CN218727911U - 一种配网避雷器泄漏电流带电测量仪 - Google Patents

一种配网避雷器泄漏电流带电测量仪 Download PDF

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冯洋
毛燕荣
尹松
余金花
朱静
潘丽娟
杨小龙
朱永伟
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Abstract

本实用新型公开了一种配网避雷器泄漏电流带电测量仪，属于漏电检测技术领域，包括泄漏电流测量电路、母线电压波形测量电路和信号处理电路，所述泄漏电流测量电路包括电流互感器和放大电路A，母线电压波形测量电路包括感应电极和放大电路B，信号处理电路包括模数转换器计算模块以及蓝牙模块，所述电流互感器的信号输出端连接放大电路A的信号输入端，本实用新型采用微分式电流互感器配合放大滤波电路制作的电流传感器具有极高的灵敏度，可以实现对微安级信号的测量；本方案对电流传感器在50Hz下的灵敏度和相位差进行校准，解决了微分式电流互感器以及放大滤波电路造成的灵敏度不确定以及存在相位差的问题。

Description

一种配网避雷器泄漏电流带电测量仪
技术领域
本实用新型涉及漏电检测技术领域，具体是一种配网避雷器泄漏电流带电测量仪。
背景技术
最广泛使用的金属氧化物避雷器(metal oxide arrester,MOA)等效电路如图1所示， MOA被等效为一个非线性电阻R和晶界电容C并联的模型，MOA的总泄漏电流i分为阻性泄漏电流iR和容性泄漏电流iC，阻性泄漏电流一般占总泄漏电流的10％～20％。当MOA 发生老化和受潮时，其总泄漏电流和容性泄漏电流通常变化不大，但阻性泄漏电流则会明显增大，因此准确提取MOA的阻性泄漏电流对其状态检测具有至关重要的意义。
对于高电压等级(110kV及以上)的主网避雷器而言，其底端通过接地引线接地，MOA的总泄漏电流为毫安级，利用高灵敏度的电流互感器(current transformer,CT)即可进行测量，避雷器母线的电压波形可以通过线路上安装的电压互感器获取。目前传统的避雷器泄漏电流带电检测仪接线原理如图2所示，首先通过CT获取MOA的总泄漏电流i，再利用线路上安装的电压互感器获取母线波形，利用获得的总泄漏电流和母线电压波形，通过投影法、容性电流补偿法等方法计算出阻性泄漏电流。
传统方法中采用的CT为自积分结构，其原理图如图3所示，i1(t)为一次侧导线中的电流，M为互感器和一次侧被测导线间的互感，L为互感器线圈的自感，ui(t)为二次侧感应电压，i(t)为二次侧中流过的电流，r为互感器线圈内阻，R为积分电阻，uo(t)为积分电阻R 上的电压降。
根据电磁感应定律，二次侧感应电压ui(t)为：
Figure DEST_PATH_GDA0003992998680000011
电路满足自积分的条件如下：
Figure DEST_PATH_GDA0003992998680000012
令ω＝2πf，则自积分条件为：
ωL＞＞i(t)(R+r) (3)
此时，二次侧中流过的电流i(t)为：
Figure DEST_PATH_GDA0003992998680000021
若互感器磁芯内径为d，外径为D，高度为h，线圈匝数为n，磁芯的磁导率为m，由全电流定理可以推导出互感器和一次侧导线间的互感M以及互感器线圈自感L的计算公式如下：
Figure DEST_PATH_GDA0003992998680000022
/>
Figure DEST_PATH_GDA0003992998680000023
将式(5)和式(6)带入式(4)，可以得到积分电阻上的输出电压uo(t)为：
Figure DEST_PATH_GDA0003992998680000024
自积分方法的优势在于输出电压uo(t)的相位与被测电流i1(t)相同。根据式(7)可以看出，提高输出电压uo(t)只能通过增大积分电阻R或减小线圈匝数n来实现，而根据式(3)和式(6) 这样势必会提高满足自积分条件所需的频率，因此自积分的方法很难提高对工频电流的灵敏度。
