的电流信号分解出全电流和阻性电流的基波值，在显示屏以轮询方式显示数据并存在FLASH存储器中，存储数据的指针存放在E2PROM中，可以多次擦写；当上位机请求发送数据时，MCU通过数据通信系统接收到命令，并通过UART串口发出相应返回数据。所述的把电流变换成电压信号是采用高频互感器感应大电流的出现，当有大电流通过高频互感器后，在互感器二次侧输出一定的幅值的电流，经过比较电路后形成脉冲信号并直接触发MCU中断功能，此时MCU记录雷电流或过电压发生一次，并且把实时时钟系统所记录的时间一起存入FLASH存储器中。 

一、计算公式： 

谐波分析法的基本原理如下： 

任意周期性函数f(t)只要满足狄里赫利条件，即给定的周期性函数在有限的区间内，只有有限个第一类间断点和有限个极大值和极小值，而电工技术中所遇到的周期函数通常都满足这个条件。则f(t)均可分解为由直流分量和各次谐波所组成的傅里叶级数： 

$f\left(t\right)=a_0+(a_1\cos \mathrm{\ωt}+b_1\sin \mathrm{\ωt})+(a_2\cos 2\mathrm{\ωt}+b_2\sin 2\mathrm{\ωt})+...$

$=a_0+\underset{k=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}(a_k\cos \mathrm{k\ωt}+b_k\sin \mathrm{k\ωt})---\left(1\right)$

为了计算系数a_k，b_k，上式两边各乘以coskωt并取定积分，得： 

${\∫}_0^{2\mathrm{\π}}f\left(t\right)\cos \mathrm{k\ωtd}\left(\mathrm{\ωt}\right)={\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{a}_0\cos \mathrm{k\ωtd}\left(\mathrm{\ωt}\right)+{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{a}_1\cos \mathrm{\ω}t\cos \mathrm{k\ωtd}\left(\mathrm{\ωt}\right)+{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{a}_2\cos 2\mathrm{\ω}t\cos \mathrm{k\ωtd}\left(\mathrm{\ωt}\right)+...$

$+{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{b}_1\sin \mathrm{\ω}t\cos \mathrm{k\ωtd}\left(\mathrm{\ωt}\right)+{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{b}_2\sin 2\mathrm{\ω}t\cos \mathrm{k\ωtd}\left(\mathrm{\ωt}\right)+...$

根据三角函数的正交性质，m，n，为任意整数，且m≠n，则下列定 

积分成立： 

${\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\sin \mathrm{mxdx}=0$

${\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\cos \mathrm{mxdx}=0$

${\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\left(\sin \mathrm{mx}\right)}^2\mathrm{dx}=0$

${\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\left(\cos \mathrm{mx}\right)}^2\mathrm{dx}=0$

${\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\sin \mathrm{mx}\cos \mathrm{nxdx}=0$

${\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\cos \mathrm{mx}\cos \mathrm{nxdx}=0$

${\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\sin \mathrm{mx}\sin \mathrm{nxdx}=0$

则 

${\∫}_0^{2\mathrm{\π}}f\left(t\right)\cos \mathrm{k\ωtd}\left(\mathrm{\ωt}\right)=a_k\mathrm{\π}$

所以 

$a_k=\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}f\left(t\right)\cos \mathrm{k\ωtd}\left(\mathrm{\ωt}\right)$

同理，用sinkωt去乘以（1）式的两边，并取定积分，得 

$b_k=\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}f\left(t\right)\sin \mathrm{k\ωtd}\left(\mathrm{\ωt}\right)$

考虑基波，其系数为 

$a_1=\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}f\left(t\right)\cos \mathrm{\ωtd}\left(\mathrm{\ωt}\right)=\frac{2}{T}{\∫}_0^{T}f\left(t\right)\cos \mathrm{\ωtdt}$

$b_1=\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}f\left(t\right)\sin \mathrm{\ωtd}\left(\mathrm{\ωt}\right)=\frac{2}{T}{\∫}_0^{T}f\left(t\right)\sin \mathrm{\ωtdt}$

上面（1）式中的基波分量为 

A₁＝a₁cosωt+b₁sinωt 

对上式做一些变换，令 

A₁＝(a₁+b₁)^1/2

又有a₁＝A₁sinφ₁，b₁＝A_1mcosφ₁，tanφ₁＝a₁/b₁

则有 

A₁＝A_1msinφ₁cosωt+A_1mcosφ₁sinωt 

运用三角函数和与积的关系，可以得出A₁＝A_1msin(ωt+φ₁)。 

A_1m和φ₁可由a₁，b₁求得，而a₁，b₁则可以通过数值积分求得。通过以上计算，可求得基波的幅值和相角。以B、A分别表示相应的时域函数，则基波信号的系数a₁，b₁为 

