CN110361606A - 线路避雷器在线监测系统 - Google Patents

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曹立波
陈玲强
陈其平
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Abstract

本发明提供一种线路避雷器在线监测系统，其包括电流传感器、数据终端和监测中心；A、B、C三相线路避雷器上均安装有电流传感器；所述电流传感器通过无线通信方式将检测到的线路避雷器的运行数据发送给数据终端；数据终端汇集A、B、C三相电流传感器的数据及数据终端采集的温湿度、经纬度数据通过无线通信方式传送到监测中心，监测中心将接收到的数据进行处理，以图表的形式进行展示，并对异常数据进行报警。本发明能实时监测输电线路避雷器在运行电状况；避雷器运行的环境温度度、经纬度等。本发明的电流传感器能高速跟踪调整，使铁芯能始终保持在逼近零磁通状态，传感器达到较高的精度。

Description

线路避雷器在线监测系统
技术领域
本发明属于电力领域，具体涉及一种线路避雷器在线监测系统。
背景技术
目前输电线路采用的氧化锌避雷器大多不带有任何间隙，这样氧化锌阀片长期直接承受工 频电压，运行期间总有电流流过阀片，会引起避雷器阀片老化、阻性泄漏电流增加和加剧导致 避雷器阀片温度升高至发生热崩溃，从而引发电力系统事故。为了及时发现氧化锌避雷器的隐 患，需要对其运行状态进行在线监测。测量氧化锌避雷器在运行状态下的泄漏全电流、阻性电 流、夹角、阻容比、谐波电流等，测量流过氧化锌避雷器泄漏全电流、阻性电流的变化来监测 氧化锌避雷器性能的变化，并对引起泄漏电流变化的原因进行进一步的分析。采集并记录雷击 次数、雷击强度形成大数据，为准确分析、预判避雷器劣化程度提供数据依据。
发明内容
本发明的目的是提供一种线路避雷器在线监测系统。
本发明采用以下技术方案：一种线路避雷器在线监测系统，其包括电流传感器、数据终端 和监测中心；A、B、C三相线路避雷器上均安装有电流传感器；所述电流传感器通过RS485通 信方式将检测到的线路避雷器的泄漏全电流、阻性电流、夹角；泄漏电流的3、5、7次谐波； 冲击电流次数、冲击电流峰值发送给数据终端；数据终端包括MCU及分别与其相连接的温湿度 传感器、GPS模块、无线通信模块、RS485接口、存储模块及电源模块；数据终端汇集A、B、 C三相电流传感器的数据、数据终端通过温湿度传感器采集周围环境的温湿度、通过GPS模块 采集安装位置的经纬度，数据通过无线通信模块传送到监测中心；监测中心将接收到的数据进 行处理，以图表的形式进行展示，并对异常数据进行报警。
在本发明一实施例中，所述电流传感器包含零磁通传感器及两路罗氏线圈传感器；所述零 磁通传感器采集避雷器泄漏全电流，采集前端无PT电压参考信号，电流传感器采用正交变换原 理，计算避雷器的阻性电流、夹角、泄漏电流的3、5、7次谐波；一路罗氏线圈传感器通过一 积分电路精确还原雷击波形，通过精密绝对值电路、峰值检波电路，测量避雷器的3kA-100kA 大电流的雷击冲击峰值；另一路罗氏线圈传感器通过一积分电路精确还原雷击波形，当雷击电 流大于30A时触发芯片进行雷击计数，并记录雷击发生的时间。
进一步的，所述零磁通传感器包括一次侧绕组N1、二次侧绕组N2、检测绕组ND、动态检 测单元D及产生二次电流的有源网络G；所述检测绕组ND与动态检测单元D的输入端连接； 动态检测单元D输出端与二次电流的有源网络G输入端连接；所述二次电流的有源网络G输出 端与二次侧绕组N2一端连接；二次侧绕组N2另一端与负载连接；所述动态检测D动态检测ND两端的电势差，当电势差近似为零的允许值时，铁芯中的磁通即近似为零磁通；若检测值偏离 允许值，有源网络G则自动调整。
进一步的，所述零磁通传感器工作包括以下步骤：
氧化锌避雷器泄露电流标准波形为u＝Upsin(ωt)；式中
i＝IpR1sin(ωt)+IpR3sin(3ωt+π)+IpC1sin(ωt+π/2)；u为参比电压；Up为参比电压的峰值； ω为基波角频率；i为泄漏全电流；IpR1为阻性基波电流峰值；IpR3为阻性三次谐波峰值；IpC1为容性基波电流峰值；
其中
