CN211741436U

CN211741436U - 一种氧化锌避雷器运行状态监测装置

Info

Publication number: CN211741436U
Application number: CN201922246583.7U
Authority: CN
Inventors: 程洋; 刘鑫爽; 赵文飞; 陈振棠; 陈凯; 张丽丽
Original assignee: Liuzhou Railway Vocational Technical College
Current assignee: Liuzhou Railway Vocational Technical College
Priority date: 2019-12-16
Filing date: 2019-12-16
Publication date: 2020-10-23
Anticipated expiration: 2029-12-16

Abstract

本实用新型公开一种氧化锌避雷器运行状态监测装置，包括雷击信号监测单元，所述雷击信号监测单元包括：雷击电流信号采集模块，用于采集雷击电流信号；雷击电流信号调理模块，用于将雷击电流信号采集模块采集到的雷击电流信号进行降噪并转换为雷击电压信号，在将雷击电流信号采集模块输出的雷击感应电动势钳位到一定值后，将雷击电压信号输出到雷击监测模块。本实用新型的雷击电流信号采集模块、全电流信号采集模块均采用罗氏线圈传感器，具有自积分功能，能够输出比较大的感应电动势和电流信号。测量范围宽、精度高、稳定可靠、响应频带宽，同时具有测量和继电保护功能，体积小、重量轻、安全且符合环保要求。

Description

一种氧化锌避雷器运行状态监测装置

技术领域

本实用新型属于高压设备电性能检测领域，具体涉及一种氧化锌避雷器运行状态监测装置。

背景技术

氧化锌避雷器是七十年代发展起来的一种新型避雷器，它主要由氧化锌压敏电阻构成。每一块压敏电阻从制成时就有它的一定开关电压（叫压敏电压），在正常的工作电压下（即小于压敏电压）压敏电阻值很大，相当于绝缘状态，但在冲击电压作用下（大于压敏电压），压敏电阻呈低值被击穿，相当于短路状态。然而压敏电阻被击后，是可以恢复绝缘状态的；当高于压敏电压的电压撤销后，它又恢复了高阻状态。因此，如在电力线上安装氧化锌避雷器后，当雷击时，雷电波的高电压使压敏电阻击穿，雷电流通过压敏电阻流入大地，可以将电源线上的电压控制在安全范围内，从而保护了电气设备的安全。

从国家标准GB7327-87《交流系统用碳化硅避雷器》型式试验中，看到规定3.6避雷器的动作负载耐受性能避雷器应在避雷器额定电压下承受20次动作负载试验，由于氧化锌避雷器的重要作用，为了预防氧化锌避雷器阀片的老化和热损坏，变电所使用(或运行)中的氧化锌避雷器需要有一定监测。现查到关于氧化锌避雷器的专利有：

1、申请号：2013101166885.1，发明名称：输电线路氧化锌避雷器在线监测系统，该发明包括用于采集输电线路氧化锌避雷器泄漏电流、阻性电流、冲击电流峰值和记录冲击动作次数及时间的现场采集单元、用于管理输电线路氧化锌避雷器状态参数信息的后台服务器，使得工作人员能够及时掌握整条线路氧化锌避雷器的运行状况，系统配套设施少，成本较低，易于实现，安全性和可靠性较高。

2、申请号：200910303568.X，发明名称：氧化锌避雷器在线监测系统，氧化锌避雷器在线监测系统,包括微处理器，微处理器分别与A/D转换单元、雷击计数模块和GPRS通信模块相连接, A/D转换单元分别与泄漏电流采样模块和电压采样模块相连接，微处理器的结构包括输入/输出接口、计数器和串行通信接口,输入/输出接口与A/D转换单元相连接，计数器与雷击计数模块相连接,串行通信接口与GPRS通信模块相连接，微处理器采用FPGA芯片EP1C6Q240C8。该发明监测系统在运行电压下对氧化锌避雷器的绝缘性能进行动态监测，测试结果准确可靠,测试过程简单、试验周期短、不易受人为和外界因素的影响，并能提供氧化锌避雷器运行和性能劣化的长期数据资料，有较好的实用价值。

