CN107132445B - 一种交直流避雷器实时在线监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交直流避雷器实时在线监测装置，涉及电力系统量测和在线监测技术领域。所述的交直流避雷器实时在线监测装置，采用霍尔传感器与罗氏线圈实现互补监测避雷器的接地引出导线的电流信号，并将监测到的信号传输给信号处理系统进行分析计算，最后通过LoRa无线通讯模块将计算结果传输给远程控制系统，实现了避雷器无人值守式智能化监控，保证电力系统安全可靠的运行；所述的霍尔传感器和罗氏线圈均采用非侵入式安装，不仅不会影响避雷器正常运行的性能，而且互补监测能够测量到直流电流，实现了避雷器的泄漏电流波形及冲击电流波形的实时在线监测。

Description

一种交直流避雷器实时在线监测装置

技术领域

本发明属于电力系统量测和在线监测技术领域，尤其涉及一种交直流避雷器实时在线监测装置。

背景技术

避雷器是电力电缆防止雷电等损坏时经常采用的一种重要设备，是雷电保护系统中最为广泛应用的基础设备之一。避雷器也称为过电压保护器，不仅可以限制雷击等过电流的续流幅值，也可以限制续流时间。避雷器具有非线性特性，在正常电压下，其具有高阻特性，仅允许几十微安的泄漏电流通过；在雷电及操作过电压下，避雷器呈现低阻特性，允许上千安培电流通过，从而可以有效的限制被保护设备两端的电压，起到过电压保护作用。为保护交直流输变电设备的绝缘，避雷器通常连接在线缆和大地之间，与保护设备并联。避雷器的正常工作，对于电力系统安全可靠运行具有重要意义。制作避雷器的非线性材料在长期运行中，受到外界光、热、雨水、污秽和电流冲击等因素的影响，会逐渐劣化，最终失去正常限压能力，严重者，甚至会发生爆炸，从而破坏被保护设备的绝缘。考虑到长期户外工作的严苛运行条件,对避雷器的运行工况进行实时监测，并在避雷器达到运行极限前及时更换，可有效保障电力系统安全稳定运行。

当前避雷器监测系统的老化程度主要依靠三种评估指标进行综合评价：（1）避雷器动作次数（2）避雷器放电能量；（3）避雷器泄漏电流大小和泄漏电流谐波幅值。为测量避雷器动作次数，需要准确判断放电电流是否达到阈值并进行计数；为测量避雷器放电能量，需要准确测量过电压放电过程中流经避雷器的大电流波形；为测量泄漏电流大小及其谐波幅值，需要准确测量低电压下避雷器的泄漏电流波形。

当前对避雷器的主要监测手段是依靠串联侵入式安装的电磁计数器进行计数，采样电阻测量电流。该监测手段有三方面缺点：（1）侵入式安装影响避雷器正常运行的性能；（2）两种装置分别安装，需要占用大量体积；（3）难以测量直流电流，从而无法评估直流避雷器泄漏电流水平。考虑到避雷器监测系统对传感器的超高要求（需测量小至10uA~1mA的泄漏电流，大至10kA~100kA的冲击电流，需测量电流频率范围从直流到1MHz），需要研制一种非侵入式安装、高集成度、且能够满足避雷器监测需求的高性能传感系统。

就避雷器监测系统的配套通讯装置而言，考虑到避雷器在电力系统中广泛分布（变电站间距离通常长达上百千米距离），工作人员无法进行频繁的定期实地维护，采用线缆进行避雷器状态信号传输又耗资巨大。因此寻找一种低功耗、高稳定性、抗干扰能力强、且传输范围广的无线通讯装置对于避雷器监测系统的信号传输具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种采用霍尔传感器与罗氏线圈组合的交直流避雷器实时在线监测装置。其中霍尔传感器非侵入式安装，集成度高、精度高、量程小、带宽低，可用于监测10uA~1mA的泄漏电流；罗氏线圈非侵入式安装，集成度高、精度低、量程大、带宽高，可用于监测10kA~100kA的冲击电流。二者能够实现有效互补，实现交直流避雷器的泄漏电流波形及冲击电流波形的实时在线监测，将监测波形传输给信号处理系统进行分析计算（利用泄漏电流波形计算泄漏电流大小及泄漏电流谐波幅值，利用冲击电流波形计算避雷器放电能量），配合具有传输距离远（15千米）、抗干扰能力强、功耗低等优点的LoRa无线通讯模块，将避雷器状态信息传输到远程控制系统，实现变电站无人值守式智能化监控。