根据三角函数变换：i＝IpC1sin(ωt+π/2)+IpRsin3(ωt)；
再依据经典的氧化锌避雷器等值电路得到全电流表达式：
得到的推论是：非线性系数α＝3，容性基波电流峰值IpC1＝ωCUp，阻性电流的峰值K氧化锌避雷器的电阻系数；
且当避雷器器出现裂化阻性电流明显增加，容性电流基本不变，因此得到C是避雷器的等 效电容。
进一步的，所述罗氏线圈传感器及气隙传感器包括精密绝对值电路、峰值检波电路；所述 精密绝对值电路用于波形翻转，密绝对值电路输出与峰值检波电路连接；峰值检波电路进行峰 值采样。
进一步的，所述电流传感器包括采用不同金属材料组成多层屏蔽壳及设置在屏蔽壳内的零 磁通传感器、两路罗氏线圈传感器和采集电路板；屏蔽壳外还套设有一不锈钢壳体。
在本发明一实施例中，所述电流传感器通过RS485或短距离无线通讯方式与数据终端连接； 数据终端过4G全网通传送到监测中心。
与现有技术相比本发明具有以下优点：1、本发明能实时监测输电线路避雷器在运行电压下 的泄漏全电流、阻性电流、夹角；泄漏电流的3、5、7次谐波；冲击电流次数、冲击电流峰值、 对应时间；避雷器运行的环境温度度、经纬度等。并将数据通过4G全网通通讯传送到监测中心， 接入输变电在线监测系统平台(OMDS)，以列表和图像的方式展示监测结果，出现异常及时发 出报警信号。2、本发明的电流传感器能高速跟踪调整，使铁芯能始终保持在逼近零磁通状态， 传感器达到较高的精度。
附图说明
图1为本发明的主要原理示意图。
图2为本发明一实施例的数据终端原理框图。
图3避雷器等效模型示意图。
图4为避雷器泄漏电流等效示意图。
图5为零磁通传感器的原理框图。
图6为本发明一实施例的雷击波形模拟示意图。
图7为本发明一实施例的罗氏线圈传感器和气隙传感器的模拟示意图。
图8为本发明一实施例的模拟实验结果示意图。
图9为本发明一实施例的电流传感器的结构示意图。
图10为图9的内部结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释说明。
本发明的目的是提供一种线路避雷器在线监测系统，其包括电流传感器、数据终端和监测 中心；A、B、C三相线路避雷器上均安装有电流传感器；所述电流传感器通过RS485通信方式 将检测到的线路避雷器的泄漏全电流、阻性电流、夹角；泄漏电流的3、5、7次谐波；冲击电 流次数、冲击电流峰值发送给数据终端；数据终端包括MCU及分别与其相连接的温湿度传感器、 GPS模块、无线通信模块、RS485接口、存储模块及电源模块；数据终端汇集A、B、C三相电 流传感器的数据、数据终端通过温湿度传感器采集周围环境的温湿度、通过GPS模块采集安装 位置的经纬度，数据通过无线通信模块传送到监测中心；监测中心将接收到的数据进行处理， 以图表的形式进行展示，并对异常数据进行报警。本发明的主要结构示意图参见图1。图2为本 发明一实施例的数据终端原理示意参见图2。
在本发明一实施例中，所述电流传感器包含零磁通传感器及两路罗氏线圈传感器；所述零 磁通传感器采集避雷器泄漏全电流，采集前端无PT电压参考信号，电流传感器采用正交变换原 理，计算避雷器的阻性电流、夹角、泄漏电流的3、5、7次谐波；一路罗氏线圈传感器通过一 积分电路精确还原雷击波形，通过精密绝对值电路、峰值检波电路，测量避雷器的3kA-100kA 大电流的雷击冲击峰值；另一路罗氏线圈传感器通过一积分电路精确还原雷击波形，当雷击电 流大于30A时触发芯片进行雷击计数，并记录雷击发生的时间。
进一步的，所述零磁通传感器包括一次侧绕组N1、二次侧绕组N2、检测绕组ND、动态检 测单元D及产生二次电流的有源网络G；所述检测绕组ND与动态检测单元D的输入端连接； 动态检测单元D输出端与二次电流的有源网络G输入端连接；所述二次电流的有源网络G输出 端与二次侧绕组N2一端连接；二次侧绕组N2另一端与负载连接；所述动态检测D动态检测ND两端的电势差，当电势差近似为零的允许值时，铁芯中的磁通即近似为零磁通；若检测值偏离 允许值，有源网络G则自动调整。
进一步的，所述零磁通传感器工作包括以下步骤：
氧化锌避雷器泄露电流标准波形为u＝Upsin(ωt)；式中