$a_1=A_{1m}\cos {\mathrm{\φ}}_A=\frac{2}{T}{\∫}_0^{T}A\sin \mathrm{\ωtdt}$

$b_1=A_{1m}\sin {\mathrm{\φ}}_A=\frac{2}{T}{\∫}_0^{T}A\cos \mathrm{\ωtdt}$

式中，A_1m是信号A的基波幅值，φ_A是其相位。可以得出： 

${\mathrm{\φ}}_A=\arctan \frac{b_1}{a_1}$

$A_{1m}=\sqrt{{a_1}^2+{b_1}^2}$

同理，对于k次谐波信号，其系数为： 

$a_k=A_k\cos {\mathrm{\φ}}_k=\frac{2}{T}{\∫}_0^{T}X\left(t\right)\sin \mathrm{\ωtdt}$

$b_k=A_k\sin {\mathrm{\φ}}_k=\frac{2}{T}{\∫}_0^{T}X\left(t\right)\cos \mathrm{\ωtdt}$

而对于现场测量，得到的数据都是离散的情况，对应的系数a_k，b_k为 

$a_k=\frac{2}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}X\left(n\right)\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{kn}\right)$

$b_k=\frac{2}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}X\left(n\right)\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{kn}\right)$

${\mathrm{\φ}}_k=\arctan \frac{b_k}{a_k}$

$X_k=\sqrt{{a_k}^2+{b_k}^2}$

上式变为本测量法的计算公式。 

实际应用： 

本发明装置已经成功运用于长春南500kV智能变电站，并且与便携式避雷器电流测试仪器进行现场试验比对，其中两组避雷器数据如表1和表2所示。 

表1第一组避雷器数据 

表2第二组避雷器数据 

。

Claims (9)

1.无间隙金属氧化物避雷器无残压监测装置，包括外壳体和内部电路板：其特征是：

壳体上设有外盖（5），外盖（5）开有显示屏窗口（1），LED显示器安装在端盖上从窗口中显示；外盖（5）上还设有凸起（4）、电缆穿线孔及插座（3）；

内部电路板包括：传感器部分、中央处理器MCU（6）、时钟电路（17）、存储电路（7）、信号测量及变换电路（9）、保护电路及通信电路（15）；

其中互感器（2）连接在壳体内，互感器（2）引出线与电路板接线端子相连；电路板引线避雷器泄漏电流直接进入信号测量及变换电路（9），在经过信号变换后进入中央处理器MCU（6）；时钟电路（17）与中央处理器MCU（6）连接；存储电路（7）也与中央处理器MCU（6）连接；中央处理器MCU（6）直接发送数据到保护电路及通信电路（15），通过标准的RS485电平传输到远端。

2.根据权利要求1所述的无间隙金属氧化物避雷器无残压监测装置，其特征是：所述的显示屏窗口（1）由工程透明塑料密封。

3.根据权利要求1所述的无间隙金属氧化物避雷器无残压监测装置，其特征是：所述的凸起（4）为耳状，设有两个。

4.根据权利要求1所述的无间隙金属氧化物避雷器无残压监测装置，其特征是：所述的外盖（5）材质为铸铝。

5.根据权利要求1所述的无间隙金属氧化物避雷器无残压监测装置，其特征是：所述的插座（3）设有两个，为五芯金属航空插座，其中第三芯为通信接口，第二芯为电源接口；插座（3）的插头部分焊接五芯屏蔽电缆。

6.根据权利要求1所述的无间隙金属氧化物避雷器无残压监测装置，其特征是：所述的互感器（2）采用小电流穿心互感器。

7.根据权利要求1所述的无间隙金属氧化物避雷器无残压监测装置，其特征是：所述的中央处理器MCU（6）采用C8051系列高性能单片机，具有12位AD和SPI、UART接口。

8.无间隙金属氧化物避雷器无残压监测测量方法，其特征是：

避雷器的泄漏电流经过无间隙金属氧化物避雷器无残压监测装置的穿心式电流互感器，电流信号进入电流电压转换电路，把电流变换成电压信号，在经过电压信号调理电路后变换成MCU可以接受的电压幅值，最后进入MCU进行计算，在经过DFT离散傅立叶变换后，采集的电流信号分解出全电流和阻性电流的基波值，在显示屏以轮询方式显示数据并存在FLASH存储器中，存储数据的指针存放在E2PROM中，可以多次擦写；当上位机请求发送数据时，MCU通过数据通信系统接收到命令，并通过UART串口发出相应返回数据。

9.根据权利要求8述的无间隙金属氧化物避雷器无残压监测测量方法，其特征是：所述的把电流变换成电压信号是采用高频互感器感应大电流的出现，当有大电流通过高频互感器后，在互感器二次侧输出一定的幅值的电流，经过比较电路后形成脉冲信号并直接触发MCU中断功能，此时MCU记录雷电流或过电压发生一次，并且把实时时钟系统所记录的时间一起存入FLASH存储器中。

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