CN103869183A - 一种氧化锌避雷器在线监测系统及其方法 - Google Patents

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李云龙
杨小铭
王煜
宋凯
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国电南瑞科技股份有限公司
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Abstract

本发明涉及一种氧化锌避雷器在线监测系统及其方法,包括避雷器在线监测主控单元、避雷器泄露电流在线监测单元和母线电压在线监测单元组,避雷器泄漏电流在线监测单元由避雷器电流采集组件和第一数据处理分析组件组成;母线电压在线监测单元由母线电压采集组件和第二数据处理分析组件组成。本发明实现了对避雷器的泄露全电流、阻性电流、容性电流、雷击次数和雷击时刻的实时监测,能根据被测电流大小能自动调整放大倍数,实现高精度测量,并结合现场工况,对监测到的数据进行分析和处理,可免受环境温、湿度影响并及时地发现避雷器由污秽或内部受潮引起的瓷套泄漏电流或绝缘杆泄漏电流增大等问题,有效避免事故的发生。

Description

一种氧化锌避雷器在线监测系统及其方法

技术领域

[0001] 本发明涉及的是氧化锌避雷器监测领域,具体涉及的是一种氧化锌避雷器在线监测系统及其方法。

背景技术

[0002] 氧化锌避雷器是目前应用最为广泛的一种避雷器,利用氧化锌良好的非线性伏安特性,使正常工作电压时流过避雷器的电流很小,达到毫安级甚至微安级;当雷击发生时,即过电压作用时,氧化锌避雷器对地电阻急剧下降,泄放掉过电压能量,有效避免电力设备遭遇雷电冲击波袭击。为了能实时了解氧化锌避雷器的运行状况,相应的在线监测技术和在线监测装置也发展起来。目前监测泄漏电流和雷击次数的应用最广泛的一类装置是由电磁式直流毫安表和计数器构成的电子机械式仪表。这种装置优点是泄漏电流显示直观,但准确度一般,而且需要巡检人员定时查看,运行出问题不便于及时发现。另一类开始应用的装置是电流互感器式监测仪表,具有监测信息远传功能,但普遍测量精度低,且仅能监测避雷器泄露的全电流,无法计算阻性电流,无法对避雷器运行状况进行全面的分析和判断。

发明内容

[0003] 针对现有氧化锌避雷器在线监测装置的不足,本发明目的是在于提供一种实用性强、安全可靠和安装便捷的氧化锌避雷器在线监测系统及其方法,实现对高压电气设备的绝缘状况进行实时监测达到减少事故发生,延长检修间隔,减少停电检修次数和时间,提高设备利用率和整体经济效益的目的。

[0004] 为了实现上述目的,本发明是通过如下的技术方案来实现:

[0005] 一种氧化锌避雷器在线监测系统,其特征在于,其包括:

[0006] 避雷器泄漏电流在线监测单元,用于采集所在相的避雷器泄露电流和市电的信息,并计算得到该相泄露电流基波相位P(I)与市电基波相位炉(Uref),计算两者相位差舛;

[0007] 母线电压在线监测单元,与避雷器泄漏电流在线监测单元同步,用于采集避雷器所在母线所在相的相电压和市电电压,经微处理器分析计算单元的动态向量补偿DFT算法得到该相母线电压基波相位炉(U)与市电基波相位P(Uref),计算两者相位差φΐ

[0008] 避雷器在线监测主控单元,用于负责命令避雷器泄漏电流在线监测单元和母线电压在线监测单元,综合比较计算和数据远传,并通过通信总线读取避雷器泄露电流与避雷器所在母线电压的参考相位,根据判断比较计算公式介=/\0_«(八纠-厶炉2)得到该相的阻性电流;

[0009] 所述避雷器泄漏电流在线监测单元和母线电压在线监测单元均与避雷器在线监测主控单元相通讯。

[0010] 进一步的,所述避雷器在线监测单元包括:用于采集所在相的避雷器泄露电流和市电的信息的避雷器电流采集组件和用于对采集数据计算的第一数据处理分析组件,用于计算泄露电流基波相位与市电基波相位的两者相位差;所述避雷器电流采集组件与第一数 据处理分析组件相连接。