i＝IpR1sin(ωt)+IpR3sin(3ωt+π)+IpC1sin(ωt+π/2)；u为参比电压；Up为参比电压的峰值； ω为基波角频率；i为泄漏全电流；IpR1为阻性基波电流峰值；IpR3为阻性三次谐波峰值；IpC1为容性基波电流峰值；
其中
根据三角函数变换：i＝IpC1sin(ωt+π/2)+IpRsin3(ωt)；
再依据经典的氧化锌避雷器等值电路得到全电流表达式：
得到的推论是：非线性系数α＝3，容性基波电流峰值IpC1＝ωCUp，阻性电流的峰值
且当避雷器器出现裂化阻性电流明显增加，容性电流基本不变，因此得到C是避雷器的等 效电容。
进一步的，所述罗氏线圈传感器及气隙传感器包括精密绝对值电路、峰值检波电路；所述 精密绝对值电路用于波形翻转，密绝对值电路输出与峰值检波电路连接；峰值检波电路进行峰 值采样。
在本发明一实施例中，所述电流传感器通过RS485或短距离无线通讯方式与数据终端连接； 数据终端过4G全网通传送到监测中心。
简要分析本发明电流传感器工作原理：
泄露全电流的采集主要包括一些步骤：
首先分析一下避雷器等效模型，避雷器等效模型如图3所示。图4为避雷器泄漏电流等效 示意图。ir1--表示污秽电流,ir2--表示避雷器内部等效电阻电流。ic--表示容性电流。如何在没有 电压参考的情况下实现阻性电流测量，污秽电流主要受空气湿度影响，阻性电流主要受到避雷 器阀芯裂化影响，经研究表明：当氧化锌避雷器出现内部老化或击穿故障的前兆时，其阻性电 流ir2上升，容性电流ic及外绝缘泄漏电流ir1均不变。当ir1较大的时候可能会影响结果，例如在 海边等高盐雾地区，避雷器表面存在盐雾，导致总电流发生很大的变化，而表计测量的是阀片 内的电流，不容易引起变化。采用零磁通的方案的时候避雷器表面污秽电流对测量会带来影响。
本发明采用无PT法计算避雷器的阻性电流、夹角、泄漏电流的3、5、7次谐波。具体包 括以下步骤：
根据电力行业有关避雷器阻性电流测量的标准DL/T 987-2005 5.4.1给出了氧化锌避雷器 泄露电流标准波形为u＝Upsin(ωt)
式中：i＝IpR1sin(ωt)+IpR3sin(3ωt+π)+IpC1sin(ωt+π/2)
u--参比电压(实际就是施加在避雷器上的电压)
Up--参比电压的峰值
ω--基波角频率
i--全电流
IpR1--阻性基波电流峰值
IpR3--阻性三次谐波峰值
IpC1--容性基波电流峰值
根据相关文献得出的结论：
根据三角函数变换：i＝IpC1sin(ωt+π/2)+IpRsin3(ωt)
依据经典的氧化锌避雷器等值电路得到全电流表达式：
得到的推论是：非线性系数α＝3容性基波电流峰值IpC1＝ωCUp阻性电流的峰值
根据这个结论我们知道在无PT的前提条件下，根据当避雷器器出现裂化阻性电流明显增 加，容性电流基本不变，得到C是避雷器的等效电容，在这个前提下进行无PT采样，从而得 到阻性电流的参数。
本发明零磁通传感器的原理框图参见图5。其中，ND为检测绕组，D为动态检测单元，G 为产生二次电流的有源网络。本回路的磁势平衡方程为：
I1N1+I2N2+IDND＝-I0N1
I1产生的激磁磁通在两端产生感应电势，并加到动态检测单元D的输入端，通过G产生二 次电流I2提供给二次绕组，所产生的磁通对铁芯去磁，使铁芯达到磁势平衡。因此，理想状态 时，该传感器的二次绕组电流I2全部由有源网络G供给，而不从感应电势取电流。D高速动态 检测ND两端的电势差，当电势差足够小(近似为零的允许值)时，铁芯中的磁通即近似为零磁 通。若检测值偏离允许值，G则自动高速调整。如此高速跟踪调整，使铁芯能始终保持在逼近 零磁通状态，传感器达到较高的精度。
本发明冲击电流信号采集通过罗氏线圈传感器实现。
在本发明一具体实施中，进行模拟仿真，查看该方案是否可行。模拟雷击双指数波形，发 生正负感应雷，用matlab进行模型数据建立。雷击波形仿真参见图6。罗氏线圈传感器以图7 中的模拟电路替代。
V2加载matlab生成雷击波形文件，进行雷电流波形发生。
前端采用精密绝对值电路进行波形翻转，主要由U4来完成，将信号送入峰值检波电路进行 峰值采样，通过U2比较器来进行峰值波形一半的雷击波形脉宽检测，R6提供一个预偏置，使 得输出为0。模拟效果参见图8。通道A输入雷击波形，模拟正向反向雷击。通道B(黄色)实 现绝对值电路进行翻转。通道C进行峰值检波。通道D测量雷击半波脉宽。可见模拟试验效果 良好。