上述两个专利的存在下列问题：（1）所选处理器的运算能力不够强。由于现场的干扰比较大，数据产生的时间短暂，噪声多而杂，如果没有很强的算法做支撑，很难完成数据的精确处理。（2）数据采集部分还需要PT的信号，在应用上存在一定限制，例如接线复杂，干扰更大。（3）由于监测的数据传输可能多而快，以上两个方案均存在GPRS通信方式较难实现大量数据的快速、稳定地传输。

发明内容

本实用新型的目的是解决上述技术问题，提供一种可以实现氧化锌避雷器放电次数（雷击次数）的计数、保护性能的在线监测及运行状态预警的氧化锌避雷器运行状态监测装置。

为实现上述的目的，本实用新型的技术方案为：

一种氧化锌避雷器运行状态监测装置，包括雷击信号监测单元，所述雷击信号监测单元包括：

雷击电流信号采集模块，用于采集避雷器的雷击电流信号；

雷击电流信号调理模块，用于将雷击电流信号采集模块采集到的雷击电流信号进行降噪并转换为雷击电压信号，在将雷击电流信号采集模块输出的雷击感应电动势钳位到一定值后，将雷击电压信号输出到雷击监测模块；雷击电流信号调理模块的输入端与雷击电流信号采集模块的输出端连接；

雷击监测模块，用于将雷击电流信号调理模块输出的雷击电压信号与参考电压进行比较，如果高于阈值，将输出高电平信号至FPGA模块；所述雷击监测模块的一个输入端与雷击电流信号调理模块的输出端连接，雷击监测模块与FPGA模块双向连接；

DAC模块，用于向雷击监测模块提供参考电压；DAC模块的输出端与雷击监测模块的另一个输入端连接，DAC模块与FPGA模块双向连接；

FPGA模块，用于发送模数转换指令、缓存数据、计算雷击次数与雷击脉冲宽度，最后结果经数据总线传输给MCU模块；FPGA模块与MCU模块双向连接；

MCU模块，用于FPGA模块与上位机之间的信息交互，MCU模块与无线串口通信单元双向连接。

作为进一步的技术方案，监测装置还包括泄露电流监测单元，所述泄露电流监测单元包括：

全电流信号采集模块，用于采集避雷器泄露的电流信号；

全电流信号调理模块，用于将全电流信号采集模块采集到的电流信号放大和滤波，转化为电压信号；全电流信号调理模块的输入端与全电流信号采集模块的输出端连接；

ADC模块，用于实现全电流信号调理模块输出的电压信号的模数转换，将电压的模拟量转换为数字量，输入到FPGA模块中处理；ADC模块与FPGA模块双向连接。

作为进一步的技术方案，以上所述雷击电流信号采集模块为罗氏线圈传感器，安装在氧化锌避雷器接地极接线上。

作为进一步的技术方案，以上所述雷击电流信号调理模块包括5个电阻、2个电容、2个二极管和1个电压跟随器，其中，R1电阻一端连接雷击电流信号采集模块的输出端，R1电阻和R5电阻串联组成分压电路，R5电阻与D1瞬态抑制二极管并联并一端共同接地；R2电阻和R3电阻串联， R3电阻与C2电容并联， R3电阻与C3电容串联， C3电容和D2二极管并联，R8电阻与R2电阻、R3电阻并联， C2电容、C3电容另外一端均需要接地，共同组成RC滤波电路，RC滤波电路将采集到的无用的高频信号及电磁干扰信号屏蔽，将滤波后的信号传入有信号隔离、增加带载能力的B1电压跟随器中，R3电阻与 C3电容串联管脚与B1电压跟随器的输入端相连。

作为进一步的技术方案，以上所述雷击监测模块，包括1个比较器、2个电阻和1个电容，电压跟随器B1的输出端与R4电阻相连，R4电阻与 C4电容串联组成滤波电路，R4电阻与 B2比较器的一个输入端连接，B2比较器的另一输入端与DAC模块的输出端相连接，B2比较器输出端与R6电阻串联输出到FPGA模块。