[0011] 进一步的,所述避雷器电流采集组件包括用于采集避雷器泄露电流的避雷器泄露 电流采集模块、用于雷击过程中过电压的雷击过压电流采集模块和用于采集市电电流作为 参考电源的第一参考电源采集模块;所述避雷器泄露电流采集模块、雷击过压电流采集模 块、第一参考电源采集模块均与微处理器分析计算单元相连接,所述第一参考电源采集模 块均通过电流转换单元连接市电。

[0012] 进一步,所述母线电压在线监测单元包括用于采集避雷器泄露电压的母线电压采 集组件和第二数据处理分析组件,所述母线电压采集组件包括用于对母线相电压采集的相 电压采集模块和用采集市电电压作为参考电源的第二参考电源采集模块,所述相电压采集 模块和第二参考电源采集模块均与第二数据处理分析组件相连接。

[0013] 进一步的,所述第一数据处理分析组件和第二数据处理分析组件均包括微处理器 分析计算单元和电流转换单元,所述第一参考电源采集模块和第二参考电源采集模块分别 通过电流转换单元连接市电,所述微处理器分析计算单元包括信号调理模块、模数转换模 块、微处理器分析计算模块和控制通信模块,所述信号调理模块一端连接通过模数转换模 块连接微处理器分析计算模块,所述微处理器分析计算模块还连接有多路选择器,所述多 路选择器通过多路反馈电阻连接信号调理模块,能根据被测电流大小自动选择放大倍数, 保证模数转换器始终工作于最优转换范围,进而实现高精度测量,所述控制通信模块连接 微处理器分析计算模块,通过控制通信模块与避雷器在线监测主控单元相通讯。

[0014] 作为优选,所述的雷击电流采集模块采用大量程无源零磁通穿心式互感器,所述 避雷器泄露电流采集模块,相电压采集模块和参考电源采集模块均采用高精度有源零磁通 穿心式互感器,所述微处理器分析计算模块采用的是高速数字信号处理器。所述模数转换 模块采用的是16位高精度AD转换器。

[0015] 一种利用上述检测系统的氧化锌避雷器在线监测方法,其特征在于,其方法为, 避雷器在线监测主控单元发送同步采集指令后,由避雷器泄漏电流在线监测单元的避雷 器电流采集组件和母线电压在线监测单元的母线电压采集组件同时刻进行模拟量采集, 之后各自把采集的模拟量经过相对独立的滤波、放大处理和AD转换后,将数字量送入各 自的微处理器分析计算单元的微处理器分析计算模块,各自的微处理器分析计算单元 通过动态向量补偿DFT算法的一系列独立分析计算,得出该相泄漏电流与市电的相位差 A^(l) = (p(IX)-(p(Uref)和该相母线电压与市电的相位差晴、=<p{IX) -cp(Uref),避雷器 在线监测主控单元通过通信总线读取避雷器泄露电流与避雷器所在母线电压的参考相位, 通过判断比较,计算得到该相的阻性电流Ir。

[0016] 进一步的,所述避雷器泄漏电流在线监测单元和母线电压在线监测单元都以市电 作为参考电源采集模块的采集对象,并分别以市电的相位作为避雷器泄露电流与避雷器所 在母线电压的相位参考基准。

[0017] 进一步的,所述避雷器泄漏电流在线监测单元根据避雷器实际泄漏电流值的波动 范围和模数转换器的最优转换范围,确定放大倍数档位,进而选择合适阻值的反馈电阻。

[0018] 进一步的,避雷器电流采集组件的避雷器泄露电流采集模块输出的模拟信号先经 过滤波、初级放大和信号跟随后进入AD转换为数字量,输出给微处理器分析计算单元,根据采集单元采集的数据初次计算泄露电流值的大小,微处理器分析计算单元根据此值的大小判断是否需要调整接入电路反馈电阻;