参见图9-10，所述电流传感器包括屏蔽壳及设置在屏蔽壳内的零磁通传感器1、两路罗氏 线圈传感器2；屏蔽壳3外还套设有一壳体4。在本发明实际应用中壳体底部与一安装盖5连接； 安装盖5与一安装板6固定连接。通过安装板6将传感器安装于线路铁塔上，并将线路避雷器 接地线穿过传感器中心孔进行测量。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出 本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种线路避雷器在线监测系统，其特征在于：包括电流传感器、数据终端和监测中心；A、B、C三相线路避雷器上均安装有电流传感器；所述电流传感器通过RS485通信方式将检测到的线路避雷器的泄漏全电流、阻性电流、夹角；泄漏电流的3、5、7次谐波；冲击电流次数、冲击电流峰值发送给数据终端；
数据终端包括MCU及分别与其相连接的温湿度传感器、GPS模块、无线通信模块、RS485接口、存储模块及电源模块；
数据终端汇集A、B、C三相电流传感器的数据、数据终端通过温湿度传感器采集周围环境的温湿度、通过GPS模块采集安装位置的经纬度，数据通过无线通信模块传送到监测中心；监测中心将接收到的数据进行处理，以图表的形式进行展示，并对异常数据进行报警。
2.根据权利要求1所述的线路避雷器在线监测系统，其特征在于：所述电流传感器包含零磁通传感器及两路罗氏线圈传感器；
所述零磁通传感器采集避雷器泄漏全电流，采集前端无PT电压参考信号，电流传感器采用正交变换原理，计算避雷器的阻性电流、夹角、泄漏电流的3、5、7次谐波；
一路罗氏线圈传感器通过一积分电路精确还原雷击波形，通过精密绝对值电路、峰值检波电路，测量避雷器的3kA-100kA大电流的雷击冲击峰值；另一路罗氏线圈传感器通过一积分电路精确还原雷击波形，当雷击电流大于30A时触发芯片进行雷击计数，并记录雷击发生的时间。
3.根据权利要求2所述的线路避雷器在线监测系统，其特征在于：所述零磁通传感器包括一次侧绕组N1、二次侧绕组N2、检测绕组ND、动态检测单元D及产生二次电流的有源网络G；所述检测绕组ND与动态检测单元D的输入端连接；动态检测单元D输出端与二次电流的有源网络G输入端连接；所述二次电流的有源网络G输出端与二次侧绕组N2一端连接；二次侧绕组N2另一端与负载连接；所述动态检测D动态检测ND两端的电势差，当电势差近似为零的允许值时，铁芯中的磁通即近似为零磁通；若检测值偏离允许值，有源网络G则自动调整。
4.根据权利要求3所述的线路避雷器在线监测系统，其特征在于：所述零磁通传感器工作包括以下步骤：
氧化锌避雷器泄露电流标准波形为u＝Upsin(ωt)；式中
i＝IpR1sin(ωt)+IpR3sin(3ωt+π)+IpC1sin(ωt+π/2)；u为参比电压；Up为参比电压的峰值；ω为基波角频率；i为泄漏全电流；IpR1为阻性基波电流峰值；IpR3为阻性三次谐波峰值；IpC1为容性基波电流峰值；
其中
根据三角函数变换：i＝IpC1sin(ωt+π/2)+IpRsin3(ωt)；
再依据经典的氧化锌避雷器等值电路得到全电流表达式：
得到的推论是：非线性系数α＝3，容性基波电流峰值IpC1＝ωCUp，阻性电流的峰值
K为氧化锌避雷器的电阻系数；且当避雷器器出现裂化阻性电流明显增加，容性电流基本不变，因此得到C是避雷器的等效电容。
5.根据权利要求2所述的线路避雷器在线监测系统，其特征在于：所述罗氏线圈传感器包括精密绝对值电路、峰值检波电路；所述精密绝对值电路用于波形翻转，精密绝对值电路输出与峰值检波电路连接；峰值检波电路进行雷击峰值采样。
6.根据权利要求1所述的线路避雷器在线监测系统，其特征在于：所述电流传感器包括采用不同金属材料组成多层屏蔽壳及设置在屏蔽壳内的零磁通传感器、两路罗氏线圈传感器和采集电路板；屏蔽壳外还套设有一不锈钢壳体。
7.根据权利要求1所述的线路避雷器在线监测系统，其特征在于：所述电流传感器通过RS485或短距离无线通讯方式与数据终端连接；数据终端过4G全网通传送到监测中心。
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