作为进一步的技术方案，以上所述全电流信号采集模块为罗氏线圈传感器，安装在氧化锌避雷器接地极接线上。

作为进一步的技术方案，以上所述全电流信号调理模块包括3个运算放大器、7个电阻和1个电容，全电流信号调理模块输出端连接B3运算放大器的反相输入端，B3运算放大器的输出端串联R9电阻连接到B4运算放大器同相输入端，B4运算放大器输出端串联R10电阻连接到B5运算放大器，B5运算放大器的输出端连接ADC模块的输入端，R9电阻与C5电容串联组成RC滤波电路，C5电容的另一端接地；R12电阻、R13电阻和R14电阻分别并联在B3运算放大器、B4运算放大器和B5运算放大器两端；；R15电阻一端接入B4运算放大器的输入端，另一端接地；R11电阻一端接入B5运算放大器的输入端，另一端接地。

作为进一步的技术方案，以上所述DAC模块为数模转换器。

作为进一步的技术方案，以上所述ADC模块为模数转换器。

作为进一步的技术方案，以上所述MCU模块还连接声光报警器。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

1. 本实用新型的雷击电流信号采集模块、全电流信号采集模块均采用罗氏线圈传感器，具有自积分功能，能够输出比较大的感应电动势和电流信号。测量范围宽、精度高、稳定可靠、响应频带宽，同时具有测量和继电保护功能，体积小、重量轻、安全且符合环保要求。

2. 本实用新型的微处理模块采用FPGA与MCU配合的方式，充分发挥FPGA模块强大的的数据处理能力、存储能力和可编程性好的优势；充分利用MCU的通信能力，通过MCU来控制数据通信和通信协议解析等。将两个芯片的各自优势充分发挥出来，互不干扰，有效提高装置性能。

3. 本实用新型采用无线通讯方式，可选用E31-230T17D芯片无线通信性能好，抗干扰能力强，稳定性好，通信距离达到2km以上，完全满足本方案在牵引变电所、变配电所内的应用需求。

附图说明

图1为本实用新型一种氧化锌避雷器运行状态监测装置的整体设计框图；

图2为本实用新型雷击电流信号调理模块和雷击监测模块的连接电路图；

图3为本实用新型全电流信号调理模块的电路图；

图4为本实用新型ADC模块和DAC模块与FPGA的连接电路图；

图5为本实用新型FPGA、MCU和无线通讯模块的连接结构示意图。

I-雷击电流信号调理模块，II-雷击监测模块。

具体实施方式

下面结合实施案例对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式并不局限于实施例表示的范围。

如图1-4所示，一种氧化锌避雷器运行状态监测装置，包括雷击信号监测单元，所述雷击信号监测单元包括：雷击电流信号采集模块，用于采集避雷器的雷击电流信号，雷击电流信号采集模块为罗氏线圈传感器，安装在氧化锌避雷器接地极接线上；雷击电流信号调理模块，用于将雷击电流信号采集模块采集到的雷击电流信号进行降噪并转换为雷击电压信号，在将雷击电流信号采集模块输出的雷击感应电动势钳位到一定值后，将雷击电压信号输出到雷击监测模块；雷击电流信号调理模块的输入端与雷击电流信号采集模块的输出端连接；雷击监测模块，用于将雷击电流信号调理模块输出的雷击电压信号与参考电压进行比较，如果高于阈值，将输出高电平信号至FPGA模块；所述雷击监测模块的一个输入端与雷击电流信号调理模块的输出端连接，雷击监测模块与FPGA模块双向连接；雷击电流信号调理模块包括5个电阻、2个电容、2个二极管和1个电压跟随器，其中，R1电阻一端连接雷击电流信号采集模块的输出端，R1电阻和R5电阻串联组成分压电路，R5电阻与D1瞬态抑制二极管并联并一端共同接地；R2电阻和R3电阻串联， R3电阻与C2电容并联， R3电阻与C3电容串联， C3电容和D2二极管并联， R8电阻与R2电阻、R3电阻并联， C2电容、C3电容另外一端均需要接地，共同组成RC滤波电路，RC滤波电路将采集到的无用的高频信号及电磁干扰信号屏蔽，将滤波后的信号传入有信号隔离、增加带载能力的B1电压跟随器中，R3电阻与C3电容串联管脚与B1电压跟随器的输入端相连；雷击监测模块，包括1个比较器、2个电阻和1个电容，电压跟随器B1的输出端与R4电阻相连，R4电阻与 C4电容串联组成滤波电路，R4电阻与 B2比较器的一个输入端连接，B2比较器的另一输入端与DAC模块的输出端相连接，B2比较器输出端与R6电阻串联输出到FPGA模块。

