无源无线远传型避雷器在线监测传感器的研制

张天运，毛慧明，王保山

（1.厦门ABB高压开关有限公司，厦门 361009；2.西安西润电器技术有限责任公司，西安 710075；3.中国电力科学研究院，北京 100085）

0 引言

目前，中国已有很多智能变电站投入了运行，金属氧化物避雷器（以下简称避雷器）的智能监测也是智能变电站的重要组成部分。避雷器由于不带任何间隙，在持续运行电压下有泄漏电流流过，泄漏电流会使避雷器不断老化；另外由于受潮、电位分布不均匀、表面污秽电流、过电压使避雷器过热等原因都会引起避雷器劣化。避雷器劣化的明显标志是泄漏电流和阻性电流的显著增加，所以实时监测避雷器泄漏电流的变化情况非常重要。

常用的避雷器的智能监测方法有智能监测器（在普通监测器内增加RS485通讯系统[1-2]）和零磁通电流互感器监测系统[3]等，在应用中已有的智能监测方法表现出各自的优缺点。智能监测器由于内部有高性能氧化锌电阻片，对监测系统有一定的保护功能，但由于和避雷器接地系统相连，必须要有光电隔离系统；零磁通电流互感器监测系统实现了无接触监测，但由于有强大的雷电流经常流过避雷器，雷电流会在CT二次侧产生极高的过电压，损坏测试系统。这两种监测系统都必须接入供电系统和通过信号线传送避雷器的运行数据。因此，在现场施工中必须进行系统布线，工程量大，施工麻烦。对于老旧电站的智能化改造，由于电缆沟已经封闭就更麻烦。为了解决这些问题，笔者设计了无源无线型智能避雷器在线监测传感器，它能很好地解决上述问题，无需布线，安装方便，应用安全可靠。

1 无源无线在线监测传感器测试系统的设计

1.1 无外接电源系统的设计

无间隙氧化锌避雷器根据电压等级的不同，一般都有几百微安到几毫安的泄漏电流。能不能利用避雷器的泄漏电流存储能量进行避雷器的智能监测？作者经过研究计算是完全可以的。

作者经过对文献[1]中电路的实测，在供电电压5 V的情况下，智能监测用单片机系统耗能约30 mA，泄漏电流模拟测试系统耗电约20 mA；另外实测了市面上的SM51无线数据发射系统耗电约60 mA。完成一次数据采集到无线数据发射的时间不到1 s，按1 s计算，完成一次数据发射大约需要的能量：W=V×I×t=5×（0.03+0.02+0.06）×1=0.55（W）。

假如避雷器的泄漏电流约为600 μA（一般110～220 kV的避雷器），若充电电压为6 V，充电到0.55 W需要的时间约为t=0.55/6/0.0006=1528（s），约为25.5 min。所以考虑到测量电压等产生的能量损耗，30 min完成一次避雷器泄漏电流的采集和无线发送是完全可以的。对于10～35 kV低电压等级的避雷器数据发送的周期是要延长。对于电压等级高于220 kV的避雷器，发送周期就会缩短。当然对于髙电压等级的避雷器，为了保持大约30 min发送一次数据，有必要增加旁路电流，减慢充电速度。

大部分设备使用的储能元件为可充电电池。但是对于该装置，由于避雷器的泄漏电流很小，无法给充电电池提供可充电的能量。因此本装置的储能元件只能选用电容器储能，由于普通的电解电容器储能较小，所以作者选择法拉电容器储能，很好地解决了系统的电源问题[2-4]。

充电控制与保护电路见图1。

原理说明：D是桥式整流电路，将避雷器的泄漏电流整流成直流电流，通过保护电阻和对法拉电容器C充电。R2和R3是充电电压测量分压器，R4和D2构成基准电压。比较器电路是比较分压器电压和基准电压的大小，当分压器上的电压高于基准电压时，比较器输出控制信号，使电源输出与稳压回路开始输出工作电压Vd。D1是过电压保护支路，防止充电电压过高，损坏电容器C。

