無源無線遠傳型避雷器在線監測傳感器的研制

張天運，毛慧明，王保山

（1.廈門ABB高壓開關有限公司，廈門 361009；2.西安西潤電器技術有限責任公司，西安 710075；3.中國電力科學研究院，北京 100085）

0 引言

目前，中國已有很多智能變電站投入了運行，金屬氧化物避雷器（以下簡稱避雷器）的智能監測也是智能變電站的重要組成部分。避雷器由于不帶任何間隙，在持續運行電壓下有泄漏電流流過，泄漏電流會使避雷器不斷老化；另外由于受潮、電位分布不均勻、表面污穢電流、過電壓使避雷器過熱等原因都會引起避雷器劣化。避雷器劣化的明顯標志是泄漏電流和阻性電流的顯著增加，所以實時監測避雷器泄漏電流的變化情況非常重要。

常用的避雷器的智能監測方法有智能監測器（在普通監測器內增加RS485通訊系統[1-2]）和零磁通電流互感器監測系統[3]等，在應用中已有的智能監測方法表現出各自的優缺點。智能監測器由于內部有高性能氧化鋅電阻片，對監測系統有一定的保護功能，但由于和避雷器接地系統相連，必須要有光電隔離系統；零磁通電流互感器監測系統實現了無接觸監測，但由于有強大的雷電流經常流過避雷器，雷電流會在CT二次側產生極高的過電壓，損壞測試系統。這兩種監測系統都必須接入供電系統和通過信號線傳送避雷器的運行數據。因此，在現場施工中必須進行系統布線，工程量大，施工麻煩。對于老舊電站的智能化改造，由于電纜溝已經封閉就更麻煩。為了解決這些問題，筆者設計了無源無線型智能避雷器在線監測傳感器，它能很好地解決上述問題，無需布線，安裝方便，應用安全可靠。

1 無源無線在線監測傳感器測試系統的設計

1.1 無外接電源系統的設計

無間隙氧化鋅避雷器根據電壓等級的不同，一般都有幾百微安到幾毫安的泄漏電流。能不能利用避雷器的泄漏電流存儲能量進行避雷器的智能監測？作者經過研究計算是完全可以的。

作者經過對文獻[1]中電路的實測，在供電電壓5 V的情況下，智能監測用單片機系統耗能約30 mA，泄漏電流模擬測試系統耗電約20 mA；另外實測了市面上的SM51無線數據發射系統耗電約60 mA。完成一次數據采集到無線數據發射的時間不到1 s，按1 s計算，完成一次數據發射大約需要的能量：W=V×I×t=5×（0.03+0.02+0.06）×1=0.55（W）。

假如避雷器的泄漏電流約為600 μA（一般110～220 kV的避雷器），若充電電壓為6 V，充電到0.55 W需要的時間約為t=0.55/6/0.0006=1528（s），約為25.5 min。所以考慮到測量電壓等產生的能量損耗，30 min完成一次避雷器泄漏電流的采集和無線發送是完全可以的。對于10～35 kV低電壓等級的避雷器數據發送的周期是要延長。對于電壓等級高于220 kV的避雷器，發送周期就會縮短。當然對于髙電壓等級的避雷器，為了保持大約30 min發送一次數據，有必要增加旁路電流，減慢充電速度。

大部分設備使用的儲能元件為可充電電池。但是對于該裝置，由于避雷器的泄漏電流很小，無法給充電電池提供可充電的能量。因此本裝置的儲能元件只能選用電容器儲能，由于普通的電解電容器儲能較小，所以作者選擇法拉電容器儲能，很好地解決了系統的電源問題[2-4]。

充電控制與保護電路見圖1。

原理說明：D是橋式整流電路，將避雷器的泄漏電流整流成直流電流，通過保護電阻和對法拉電容器C充電。R2和R3是充電電壓測量分壓器，R4和D2構成基準電壓。比較器電路是比較分壓器電壓和基準電壓的大小，當分壓器上的電壓高于基準電壓時，比較器輸出控制信號，使電源輸出與穩壓回路開始輸出工作電壓Vd。D1是過電壓保護支路，防止充電電壓過高，損壞電容器C。