泄露电流监测单元，泄露电流监测单元包括：全电流信号采集模块，用于采集避雷器泄露的电流信号；全电流信号调理模块，用于将全电流信号采集模块采集到的电流信号放大和滤波，转化为电压信号；全电流信号调理模块的输入端与全电流信号采集模块的输出端连接；ADC模块，用于实现全电流信号调理模块输出的电压信号的模数转换，将电压的模拟量转换为数字量，输入到FPGA模块中处理；ADC模块与FPGA模块双向连接。全电流信号采集模块为罗氏线圈传感器，安装在氧化锌避雷器接地极接线上。全电流信号调理模块包括3个运算放大器、7个电阻和1个电容，全电流信号调理模块输出端连接B3运算放大器的反相输入端，B3运算放大器的输出端串联R9电阻连接到B4运算放大器同相输入端，B4运算放大器输出端串联R10电阻连接到B5运算放大器，B5运算放大器的输出端连接ADC模块的输入端，R9电阻与C5电容串联组成RC滤波电路，C5电容的另一端接地；R12电阻、R13电阻和R14电阻分别并联在B3运算放大器、B4运算放大器和B5运算放大器两端；；R15电阻一端接入B4运算放大器的输入端，另一端接地；R11电阻一端接入B5运算放大器的输入端，另一端接地。ADC模块为模数转换器。

DAC模块，用于向雷击监测模块提供参考电压；DAC模块的输出端与雷击监测模块的另一个输入端连接，DAC模块与FPGA模块双向连接；DAC模块为数模转换器。

MCU模块还连接声光报警器。

本发明中，全电流信号调理模块，将采集到的微弱的电流信号放大和滤波，转化为电压信号；采集到的信号不失真，精度能够满足ADC芯片的量程需求。该模块主要是将两个放大器通过级联的方式以增加放大倍数，输出到ADC的电压保持在0～5V的范围之间，达到满足ADC模块的量程需求。该模块主要用于采集避雷器的泄漏电流信号，用于系统诊断避雷器的运行状态是否良好。

ADC模块为模数转换器，主要是实现全电流信号调理模块输出的电压信号的模数转换，将电压的模拟量转换为数字量，能够输入到FPGA模块中处理。

FPGA 模块，实现的功能主要有：控制ADC 芯片将全电流信号转换成数字信号，该信号经过FPGA芯片处理后缓存到 SRAM 中，等待 MCU 传输的控制指令；将缓存的数据经数据总线传输给 MCU 进行运算并处理；将MCU传输的雷击阈值经DAC后传入比较器与雷击信号进行比较，计算雷击次数与雷击脉冲宽度，最后结果传回 MCU 进行运算。

MCU模块：MCU 负责FPGA与上位机之间的信息交互：一方面解析通讯协议，将上位机传来的控制指令转发给 FPGA模块，另一方面将FPGA模块采集和处理过的数据进行进一步运算处理，以判断避雷器状态是否良好，并按照通信协议要求将运算结果传送给上位机。如果避雷器性能劣化，声光报警器长鸣报警，方便巡视和检修人员及时发现故障位置。FPGA、MCU和无线通讯模块的连接结构如图5所示。