本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种交直流避雷器实时在线监测装置，包括罗氏线圈、霍尔传感器、带平行开口的磁环、信号处理系统以及屏蔽绝缘保护盒，所述的罗氏线圈、霍尔传感器、带平行开口的磁环、信号处理系统均设于屏蔽绝缘保护盒内，在所述带平行开口的磁环中心对应的屏蔽绝缘保护盒上设有通孔，避雷器的接地引出导线穿过屏蔽绝缘保护盒上的通孔；所述的带平行开口的磁环环绕避雷器的接地引出导线设置，所述的罗氏线圈环绕带平行开口的磁环设置，所述霍尔传感器置于带平行开口的磁环的开口处，其敏感轴方向沿带平行开口的磁环的切向方向；所述罗氏线圈包括线圈本体和罗氏线圈积分器，所述线圈本体和罗氏线圈积分器连接，所述罗氏线圈积分器与信号处理系统连接；所述霍尔传感器与信号处理系统连接，所述信号处理系统与远程控制系统连接；

所述霍尔传感器包括霍尔元件以及半导体衬底，所述霍尔元件设在所述半导体衬底的表面，所述霍尔元件具有正方形形状，所述正方形霍尔元件的每个顶点处设有霍尔电压输出端子；所述正方形霍尔元件的每个顶点处设有控制电流输入端子对，且所述控制电流输入端子对以一定距离与对应霍尔电压输出端子间隔设置并在对应霍尔电压输出端子的两侧，以便防止所述控制电流输入端子与所述霍尔电压输出端子之间的电连接。

进一步的，所述霍尔元件为坡莫合金导磁体，所述坡莫合金导磁体各成分及其质量百分含量为：Ni：80.5%，Mo：5.2%，Nb：2.06%，Ti：1.8%，其余为Fe和杂质。

进一步的，所述交直流避雷器实时在线监测装置还包括消磁校准线圈，所述消磁校准线圈采用双导线绞合后均匀地缠绕在所述带平行开口的磁环上，所述消磁校准线圈的两根引出线分别与所述信号处理系统连接，以抑制外部干扰。

进一步的，所述信号处理系统包括信号放大模块、滤波模块、逻辑分析模块、时钟模块、电源模块、信号传输模块和消磁校准模块；所述的信号放大模块、滤波模块、逻辑分析模块和信号传输模块依次连接；所述电源模块分别与所述的信号放大模块、滤波模块、时钟模块和消磁校准模块连接，所述时钟模块分别与逻辑分析模块和信号传输模块连接；所述的罗氏线圈积分器和霍尔传感器分别与信号放大模块连接，所述消磁校准线圈的两根引出线分别与消磁校准模块连接。

进一步的，所述的信号放大模块采用仪表放大器，共模抑制能力强，且具有差分输出。

进一步的，所述的滤波模块采用低通滤波器，将高于1MHz的干扰信号滤除，电力系统雷击电流最高频率不超过1MHz。

进一步的，所述的信号传输模块采用LoRa无线通讯模块，所述LoRa无线通讯模块与远程控制系统连接。

进一步的，所述的屏蔽绝缘保护盒外壳为双层结构，外层采用高电导率的铜屏蔽层，且铜屏蔽层的表面喷涂有绝缘漆，既能抑制外界干扰电场，又有绝缘保护作用；内层采用高磁导率的坡莫合金屏蔽层，抑制外界干扰磁场，所述内层和外层之间填充有聚四氟乙烯，其屏蔽效能高达60dB；所述屏蔽绝缘保护盒为所述的交直流避雷器实时在线监测装置提供屏蔽、机械保护和绝缘保护功能。