目前最常用的计算阻性泄漏电流的方法为投影法，根据MOA的特性，其泄漏电流基波i1中的阻性分量iR1和容性分量iC1之间的相位差为90°，且阻性泄漏电流基波iR1和母线电压基波u1同相位，如图4所示。为计算iR1的值，首先计算出泄漏电流基波i1和母线电压基波u1间的相位差φ，则iR1的计算公式如下：
iR1＝i1cosφ (8)
而对于低电压等级的配网避雷器而言，正常状态下其总泄漏电流仅为80μA左右，且避雷器底端直接固定在横担上，无接地引线，需要从其高压端测量泄漏电流。此外，配网避雷器附近一般不安装电压互感器，需要采取其它方式获取母线上的电压波形。
由于主网避雷器泄漏电流较高、有接地引线，且附近配备有电压互感器，传统带电检测仪在检测主网避雷器的泄漏电流时使用简便，而对于低电压等级的配网避雷器而言，正常状态下其总泄漏电流仅为80μA左右，且避雷器底端直接固定在横担上，无接地引线，需要从其高压端测量泄漏电流，此外，配网避雷器附近一般不安装电压互感器，需要采取其它方式获取母线上的电压波形。由于上述原因，传统带电检测仪无法对配网避雷器泄漏电流进行检测。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种配网避雷器泄漏电流带电测量仪，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
一种配网避雷器泄漏电流带电测量仪，包括泄漏电流测量电路、母线电压波形测量电路和信号处理电路，所述泄漏电流测量电路包括电流互感器和放大电路A，母线电压波形测量电路包括感应电极和放大电路B，信号处理电路包括模数转换器计算模块以及蓝牙模块，所述电流互感器的信号输出端连接放大电路A的信号输入端，放大电路A的信号输出端连接模数转换器的信号输入端，感应电极的信号输出端连接放大电路B的信号输入端,放大电路的信号输出端连接模数转换器的信号输入端,模数转换器的信号输出端连接计算模块的信号输入端,计算模块的信号输出端连接蓝牙模块,蓝牙模块无线连接手机APP。
作为本实用新型的进一步技术方案：所述计算模块包括基波电流的幅值与相位计算以及阻性基波电流的计算两部分。
作为本实用新型的进一步技术方案：所述放大电路A为微伏级电压放大电路。
作为本实用新型的进一步技术方案：所述微伏级电压放大电路包括芯片TLV2652、芯片OPA189、电阻R1和电阻R2，电阻R1的一端接地，另一端连接芯片TLV2652的一个输入端、电容C1和电阻R2，芯片TLV2652的另一个输入端连接输入端Vin，芯片TLV2652 的输出端连接电容C1的另一端、电阻R2的另一端和电容C2，电容C2的另一端连接电阻 R3和芯片OPA189的一个输入端，芯片OPA189的另一个输入端连接电阻R4、电阻R5 和电容C3，电阻R4的另一端接地，芯片OPA189的输出端连接电容C3的另一端、电阻R5的另一端和电容C4，电容C4的另一端连接电阻R6和输出端Vout，电阻R3的另一端接地，电阻R6的另一端接地。
作为本实用新型的进一步技术方案：所述放大电路B为积分放大电路。
作为本实用新型的进一步技术方案：所述模数转换器内部设有两个独立的信号转换通道。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型采用微分式电流互感器配合放大滤波电路制作的电流传感器具有极高的灵敏度，可以实现对微安级信号的测量；
2、本方案对电流传感器在50Hz下的灵敏度和相位差进行校准，解决了微分式电流互感器以及放大滤波电路造成的灵敏度不确定以及存在相位差的问题。
3、采用带有积分电阻和积分电容的感应式电压波形传感器，可以无接触获取避雷器母线电压波形；
4、信号的采集和计算均在测量仪上完成，测量仪可以通过绝缘杆挂接在避雷器高压母线上，测量仪通过蓝牙无线发送测量数据至手机APP。
附图说明
图1为MOA等效电路图；
图2为传统带电检测仪接线原理图。
图3为自积分式电流互感器等效电路图。
图4为投影法示意图。
图5为本实用新型的原理方框图。
图6为微伏级电压放大电路图。
图7为校准回路图。
图8为感应式方法获取母线电压波形的原理图。
图9为信号处理流程图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