圖1 充電控制與保護電路Fig.1 Charging control and protection circuit

1.2 泄漏電流的采集方法

一般情況下，避雷器運行時需要監測全泄漏電流和阻性電流。為了系統工作穩定，需要隔離電流測量回路。本文采用電流互感器從主回路中獲得泄漏電流信號，全電流信號通過放大和有效值檢測電路變為直流電平，輸入單片機A/D通道（一）輸入口。避雷器阻性電流有多種的檢查方法，文獻[5]IEC60099-5附錄D中推薦了無間隙金屬氧化物避雷器阻性電流的測試方法：1）利用電壓信號，補償泄漏電流中容性分量獲得阻性電流的補償法。2）利用施加電壓信號作為參考，在全泄漏電流對應的電壓峰值點，直接讀取阻性電流峰值的相位法。3）利用泄漏電流的諧波分析，間接測定阻性泄漏電流的諧波法。4）功耗測試法等。

對于避雷器阻性電流的各種測試方法，其具有不同的優缺點：

1）補償法測試時，需要避雷器運行電壓的信號。需調整補償支路的容性電流大小，和避雷器等值容性電流大小一致，兩信號相減可等到阻性電流值。優點：測試簡單，能看到阻性電流波形。缺點：需要避雷器運行電壓信號和幅值調整，使測量不便；還存在相間干擾問題，相間干擾是指A相電流或C相電流，受B相電壓通過雜散電容對避雷器泄漏電流相位的干擾，兩者全電流偏離了原來的相位。由于容性電流分量較大，通過補償法測得的A相阻性電流增大，而C相減小。對于220 kV及以上避雷器干擾已明顯，很難測試。對于500 kV的避雷器，一般測得C相的功耗為負值，說明完全不能使用補償法[6-8]。

2）利用電壓信號作為參考的相位法，由于一個周波只有一個測試點，再加上測試點的分散性，測到的阻性電流波動很大。和補償法一樣存在相間干擾問題。不適合220 kV及以上電壓等級的避雷器阻性電流的測試[9-10]。

3）諧波法是通過測量全泄漏電流中的諧波分量間接測量阻性電流的，由于阻性電流中含有較大的諧波分量，而容性電流中不含諧波分量，通過測量全電流中的3次諧波分量或高次諧波分量的和，通過阻性電流諧波分量和阻性電流峰值的關系，可以間接地測量出阻性電流值。優點：不需要避雷器運行電壓信號，不存在相間干擾問題。缺點：看不到阻性電流波形，系統電壓中的諧波分量影響測量的準確性[11-13]。

4）功耗測試法最能準確地表明避雷器的劣化情況，但同樣存在相間干擾問題，而且無法得到阻性電流的峰值，所以除避雷器老化試驗外，采用的很少[14-15]。

綜上所述，作者選擇了諧波法測量阻性電流的測試方法。在全電流回路中，通過濾波電路得到諧波分量值，通過有效值檢測電路變為直流電平，輸入單片機A/D（二）通道輸入口。由于諧波分量的大小與阻性電流的大小有差異，在單片機系統中，通過軟件，分多端給諧波分量不同的放大倍率，間接得到阻性電流的實際值。

對于避雷器阻性電流的測試誤差。在試驗室，由于不存在相間干擾，大多數都采用補償法，測試誤差較??；對于諧波法，在試驗室測量時，由于試驗室電壓的諧波分量較大，測試的誤差會較大。由于在電力系統中電壓等級越高，系統電壓中的諧波分量很小，因此諧波法受到的影響會減小。

1.3 放電次數和放電時間的監測

參照文獻[1]中的內容，與本文放電次數的測量方法類似。避雷器放電時，通過繼電器節點的閉合輸入單片機系統獲得放電次數，在文獻[1]中通過記錄單片機系統時間得到放電時間。但對于無源系統，單片機大部分時間是休眠的，系統不工作，無法記錄放電時間。所以筆者采用了避雷器有放電信號時，立即啟動系統發送避雷器放電信號、接收端收到放電信號時的系統時間即為放電時間。