与现有技术相比，本发明所提供的交直流避雷器实时在线监测装置，采用霍尔传感器与罗氏线圈实现互补监测避雷器的接地引出导线的电流信号，并将监测到的信号传输给信号处理系统进行分析计算，最后通过LoRa无线通讯模块将计算结果传输给远程控制系统，实现了避雷器无人值守式智能化监控，保证电力系统安全可靠的运行；所述的霍尔传感器和罗氏线圈均采用非侵入式安装，不仅不会影响避雷器正常运行的性能，而且互补监测能够测量到直流电流，实现了避雷器的泄漏电流波形及冲击电流波形的实时在线监测；所述的交直流避雷器实时在线监测装置集成度高、精确度高、可监测范围广，有效提高了避雷器正常运行的性能，满足实时监测需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种交直流避雷器实时在线监测装置的结构示意图；

其中：1-避雷器的接地引出导线，2-带平行开口的磁环，3-霍尔传感器，4-消磁校准线圈，5-线圈本体，6-罗氏线圈积分器，7-信号处理系统，8-信号放大模块，9-滤波模块，10-逻辑分析模块，11-LoRa无线通讯模块，12-时钟模块，13-电源模块，14-消磁校准模块，15-屏蔽绝缘保护盒，16-屏蔽绝缘保护盒上的通孔。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明所提供的交直流避雷器实时在线监测装置，包括罗氏线圈、霍尔传感器3、带平行开口的磁环2、信号处理系统7以及屏蔽绝缘保护盒15，所述的罗氏线圈、霍尔传感器3、带平行开口的磁环2、信号处理系统7均设于屏蔽绝缘保护盒15内，在所述带平行开口的磁环2中心对应的屏蔽绝缘保护盒15上设有通孔16，避雷器的接地引出导线1穿过屏蔽绝缘保护盒15上的通孔16；所述的带平行开口的磁环2环绕避雷器的接地引出导线1设置，所述的罗氏线圈环绕带平行开口的磁环2设置，所述霍尔传感器3置于带平行开口的磁环2的开口处，其敏感轴方向沿带平行开口的磁环2的切向方向；所述罗氏线圈包括线圈本体5和罗氏线圈积分器6，所述线圈本体5和罗氏线圈积分器6连接，所述罗氏线圈积分器6与信号处理系统7连接；所述霍尔传感器3与信号处理系统7连接，所述信号处理系统7与远程控制系统连接；

所述霍尔传感器3包括霍尔元件以及半导体衬底，所述霍尔元件设在所述半导体衬底的表面，所述霍尔元件具有正方形形状，所述正方形霍尔元件的每个顶点处设有霍尔电压输出端子；所述正方形霍尔元件的每个顶点处设有控制电流输入端子对，且所述控制电流输入端子对以一定距离与对应霍尔电压输出端子间隔设置并在对应霍尔电压输出端子的两侧，以便防止所述控制电流输入端子与所述霍尔电压输出端子之间的电连接。

所述交直流避雷器实时在线监测装置还包括消磁校准线圈4，所述消磁校准线圈4采用双导线绞合后均匀地缠绕在所述带平行开口的磁环2上，所述消磁校准线圈4的两根引出线分别与所述信号处理系统7连接。

所述信号处理系统7包括信号放大模块8、滤波模块9、逻辑分析模块10、时钟模块12、电源模块13、信号传输模块和消磁校准模块14；所述的信号放大模块8、滤波模块9、逻辑分析模块10和信号传输模块依次连接；所述电源模块13分别与所述的信号放大模块8、滤波模块9、时钟模块12和消磁校准模块14连接，所述时钟模块12分别与逻辑分析模块10和信号传输模块连接；所述的罗氏线圈积分器6和霍尔传感器3分别与信号放大模块8连接，所述消磁校准线圈4的两根引出线分别与消磁校准模块14连接。