无线串口通信模块，主要是由MCU控制，通过无线串口与上位机进行无线数据传输。

本实用新型主要芯片选择如下：

（1）DAC模块选用的是TLC5620 芯片；

（2）电压跟随器芯片选用ADA4807-1 输入/输出放大器。

（3）FPGA模块选择的是EP3C10E144 芯片。

（4）雷电流监测模块采用罗氏线圈传感器。

（5）比较器选用的是MAX9140AAUK+T。

（6）ADC模块选用的使AD7655。本方案选择串行从模式输出模式，可大大减少输出线的数量，简化整体硬件设计结构。

（7）放大器选择的是OP07CN。

（8）MCU模块选用的是MSP430F169。

（9）无线串口通信模块选择的是E31-230T17D。

本专利设计的氧化锌避雷器运行状态在线监测装置利用FPGA控制对避雷器泄露电流和母线电压进行数据采集，然后将采集的数据通过转换、滤波、放大等传入到 FPGA模块中进行逻辑分析与临时存储。当系统上位机的指令下达时，存储的数据会被传到 MCU 模块中进行运算处理，最后通过无线串口将数据发送到上位机进行显示；当氧化锌避雷器保护的线路或设备没有出现过电压时，装置定时监测和记录结果，并将数据上传至上位机存储，便于上一级系统对避雷器保护性能的优劣进行动态化监测，其他时间会处于休眠状态，降低功耗；当出现直击雷、感应雷等引起的线路或设备过电压时，装置将立即被唤醒进行状态监测，并将实时数据上传至上位机显示。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种氧化锌避雷器运行状态监测装置，其特征在于，包括雷击信号监测单元，所述雷击信号监测单元包括：

雷击电流信号采集模块，用于采集避雷器的雷击电流信号；

2.根据权利要求1所述的一种氧化锌避雷器运行状态监测装置，其特征在于：监测装置还包括泄露电流监测单元，所述泄露电流监测单元包括：

全电流信号采集模块，用于采集避雷器泄露的电流信号；

3.根据权利要求1所述的一种氧化锌避雷器运行状态监测装置，其特征在于：所述雷击电流信号采集模块为罗氏线圈传感器，安装在氧化锌避雷器接地极接线上。

4.根据权利要求1所述的一种氧化锌避雷器运行状态监测装置，其特征在于：所述雷击电流信号调理模块包括5个电阻、2个电容、2个二极管和1个电压跟随器，其中，R1电阻一端连接雷击电流信号采集模块的输出端，R1电阻和R5电阻串联组成分压电路，R5电阻与D1瞬态抑制二极管并联并一端共同接地；R2电阻和R3电阻串联， R3电阻与C2电容并联， R3电阻与C3电容串联， C3电容和D2二极管并联， R8电阻与R2电阻、R3电阻并联， C2电容、C3电容另外一端均需要接地，共同组成RC滤波电路，RC滤波电路将采集到的无用的高频信号及电磁干扰信号屏蔽，将滤波后的信号传入有信号隔离、增加带载能力的B1电压跟随器中，R3电阻与 C3电容串联管脚与B1电压跟随器的输入端相连。

5.根据权利要求4所述的一种氧化锌避雷器运行状态监测装置，其特征在于：所述雷击监测模块，包括1个比较器、2个电阻和1个电容，电压跟随器B1的输出端与R4电阻相连，R4电阻与 C4电容串联组成滤波电路，R4电阻与 B2比较器的一个输入端连接，B2比较器的另一输入端与DAC模块的输出端相连接，B2比较器输出端与R6电阻串联输出到FPGA模块。

6.根据权利要求2所述的一种氧化锌避雷器运行状态监测装置，其特征在于：所述全电流信号采集模块为罗氏线圈传感器，安装在氧化锌避雷器接地极接线上。

7.根据权利要求6所述的一种氧化锌避雷器运行状态监测装置，其特征在于：所述全电流信号调理模块包括3个运算放大器、7个电阻和1个电容，全电流信号调理模块输出端连接B3运算放大器的反相输入端，B3运算放大器的输出端串联R9电阻连接到B4运算放大器同相输入端，B4运算放大器输出端串联R10电阻连接到B5运算放大器，B5运算放大器的输出端连接ADC模块的输入端，R9电阻与C5电容串联组成RC滤波电路，C5电容的另一端接地；R12电阻、R13电阻和R14电阻分别并联在B3运算放大器、B4运算放大器和B5运算放大器两端； R15电阻一端接入B4运算放大器的输入端，另一端接地；R11电阻一端接入B5运算放大器的输入端，另一端接地。

8.根据权利要求1所述的一种氧化锌避雷器运行状态监测装置，其特征在于：所述DAC模块为数模转换器。

9.根据权利要求2所述的一种氧化锌避雷器运行状态监测装置，其特征在于：所述ADC模块为模数转换器。

10.根据权利要求1所述的一种氧化锌避雷器运行状态监测装置，其特征在于：所述MCU模块还连接声光报警器。