请参阅图5-9，一种配网避雷器泄漏电流带电测量仪，包括泄漏电流测量电路、母线电压波形测量电路和信号处理电路，泄漏电流测量电路用于采集电压信号，母线电压波形测量电路用于采集电流信号，电压信号和电流信号均输入到信号处理电路中，信号处理电路为基于ARM平台的信号处理电路。
具体的，泄漏电流测量电路包括电流互感器和放大电路A，母线电压波形测量电路包括感应电极和放大电路B，信号处理电路包括模数转换器计算模块以及蓝牙模块，所述电流互感器的信号输出端连接放大电路A的信号输入端，放大电路A的信号输出端连接模数转换器的信号输入端，感应电极的信号输出端连接放大电路B的信号输入端,放大电路的信号输出端连接模数转换器的信号输入端,模数转换器的信号输出端连接计算模块的信号输入端,计算模块的信号输出端连接蓝牙模块,蓝牙模块无线连接手机APP。
其中，计算模块包括基波电流的幅值与相位计算以及阻性基波电流的计算两部分。放大电路A为微伏级电压放大电路，放大电路B为积分放大电路，模数转换器内部设有两个独立的信号转换通道。
实施例2，在实施例1的基础上，本设计的微伏级电压放大电路如图6所示，包括芯片TLV2652、芯片OPA189、电阻R1和电阻R2，电阻R1的一端接地，另一端连接芯片 TLV2652的一个输入端、电容C1和电阻R2，芯片TLV2652的另一个输入端连接输入端 Vin，芯片TLV2652的输出端连接电容C1的另一端、电阻R2的另一端和电容C2，电容 C2的另一端连接电阻R3和芯片OPA189的一个输入端，芯片OPA189的另一个输入端连接电阻R4、电阻R5和电容C3，电阻R4的另一端接地，芯片OPA189的输出端连接电容 C3的另一端、电阻R5的另一端和电容C4，电容C4的另一端连接电阻R6和输出端Vout，电阻R3的另一端接地，电阻R6的另一端接地。
工作原理如下：
对于配网避雷器泄漏电流极小，难以测量的问题，利用微分式电流互感器以及微伏级放大电路制作微安级电流传感器。
对于微分式方法，可以认为图3中的电阻R阻值极大，近似开路，电路满足如下条件：
Figure DEST_PATH_GDA0003992998680000061
此时互感器的输出电压uo(t)为：
Figure DEST_PATH_GDA0003992998680000062
由式(10)可以看出，采用微分方法的电流互感器输出电压uo(t)与被测电流i1(t)之间是微分关系，存在相位差，但通过提高线圈匝数n，采用高磁导率的磁芯材料等方法均可以提高输出电压，且固定频率下的相位差不变，相位差易于校准，因此微分式电流互感器更适合工频小电流的测量。
电流互感器工作在微分模式下，测量工频信号时的灵敏度约为1V/A，由于泄漏电流仅为数十微安，故信号还需放大才能进行采集。为将数十微伏的信号放大至百毫伏以上，放大电路采用两级放大的形式。其中前置放大器关系到整个传感器性能的优劣，必须具有极低的噪声、温漂和失调电压，因此前置放大器选用TLC2652斩波稳零放大器，其偏置电压最大仅为1μV，温漂为0.003μV/℃，共模抑制比达144dB，第二级放大器选用OPA189 放大器，其具有低噪声、零漂移的特性。
由式(10)可以看出，电流信号的频率越高，微分式电流互感器的灵敏度越高，因此互感器输出中会包含大量的高频干扰成分，需在放大电路中滤除高频分量。最终设计完成的微伏级电压放大电路如图6所示，其中放大器采用RC并联反馈构成低通滤波器，用以去除高频噪声信号，每级放大器的输出连接RC隔直电路，去除放大电路产生的直流偏置。
此外，放大电路需要双极性电源供电，利用开关电源产生双极性电压会伴随着较大的噪声干扰。为解决此问题，文中利用两组7.4V锂电池通过超低噪声的双通道线性稳压器 TPS7A3901稳压至±6V以供放大电路使用，其输出电压噪声仅为21μV。
由于放大和滤波电路会对信号的幅值以及相位产生影响，因此需要对电流传感器整体的灵敏度和相位差进行校准，校准所用的回路如图7所示。
利用信号发生器产生不同幅值的50Hz工频电压，经过限流电阻产生微安级电流i(t)，示波器同时记录电流传感器的输出电压uo(t)和限流电阻上的电压u(t)，根据两者的幅值和相位对电流传感器进行校准，传感器的灵敏度为被测电流与输出电压之间的比值uo(t)/i(t)，传感器的相位差为uo(t)滞后于i(t)的相位。
对于配网避雷器附近一般不安装电压互感器的问题，采用感应式方法获取避雷器母线电压波形。