[0019] 当需要调整时,通过控制多路选择器重新选择接入电路的反馈电阻,模拟信号再经过滤波、精确放大和信号跟随后进入AD转换为最终的数字量,输出给微处理器分析计算单元做分析计算。

[0020] 通信控制模块采用的是485和CAN双总线通信配置,其中485通信芯片型号为SN75LBC184 ;CAN 通信芯片型号为:TJA1040。

[0021] 本发明通过上述系统及其方法,实现了对避雷器的泄露全电流、阻性电流、容性电流、雷击次数和雷击时刻的实时监测,能根据被测电流大小能自动调整放大倍数,实现高精度测量。采用谐波补偿法,同步测量、相对比较,并结合现场工况,对监测到的数据进行分析和处理,可免受环境温、湿度影响并及时地发现避雷器由污秽或内部受潮引起的瓷套泄漏电流或绝缘杆泄漏电流增大等问题,有效避免事故的发生。本发明可带电安装,能方便、快捷的接入系统。

附图说明

[0022] 下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明;

[0023] 图1为是避雷器在线监测系统现场监测示意图。

[0024] 图2是避雷器在线监测系统计算避雷器阻性电流的流程图。

[0025] 图3是避雷器在线监测系统自动调整放大倍数的原理示意图。

具体实施方式

[0026] 为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解,下面结合具体实施方式,进一步阐述本发明。

[0027] 参照附图1,本实施例是一种氧化锌避雷器在线监测系统,该系统由避雷器在线监测主控单元、避雷器泄露电流在线监测单元和母线电压在线监测单元组成实现。其中避雷器在线监测主控单元负责命令下发,综合比较计算和数据远传;避雷器泄漏电流在线监测单元由避雷器电流采集组件和第一数据处理分析组件组成;母线电压在线监测单元由母线电压采集组件和第二数据处理分析组件组成,母线电压采集组件由相电压采集模块和参考电源采集模块两部分组成。

[0028] 本实施例中,避雷器泄漏电流在线监测单元和母线电压在线监测单元的数据处理分析组件统一化设计,分为两部分:微处理器分析计算单元和电流转换单元。微处理器分析计算单元包含信号调理模块、16位高精度AD转换模块、分析计算模块和控制通信模块。信号调理模块一端连接通过模数转换模块连接微处理器分析计算模块,微处理器分析计算模块还连接有多路选择器,所述多路选择器通过多路反馈电阻连接信号调理模块,能根据被测电流大小自动选择放大倍数,保证模数转换器始终工作于最优转换范围,进而实现高精度测量,所述控制通信模块连接微处理器分析计算模块,通过控制通信模块与避雷器在线监测主控单元相通讯。

[0029] 母线电压在线监测单元包括用于采集避雷器泄露电压的母线电压采集组件和第二数据处理分析组件,所述母线电压采集组件分为三部分包括用于对母线相电压采集的相电压采集模块和用采集市电电压作为参考电源的第二参考电源采集模块,所述相电压采集模块和第二参考电源采集模块均与第二数据处理分析组件相连接。第一参考电源采集模块和第二参考电源采集模块分别通过电流转换单元连接市电,所述微处理器分析计算单元包括信号调理模块、模数转换模块、微处理器分析计算模块和控制通信模块。

[0030] 本实施例的雷击电流采集模块采用大量程无源零磁通穿心式互感器,型号为:GP-103,可根据雷击电流有效识别雷击动作。。其他电流采集模块,避雷器泄露电流采集模块,相电压采集模块和参考电源采集模块均采用高精度有源零磁通穿心式互感器,型号为:ALS50-10A/7.07V。通信控制模块采用的是485和CAN双总线通信配置,其中485通信芯片型号为SN75LBC184 ;CAN通信芯片型号为:TJA1040。