1.4 單片機系統的設計

單片機電路和文獻[1]相同，主要是改進了部分軟件系統。由過去上位機控制的被動發送信號改為主動發送信號。為了防止無線信號的干擾，每次連發兩組數據。通過校驗位驗證信號準確后，才記錄避雷器的運行參數。

1.5 無線發送系統的研究

無線發送技術已經是很成熟的產品技術，我們選擇了SM1型0.5 W發送模塊，經過測試，在開闊地帶，通訊距離可達1500～2000 m。雖然變電站會有遮擋，完全能滿足無線通訊的需要。由于同一變電站的避雷器很多，為了防止相互間的干擾，可采用不同發射頻率，將避雷器分組傳送信號，當然這就需要多個接收端。

本方案采用的數據發送方式為字頭ED、編號、放電次數、全電流、阻性電流、校驗位。

1.6 電路原理框圖

電路原理框圖見圖2。

圖2 系統原理框圖Fig.2 System principle block diagram

2 無源無線在線監測傳感器高壓系統的設計

參考文獻[1]采用了高性能金屬氧化物電阻片作為傳感器的主要取樣器件。當避雷器在正常持續工頻電壓下運行時，監測器兩端的電壓很低，金屬氧化物電阻片呈高阻狀態。避雷器的泄漏電流全部流經計數、泄漏電流顯示和電容器充電支路；當有沖擊電流流過避雷器時，金屬氧化物電阻片迅速導通，呈低阻狀態，沖擊電流絕大部分都流經金屬氧化物電阻片。這時，施加在計數支路上的是電阻片的殘壓，由于高性能金屬氧化物電阻片優越的非線性，這時電阻片上的殘壓并不高，計數、泄漏電流顯示和電容器充電支路經過過電壓保護完全能夠耐受。

為了兼顧現場巡視的方便性，本設計保留了傳統的避雷器在線監測器的放電計數器和泄漏電流表功能，便于巡視人員在現場觀測避雷器的放電次數和泄漏電流，同時在主控室計算機能讀取較詳細的避雷器運行參數。

3 無源無線在線監測傳感器外形結構的設計

由于避雷器監測傳感長期在戶外運行，容易發生密封不良而損壞的情況，密封性能和耐候性成為制約產品長期可靠運行的關鍵。本設計采用了精密鑄鋁外殼，通過機械力壓緊密封圈，改進了文獻[1]通過密封膠粘接密封的方法，結構堅固耐用，密封性好，防水防潮，解決了戶外運行的耐腐蝕問題；另外，在鋁外殼的正下方設計有無線發射天線接口，能防止雨水對天線接口的浸蝕。

傳感器外殼下方兩個孔距85 mm，?11 mm的孔是固定監測器和接地兩用的，監測器上部?11 mm的孔是接避雷器接地端。避雷器必須安裝在絕緣支柱上，使避雷器的電流通過監測器接地。安裝尺寸和普通的監測器相同，利于直接更換。外形結構見圖3。

4 無源無線在線監測傳感器技術參數

目前無源智能在線監測器分220 kV及以下系統用和500～750 kV系統用兩種。

圖3 無源智能在線監測器外形圖Fig.3 Outline shape for passive wireless remote on line sensor

通過計算，這兩種產品的主要參數見表1。

表1 電氣性能Table 1 Electrical performance

5 結論

無源智能在線監測傳感器從理論上實現了變電站避雷器運行信號的無線傳輸和監控，同時也得到了實驗室和變電站運行現場的實踐驗證。

由于采用了無源智能化的設計，該裝置極大簡化了變電站現場施工的工作，為已經投運的變電站智能化改造提供了一種新的方法。

無源智能在線監測傳感器正運用在變電站智能化改造項目中，可以推廣到變電站的其它領域，值得進一步的研究開發。

無源智能在線監測器經過試驗室反復試驗驗證和成都國網公司現場試運行，均證明利用避雷器自身泄漏電流充電，完全能滿足測試系統和無線發射系統的能量需求。由于每次數據發送時間只有0.05 s左右，每相大約30 min發送一次數據，所以相互間的干擾是很小的。當有干擾時，可以通過校驗位排除干擾。遠傳數據穩定可靠，抗干擾能力好。