感应式方法获取母线电压波形的原理如图8所示，其中感应电极为一金属极板，C1为感应电极和高压母线之间的耦合电容，C2和R2是积分电阻和积分电容，传感器的相频响应函数为：
Figure DEST_PATH_GDA0003992998680000071
当满足ωRC＞＞1的条件时，传感器的相频响应函数∠H(ω)≈0，传感器输出电压与高压导线电压同相位。选取积分电阻R1为50MΩ，积分电容C2为10nF，根据式(11)计算得到的理论相位误差为0.36°。R2和R3是放大器的增益调节电阻，利用放大器将感应电极上的微小电压信号放大至适合测量的大小。
对于需要从其高压端测量泄漏电流产生的绝缘问题，解决方案如下：
测量仪可以通过绝缘杆挂接在避雷器高压母线上，信号的采集和计算均在测量仪上完成，数据通过蓝牙无线发送至手机APP，杜绝绝缘隐患。
测量仪共分三大组成部分，第一部分为钳形电流互感器和感应电极，第二部分是放大电路，放大电流和电压信号，第三部分是基于ARM平台的信号处理电路。传感器的信号处理流程如图9所示，首先通过两路模数转换器(analog to digital converter,ADC)将电压信号和电流信号转换为数字信号，随后对数字化的电压、电流信号进行快速傅里叶变换操作，获得电压、电流基波的幅值与相位，然后利用校准回路得到的灵敏度和相位差数据计算泄漏电流基波的实际幅值与相位，再计算总泄漏电流基波i1和电压基波u1之间的相位差φ，并根据式(8)计算出阻性泄漏电流基波iR1，最后通过蓝牙将i1和iR1的数据传输至手机APP。
本发明采用微分式电流互感器配合放大滤波电路制作的电流传感器具有极高的灵敏度，可以实现对微安级信号的测量；由于投影法只需电流信号的基波，因此本方案对电流传感器在50Hz下的灵敏度和相位差进行校准，解决了微分式电流互感器以及放大滤波电路造成的灵敏度不确定以及存在相位差的问题；采用带有积分电阻和积分电容的感应式电压波形传感器，可以无接触获取避雷器母线电压波形；信号的采集和计算均在测量仪上完成，测量仪可以通过绝缘杆挂接在避雷器高压母线上，测量仪通过蓝牙无线发送测量数据至手机APP。
对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种配网避雷器泄漏电流带电测量仪，包括泄漏电流测量电路、母线电压波形测量电路和信号处理电路，其特征在于，所述泄漏电流测量电路包括电流互感器和放大电路A，母线电压波形测量电路包括感应电极和放大电路B，信号处理电路包括模数转换器计算模块以及蓝牙模块，所述电流互感器的信号输出端连接放大电路A的信号输入端，放大电路A的信号输出端连接模数转换器的信号输入端，感应电极的信号输出端连接放大电路B的信号输入端,放大电路的信号输出端连接模数转换器的信号输入端,模数转换器的信号输出端连接计算模块的信号输入端,计算模块的信号输出端连接蓝牙模块,蓝牙模块无线连接手机APP。
2.根据权利要求1所述的一种配网避雷器泄漏电流带电测量仪，其特征在于，所述放大电路A为微伏级电压放大电路。
3.根据权利要求2所述的一种配网避雷器泄漏电流带电测量仪，其特征在于，所述微伏级电压放大电路包括芯片TLV2652、芯片OPA189、电阻R1和电阻R2，电阻R1的一端接地，另一端连接芯片TLV2652的一个输入端、电容C1和电阻R2，芯片TLV2652的另一个输入端连接输入端Vin，芯片TLV2652的输出端连接电容C1的另一端、电阻R2的另一端和电容C2，电容C2的另一端连接电阻R3和芯片OPA189的一个输入端，芯片OPA189的另一个输入端连接电阻R4、电阻R5和电容C3，电阻R4的另一端接地，芯片OPA189的输出端连接电容C3的另一端、电阻R5的另一端和电容C4，电容C4的另一端连接电阻R6和输出端Vout，电阻R3的另一端接地，电阻R6的另一端接地。
4.根据权利要求3所述的一种配网避雷器泄漏电流带电测量仪，其特征在于，所述放大电路B为积分放大电路。
5.根据权利要求4所述的一种配网避雷器泄漏电流带电测量仪，其特征在于，所述模数转换器内部设有两个独立的信号转换通道。
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