图1 充电控制与保护电路Fig.1 Charging control and protection circuit

1.2 泄漏电流的采集方法

一般情况下，避雷器运行时需要监测全泄漏电流和阻性电流。为了系统工作稳定，需要隔离电流测量回路。本文采用电流互感器从主回路中获得泄漏电流信号，全电流信号通过放大和有效值检测电路变为直流电平，输入单片机A/D通道（一）输入口。避雷器阻性电流有多种的检查方法，文献[5]IEC60099-5附录D中推荐了无间隙金属氧化物避雷器阻性电流的测试方法：1）利用电压信号，补偿泄漏电流中容性分量获得阻性电流的补偿法。2）利用施加电压信号作为参考，在全泄漏电流对应的电压峰值点，直接读取阻性电流峰值的相位法。3）利用泄漏电流的谐波分析，间接测定阻性泄漏电流的谐波法。4）功耗测试法等。

对于避雷器阻性电流的各种测试方法，其具有不同的优缺点：

1）补偿法测试时，需要避雷器运行电压的信号。需调整补偿支路的容性电流大小，和避雷器等值容性电流大小一致，两信号相减可等到阻性电流值。优点：测试简单，能看到阻性电流波形。缺点：需要避雷器运行电压信号和幅值调整，使测量不便；还存在相间干扰问题，相间干扰是指A相电流或C相电流，受B相电压通过杂散电容对避雷器泄漏电流相位的干扰，两者全电流偏离了原来的相位。由于容性电流分量较大，通过补偿法测得的A相阻性电流增大，而C相减小。对于220 kV及以上避雷器干扰已明显，很难测试。对于500 kV的避雷器，一般测得C相的功耗为负值，说明完全不能使用补偿法[6-8]。

2）利用电压信号作为参考的相位法，由于一个周波只有一个测试点，再加上测试点的分散性，测到的阻性电流波动很大。和补偿法一样存在相间干扰问题。不适合220 kV及以上电压等级的避雷器阻性电流的测试[9-10]。

3）谐波法是通过测量全泄漏电流中的谐波分量间接测量阻性电流的，由于阻性电流中含有较大的谐波分量，而容性电流中不含谐波分量，通过测量全电流中的3次谐波分量或高次谐波分量的和，通过阻性电流谐波分量和阻性电流峰值的关系，可以间接地测量出阻性电流值。优点：不需要避雷器运行电压信号，不存在相间干扰问题。缺点：看不到阻性电流波形，系统电压中的谐波分量影响测量的准确性[11-13]。

4）功耗测试法最能准确地表明避雷器的劣化情况，但同样存在相间干扰问题，而且无法得到阻性电流的峰值，所以除避雷器老化试验外，采用的很少[14-15]。

综上所述，作者选择了谐波法测量阻性电流的测试方法。在全电流回路中，通过滤波电路得到谐波分量值，通过有效值检测电路变为直流电平，输入单片机A/D（二）通道输入口。由于谐波分量的大小与阻性电流的大小有差异，在单片机系统中，通过软件，分多端给谐波分量不同的放大倍率，间接得到阻性电流的实际值。

对于避雷器阻性电流的测试误差。在试验室，由于不存在相间干扰，大多数都采用补偿法，测试误差较小；对于谐波法，在试验室测量时，由于试验室电压的谐波分量较大，测试的误差会较大。由于在电力系统中电压等级越高，系统电压中的谐波分量很小，因此谐波法受到的影响会减小。

1.3 放电次数和放电时间的监测

参照文献[1]中的内容，与本文放电次数的测量方法类似。避雷器放电时，通过继电器节点的闭合输入单片机系统获得放电次数，在文献[1]中通过记录单片机系统时间得到放电时间。但对于无源系统，单片机大部分时间是休眠的，系统不工作，无法记录放电时间。所以笔者采用了避雷器有放电信号时，立即启动系统发送避雷器放电信号、接收端收到放电信号时的系统时间即为放电时间。