所述的罗氏线圈，用于探测冲击电流波形，其电流测量范围为100A-100kA，频率范围为1Hz到100MHz；所述的霍尔传感器3，用于探测泄漏电流波形，电流测量范围为10uA-1mA，频率范围为直流到1MHz；所述的消磁校准线圈4，用于定期为霍尔传感器3进行消磁和校准，消磁校准模块14在逻辑分析模块10的定期（每天一次）触发下，利用电磁谐振原理在消磁校准线圈4中产生高达10A的衰减振荡电流，能有效消除带平行开口的磁环2中的偏磁电流，保证霍尔传感器3测量结果的可靠性。

所述的信号放大模块8，用于对霍尔传感器3以及罗氏线圈的输出信号进行放大；所述滤波模块9，用于对信号放大模块8的输出信号进行滤波；所述逻辑分析模块10，一方面将滤波模块9的输出信号与参考值进行比较，判断避雷器是否动作，另一方面用于实时分析避雷器的泄漏电流大小、泄漏电流谐波幅值和冲击电流能量；所述时钟模块12，用于为逻辑分析模块10提供时钟信号，为LORA无线通讯模块11在定时发送方式时提供时钟信号；所述信号传输模块，用于将逻辑分析模块10处理后的数据发送给远程控制系统；所述的电源模块13，用于为整个信号处理系统7提供电源，采用长寿命电池（工作时间大于10年），其寿命需保证远大于避雷器寿命，其供电电压为5V。

当避雷器的接地引出导线1中有电流流过时，其产生的磁场被带平行开口的磁环2放大，并在磁环2平行开口处产生均匀的切向磁场；当流过的电流为小电流或泄漏电流时，罗氏线圈的测量精度较低，此时被测量的信号经过霍尔传感器3后传输给信号放大模块8；当流过的电流为大电流或冲击电流时，霍尔传感器3达到饱和，此时罗氏线圈的线圈本体5的输出电压与被测电流的微分成正比，经过罗氏线圈积分器6后，得到与被测电流成正比的输出电压，将输出电压传输给信号放大模块8。

信号放大模块8将其输入信号经过放大后传输给滤波模块9，滤波模块9将高于1MHz的干扰信号滤除之后，输出0-5V范围内的输出信号给逻辑分析模块10进行处理；逻辑分析模块10完成以下分析处理过程：

（1）将滤波模块9的输出信号与参考值进行比较，判断避雷器是否动作，记录避雷器动作次数；

（2）判断霍尔传感器3是否达到饱和，如果达到饱和，说明避雷器动作，再次记录避雷器动作次数，将此动作次数与（1）中的避雷器动作次数进行比较核验；

（3）在小电流或泄漏电流的情况下，分析霍尔传感器3的输出结果，计算泄漏电流有效值、泄漏电流谐波幅值和泄漏电流容性分量等关键指标；

（4）在大电流或冲击电流的情况下，分析罗氏线圈的输出电压，估算避雷器导通时的冲击电流能量；

所述逻辑分析模块10将分析处理后的结果发送给LoRa无线通讯模块11，LoRa无线通讯模块11将处理结果按照传输协议发送给远程控制系统。

所述LoRa无线通讯模块11的传输距离可达15km，且耗电量低，适合对传输速率要求不高的远距离低功耗传输场合。所述的LoRa无线通讯模块11采用两种方式发送数据：

（1）定时发送：设定发送间隔时间（例如：一天一次），定时唤醒发送一次数据，该方法可使监测人员在远距离获得避雷器运行的日常数据，有利于了解避雷器性能变化趋势；

（2）触发发送：只在逻辑分析模块10检测到避雷器已达到或接近使用寿命时唤醒LORA无线通讯模块11连续发送警告数据，该方式在平时极大地节省能量，有效保证异常情况下的数据能够可靠发送并被监测人员及时获取。