[0031] 附图1中,I是A相母线避雷器在线监测单元,2是B相母线避雷器在线监测单元,3是C相母线避雷器在线监测单元。5是采集避雷器泄露电流的电流互感器,6是采集避雷器雷击电流的电流互感器,7是采集参考电压的电流互感器。在B相母线避雷器在线监测单元2和C相母线避雷器在线监测单元3中对应位置的电流互感器与上述A相母线避雷器在线监测单元I中的作用一致,未做标号进行说明。4是母线电压在线监测单元。8是采集参考电压的电流互感器。9、10和11分别是采集A相母线电压、B相母线电压和C相母线电压的电流互感器。

[0032] 在实际应用中,避雷器接地末屏电缆需穿过避雷器泄漏电流在线监测单元I中的采集泄露电流的电流互感器5和采集雷击电流的电流互感器6后接入大地。这样既能在常规状态采集避雷器的泄漏电流,也可以在雷击时刻采集雷击电流,从而识别雷击动作。市电L端需经过电流转换单元后穿过采集参考电压的电流互感器7后回到N端。电流互感器5、6和7的输出信号都传输给微处理器分析计算单元进行滤波、放大、AD转换和分析计算等一系列过程。

[0033] 在实际应用中,从母线电压互感器端子箱弓丨出A、B、C三相电压经过母线电压在线监测单元的电流转换单元后,分别穿过采集A相母线电压、B相母线电压和C相母线电压的电流互感器9、10和11后,接入大地。这样完成了母线A、B、C三相电压信号的采集。市电L端需经过电流转换单元后穿过采集参考电压的电流互感器8后回到N端。电流互感器8、

9、10和11的输出信号都传输给微处理器分析计算单元进行滤波、放大、AD转换和分析计算等一系列过程。

[0034] 在实际应用中,避雷器在线监测主控单元,避雷器在线监测单元和母线电压在线监测单元之间优先使用CAN总线通信,可以满足要求的话也可选用485总线通信。系统最终监测的结果,例如泄露全电流、阻性电路、容性电流、相角差、雷击次数和雷击时间等信息由避雷器在线监测主控单元按照实际要求的规约格式发送给后台主控室,完成一次完整的避雷器状态监测过程。

[0035] 参照附图2,避雷器在线监测主控单元发送同步采集指令后,由避雷器泄漏电流在线监测单元的避雷器电流采集组件和母线电压在线监测单元的母线电压采集模块同时刻进行模拟量采集,之后各自把采集的模拟量经过相对独立的滤波、放大处理和16位高精度AD转换后,将数字量送入各自的微处理器分析计算单元的分析计算模块,两个单元通过动态向量补偿DFT算法等一系列独立分析计算,得出该相泄漏电流与市电的相位差八州)=</0-挪7〃/)和该相母线电压与市电的相位差Δ<2) = ,避雷器在线监测主控单元通过通信总线读取避雷器泄露电流与避雷器所在母线电压的参考相位,通过综合分析比较,计算得到该相的阻性电流Ir。

[0036] 参照附图3,首先根据避雷器实际泄漏电流值的波动范围和模数转换器的最优转换范围,确定放大倍数档位,进而选择合适阻值的反馈电阻。多路选择器由微处理器分析计算单元控制某一路的开断,默认选择放大倍数最小的一路反馈电阻。避雷器泄露电流采集模块输出的模拟信号先经过滤波、初级放大和信号跟随后进入AD转换为数字量,输出给微处理器分析计算单元,根据采集单元采集的数据初次计算泄露电流值的大小,微处理器分析计算单元根据此值的大小判断是否需要调整接入电路反馈电阻。需要调整时,通过控制多路选择器重新选择接入电路的反馈电阻,模拟信号再经过滤波、精确放大和信号跟随后进入AD转换为最终的数字量,输出给微处理器分析计算单元做分析计算。

[0037] 本发明计算得到避雷器泄露电流与避雷器所在母线电压的相位差,根据实际情况,避雷器泄漏电流在线监测单元和母线电压在线监测单元都以市电作为参考电源采集模块的采集对象,并分别以市电的相位作为避雷器泄露电流与避雷器所在母线电压的相位参考基准。并在于采用同步采集、独立运算,相对比较的方法计算得到避雷器泄露电流与避雷器所在母线电压的相位差,进而容易计算得到阻性电流。实现步骤包括:

[0038] 1.在运行中的某一时刻,由避雷器在线监测主控单元向避雷器泄漏电流在线监测单元和母线电压在线监测单元发送同步采集指令;

[0039] i1.避雷器泄漏电流在线监测单元采集所在相的避雷器泄露电流和市电的信息,经微处理器分析计算单元的动态向量补偿DFT算法得到该相泄露电流基波相位P(I)与市电基波相位我Uref),计算两者相位差糾;

[0040] ii1.母线电压在线监测单元同步采集避雷器所在母线所在相的相电压和市电电压,经微处理器分析计算单元的动态向量补偿DFT算法得到该相母线电压基波相位炉(U)与市电基波相位P(Uref),计算两者相位差^2 ;

[0041] iv.避雷器在线监测主控单元通过通信总线读取上述两个相位差,进而可以根据Ir = /xcos(A^1 —~φΤ),计算得到该相的阻性电流。

[0042] 所述的避雷器在线监测系统中的避雷器泄漏电流在线监测单元,创新之处在于能根据被测电流大小自动选择放大倍数,保证模数转换器始终工作于最优转换范围,进而实现高精度测量。实现方法是:

[0043] 1.根据避雷器实际泄漏电流值的波动范围和模数转换器的最优转换范围,确定放大倍数档位;

[0044] i1.利用多路选择器建立同相运算放大器反馈电阻网络,根据采集单元采集的数据初次计算泄露电流值的大小,微处理器自动选择不同的通路来调整反馈电阻值,进而调整了放大倍数,将放大器的输出调整到模数转换器的最优转换范围进行模数转换,实现了高精度测量。

[0045] 本发明提供了一种设计科学、实用性强、安全可靠和安装便捷的避雷器在线监测系统。本发明所涉及的避雷器在线监测系统通过对避雷器的全电流、阻性电流、容性电流、雷击次数及雷击时刻进行实时在线监测,可实现对高压电气设备的绝缘状况进行实时监测;同时,通过分析监测数据可及时发现金属氧化锌避雷器潜在的故障并为状态检修提供重要的数据依据,为电力系统安全、可靠、稳定、经济的运行提供了一个强力、可靠的保证,为运行检修人员提供可靠的设备绝缘信息和科学的检修依据,从而达到减少事故发生,延长检修间隔,减少停电检修次数和时间,提高设备利用率和整体经济效益的目的。