1.4 单片机系统的设计

单片机电路和文献[1]相同，主要是改进了部分软件系统。由过去上位机控制的被动发送信号改为主动发送信号。为了防止无线信号的干扰，每次连发两组数据。通过校验位验证信号准确后，才记录避雷器的运行参数。

1.5 无线发送系统的研究

无线发送技术已经是很成熟的产品技术，我们选择了SM1型0.5 W发送模块，经过测试，在开阔地带，通讯距离可达1500～2000 m。虽然变电站会有遮挡，完全能满足无线通讯的需要。由于同一变电站的避雷器很多，为了防止相互间的干扰，可采用不同发射频率，将避雷器分组传送信号，当然这就需要多个接收端。

本方案采用的数据发送方式为字头ED、编号、放电次数、全电流、阻性电流、校验位。

1.6 电路原理框图

电路原理框图见图2。

图2 系统原理框图Fig.2 System principle block diagram

2 无源无线在线监测传感器高压系统的设计

参考文献[1]采用了高性能金属氧化物电阻片作为传感器的主要取样器件。当避雷器在正常持续工频电压下运行时，监测器两端的电压很低，金属氧化物电阻片呈高阻状态。避雷器的泄漏电流全部流经计数、泄漏电流显示和电容器充电支路；当有冲击电流流过避雷器时，金属氧化物电阻片迅速导通，呈低阻状态，冲击电流绝大部分都流经金属氧化物电阻片。这时，施加在计数支路上的是电阻片的残压，由于高性能金属氧化物电阻片优越的非线性，这时电阻片上的残压并不高，计数、泄漏电流显示和电容器充电支路经过过电压保护完全能够耐受。

为了兼顾现场巡视的方便性，本设计保留了传统的避雷器在线监测器的放电计数器和泄漏电流表功能，便于巡视人员在现场观测避雷器的放电次数和泄漏电流，同时在主控室计算机能读取较详细的避雷器运行参数。

3 无源无线在线监测传感器外形结构的设计

由于避雷器监测传感长期在户外运行，容易发生密封不良而损坏的情况，密封性能和耐候性成为制约产品长期可靠运行的关键。本设计采用了精密铸铝外壳，通过机械力压紧密封圈，改进了文献[1]通过密封胶粘接密封的方法，结构坚固耐用，密封性好，防水防潮，解决了户外运行的耐腐蚀问题；另外，在铝外壳的正下方设计有无线发射天线接口，能防止雨水对天线接口的浸蚀。

传感器外壳下方两个孔距85 mm，ϕ11 mm的孔是固定监测器和接地两用的，监测器上部ϕ11 mm的孔是接避雷器接地端。避雷器必须安装在绝缘支柱上，使避雷器的电流通过监测器接地。安装尺寸和普通的监测器相同，利于直接更换。外形结构见图3。

4 无源无线在线监测传感器技术参数

目前无源智能在线监测器分220 kV及以下系统用和500～750 kV系统用两种。

图3 无源智能在线监测器外形图Fig.3 Outline shape for passive wireless remote on line sensor

通过计算，这两种产品的主要参数见表1。

表1 电气性能Table 1 Electrical performance

5 结论

无源智能在线监测传感器从理论上实现了变电站避雷器运行信号的无线传输和监控，同时也得到了实验室和变电站运行现场的实践验证。

由于采用了无源智能化的设计，该装置极大简化了变电站现场施工的工作，为已经投运的变电站智能化改造提供了一种新的方法。

无源智能在线监测传感器正运用在变电站智能化改造项目中，可以推广到变电站的其它领域，值得进一步的研究开发。

无源智能在线监测器经过试验室反复试验验证和成都国网公司现场试运行，均证明利用避雷器自身泄漏电流充电，完全能满足测试系统和无线发射系统的能量需求。由于每次数据发送时间只有0.05 s左右，每相大约30 min发送一次数据，所以相互间的干扰是很小的。当有干扰时，可以通过校验位排除干扰。远传数据稳定可靠，抗干扰能力好。