以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种交直流避雷器实时在线监测装置，其特征在于：包括罗氏线圈、霍尔传感器（3）、带平行开口的磁环（2）、信号处理系统（7）以及屏蔽绝缘保护盒（15），所述的罗氏线圈、霍尔传感器（3）、带平行开口的磁环（2）、信号处理系统（7）均设于屏蔽绝缘保护盒（15）内，在所述带平行开口的磁环（2）中心对应的屏蔽绝缘保护盒（15）上设有通孔（16），避雷器的接地引出导线（1）穿过屏蔽绝缘保护盒（15）上的通孔（16）；所述的带平行开口的磁环（2）环绕避雷器的接地引出导线（1）设置，所述的罗氏线圈环绕带平行开口的磁环（2）设置，所述霍尔传感器（3）置于带平行开口的磁环（2）的开口处，其敏感轴方向沿带平行开口的磁环（2）的切向方向；所述罗氏线圈包括线圈本体（5）和罗氏线圈积分器（6），所述线圈本体（5）和罗氏线圈积分器（6）连接，所述罗氏线圈积分器（6）与信号处理系统（7）连接；所述霍尔传感器（3）与信号处理系统（7）连接，所述信号处理系统（7）与远程控制系统连接；

所述霍尔传感器（3）包括霍尔元件以及半导体衬底，所述霍尔元件设在所述半导体衬底的表面，所述霍尔元件具有正方形形状，所述正方形霍尔元件的每个顶点处设有霍尔电压输出端子；所述正方形霍尔元件的每个顶点处设有控制电流输入端子对，且所述控制电流输入端子对以一定距离与对应霍尔电压输出端子间隔设置并在对应霍尔电压输出端子的两侧，以便防止所述控制电流输入端子与所述霍尔电压输出端子之间的电连接。

2.如权利要求1所述的交直流避雷器实时在线监测装置，其特征在于：所述霍尔元件为坡莫合金导磁体，所述坡莫合金导磁体各成分及其质量百分含量为：Ni：80.5%，Mo：5.2%，Nb：2.06%，Ti：1.8%，其余为Fe和杂质。

3.如权利要求1所述的交直流避雷器实时在线监测装置，其特征在于：还包括消磁校准线圈（4），所述消磁校准线圈（4）采用双导线绞合后均匀地缠绕在所述带平行开口的磁环（2）上，所述消磁校准线圈（4）的两根引出线分别与所述信号处理系统（7）连接。

4.如权利要求3所述的交直流避雷器实时在线监测装置，其特征在于：所述信号处理系统（7）包括信号放大模块（8）、滤波模块（9）、逻辑分析模块（10）、时钟模块（12）、电源模块（13）、信号传输模块和消磁校准模块（14）；所述的信号放大模块（8）、滤波模块（9）、逻辑分析模块（10）和信号传输模块依次连接；所述电源模块（13）分别与所述的信号放大模块（8）、滤波模块（9）、时钟模块（12）和消磁校准模块（14）连接，所述时钟模块（12）分别与逻辑分析模块（10）和信号传输模块连接；所述的罗氏线圈积分器（6）和霍尔传感器（3）分别与信号放大模块（8）连接，所述消磁校准线圈（4）的两根引出线分别与消磁校准模块（14）连接。

5.如权利要求4所述的交直流避雷器实时在线监测装置，其特征在于：所述的信号放大模块（8）采用仪表放大器。

6.如权利要求4所述的交直流避雷器实时在线监测装置，其特征在于：所述的滤波模块（9）采用低通滤波器。

7.如权利要求4所述的交直流避雷器实时在线监测装置，其特征在于：所述的信号传输模块采用LoRa无线通讯模块（11），所述LoRa无线通讯模块（11）与远程控制系统连接。

8.如权利要求1所述的交直流避雷器实时在线监测装置，其特征在于：所述的屏蔽绝缘保护盒（15）外壳为双层结构，外层采用高电导率的铜屏蔽层，且铜屏蔽层的表面喷涂有绝缘漆；内层采用高磁导率的坡莫合金屏蔽层，所述内层和外层之间填充有聚四氟乙烯。

9.如权利要求1所述的交直流避雷器实时在线监测装置，其特征在于：所述罗氏线圈的电流测量范围为100A-100kA，频率范围为1Hz到100MHz。

10.如权利要求1所述的交直流避雷器实时在线监测装置，其特征在于：所述霍尔传感器（3）的电流测量范围为10uA-1mA，频率范围为直流到1MHz。

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