[0046] 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种氧化锌避雷器在线监测系统,其特征在于,其包括: 避雷器泄漏电流在线监测单元,用于采集所在相的避雷器泄露电流和市电的信息,并计算得到该相泄露电流基波相位舛I)与市电基波相位列Uref),计算两者相位差舛; 母线电压在线监测单元,与避雷器泄漏电流在线监测单元同步,用于采集避雷器所在母线所在相的相电压和市电电压,经微处理器分析计算单元的动态向量制偿DFT算法得到该相母线电压基波相位炉(U)与市电基波相位炉(Uref),计算两者相位差ψΐ 避雷器在线监测主控单元,用于负责命令避雷器泄漏电流在线监测单元和母线电压在线监测单元,比较计算和数据远传,并通过通信总线读取避雷器泄露电流与避雷器所在母线电压的参考相位,根据判断比较计算公式
Figure CN103869183AC00021
得到该相的阻性电流; 所述避雷器泄漏电流在线监测单元和母线电压在线监测单元均与避雷器在线监测主控单元相通讯。
2.根据权利要求1所述的氧化锌避雷器在线监测系统,其特征在于,所述避雷器在线监测单元包括:用于采集所在相的避雷器泄露电流和市电的信息的避雷器电流采集组件和用于对采集数据计算的第一数据处理分析组件;所述避雷器电流采集组件与第一数据处理分析组件相连接。
3.根据权利要求2所述的氧化锌避雷器在线监测系统,其特征在于,所述避雷器电流采集组件包括用于采集避雷器泄露电流的避雷器泄露电流采集模块、用于雷击过程中过电压的雷击过压电流采集模块和用于采集市电电流作为参考电源的第一参考电源采集模块;所述避雷器泄露电流采集模块、雷击过压电流采集模块、第一参考电源采集模块均与微处理器分析计算单元相连接,所述第一参考电源采集模块均通过电流转换单元连接市电。
4.根据权利要求3所 述 的氧化锌避雷器在线监测系统,其特征在于,所述母线电压在线监测单元包括用于采集避雷器泄露电压的母线电压采集组件和第二数据处理分析组件,所述母线电压采集组 件包括用于对母线相电压采集的相电压采集模块和用采集市电电压作为参考电源的第二参考电源采集模块,所述相电压采集模块和第二参考电源采集模块均与第二数据处理分析组件相连接。
5.根据权利要求4所述的氧化锌避雷器在线监测系统,其特征在于,所述第一数据处理分析组件和第二数据处理分析组件均包括微处理器分析计算单元和电流转换单元,所述第一参考电源采集模块和第二参考电源采集模块分别通过电流转换单元连接市电,所述微处理器分析计算单元包括信号调理模块、模数转换模块、微处理器分析计算模块和控制通信模块,所述信号调理模块一端连接通过模数转换模块连接微处理器分析计算模块,所述微处理器分析计算模块还连接有多路选择器,所述多路选择器通过多路反馈电阻连接信号调理模块;所述控制通信模块连接微处理器分析计算模块,并通过控制通信模块与避雷器在线监测主控单元相通讯。
6.根据权利要求5所述的氧化锌避雷器在线监测系统,其特征在于,所述的雷击电流采集模块采用大量程无源零磁通穿心式互感器,所述避雷器泄露电流采集模块,相电压采集模块和参考电源采集模块均采用高精度有源零磁通穿心式互感器,所述微处理器分析计算模块采用的是高速数字信号处理器。
7.一种根据权利要求5或6任意一项所述检测系统的氧化锌避雷器在线监测方法,其特征在于,其方法为,避雷器在线监测主控单元发送同步采集指令后,由避雷器泄漏电流在线监测单元的避雷器电流采集组件和母线电压在线监测单元的母线电压采集组件同时刻进行模拟量采集,之后各自把采集的模拟量经过相对独立的滤波、放大处理和AD转换后,将数字量送入各自的微处理器分析计算单元的微处理器分析计算模块,各自的微处理器分析计算单元通过动态向量补偿DFT算法的一系列独立分析计算,得出该相泄漏电流与市电的相位差Δρ(1) = φ(1Χ) - (piUref)和该相母线电压与市电的相位差Δ<2) = φ{1Χ) — (p、Uref、,避雷器在线监测主控单元通过通信总线读取避雷器泄露电流与避雷器所在母线电压的参考相位,通过判断差值比较和计算,得到该相的阻性电流Ir。
8.根据权利要求1所述的氧化锌避雷器在线监测方法,其特征在于,所述避雷器泄漏电流在线监测单元和母线电压在线监测单元都以市电作为参考电源采集模块的采集对象,并分别以市电的相位作为避雷器泄露电流与避雷器所在母线电压的相位参考基准。
9.根据权利要求1所述的氧化锌避雷器在线监测方法,其特征在于,所述避雷器泄漏电流在线监测单元根据避雷器实际泄漏电流值的波动范围和模数转换器的最优转换范围,确定放大倍数档位,进而选择合适阻值的反馈电阻。
10.根据权利要求9所述的氧化锌避雷器在线监测方法,其特征在于,避雷器电流采集组件的避雷器泄露电流采集模块输出的模拟信号先经过滤波、初级放大和信号跟随后进入AD转换为数字量,输出给微处理器分析计算单元,根据采集单元采集的数据初次计算泄露电流值的大小,微处理器分析计算单元根据此值的大小判断是否需要调整接入电路反馈电阻; 当需要调整时,通过控制多路选择器重新选择接入电路的反馈电阻,模拟信号再经过滤波、精确放大和信号跟随后进入AD转换为最终的数字量,输出给微处理器分析计算单元做分析计算。`
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