0 引言

    交流無間隙金屬氧化物避雷器(以下簡稱MOA)是一種限制過電壓以保護(hù)電氣設(shè)備免受高瞬態(tài)過電壓危害的電器設(shè)備，其具有良好的電氣特性，近年來逐步取代了傳統(tǒng)的碳化硅避雷器。MOA的電位分布是否均勻決定了整只MOA的運(yùn)行壽命，其芯體內(nèi)部通常是若干只電阻片相互串聯(lián)構(gòu)成的電阻片柱。由于存在對地雜散電容，如不采取均壓措施，MOA內(nèi)部的電位分布呈現(xiàn)不均勻狀態(tài)，承受高電位的電阻片較承受低電位的電阻片加快了老化速度，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)熱崩潰，使得整只MOA提前報(bào)廢，因此有必要對MOA采取均壓措施以延長其運(yùn)行年限^[1-3]。

    為了提升MOA電位分布的測試效率及精度，設(shè)計(jì)并研制了一種基于無線采集技術(shù)的MOA電位分布及溫度分布裝置，滿足了MOA電阻片分布電位及分布溫度進(jìn)行同步檢測，簡化檢測的前期準(zhǔn)備工作，保障了人身安全。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

    MOA在運(yùn)行電壓下，其內(nèi)部的每一只電阻片都等效為一只容性器件。在采樣探頭的阻抗遠(yuǎn)小于MOA電阻片阻抗的前提下，若將采樣探頭串接于MOA電阻片中，則對整只MOA的電位分布情況的影響可以忽略^[4-5]。采樣探頭的尺寸與MOA電阻片一致，則可將其放置在MOA電阻片柱的任意測試點(diǎn)；同時(shí)設(shè)計(jì)無線通信模塊放置于測試探頭內(nèi)部，利用計(jì)算機(jī)控制測試基站與各個(gè)采樣探頭進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了整只MOA在投運(yùn)前各個(gè)測試電阻片的分布電位及分布溫度的檢測，為下一步進(jìn)行均壓調(diào)整提供參考依據(jù)^[6]。

    采樣探頭外殼為同MOA電阻片尺寸一致的鋁制結(jié)構(gòu)，采樣探頭下方粘貼單面導(dǎo)電電極，利用軟質(zhì)銅線將MOA的泄漏電流引入至采樣探頭內(nèi)部電路，通過采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號并連接至模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。采樣探頭上方引出和MOA電阻片接觸的熱敏電阻以實(shí)現(xiàn)MOA電阻片溫度測試，采樣探頭內(nèi)部示意圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)

    由于MOA在運(yùn)行電壓下其電阻片的等效電阻值在百兆歐級別，可通過串聯(lián)歐姆級電阻的方式實(shí)現(xiàn)MOA內(nèi)部電阻片泄漏電流的I/U轉(zhuǎn)換。為提高測試精度，設(shè)計(jì)一量程選擇電路sw，從而可以任意選擇采樣探頭中的I/U轉(zhuǎn)換采樣電阻為R1、R2、R3之一，以達(dá)到探頭的測試量程滿足不同電壓等級MOA的測試范圍。為了實(shí)現(xiàn)交流正負(fù)信號的測試，采用基準(zhǔn)源電路產(chǎn)生1.23 V的基準(zhǔn)電壓，提升了系統(tǒng)的零基準(zhǔn)電平。兩只穩(wěn)壓管對接構(gòu)成雙向穩(wěn)壓電路，可對輸入信號幅度起到鉗位，在產(chǎn)生涌流時(shí)保護(hù)后續(xù)AD電路。C4、R9、C5構(gòu)成無源低通濾波電路以消除測試信號中的毛刺。調(diào)理后的信號連接至CPU的ADC3、ADC4通道以進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換。信號調(diào)理電路如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)鋰電池電壓采集電路設(shè)計(jì)

    為了實(shí)現(xiàn)調(diào)理后的各模擬量的準(zhǔn)確采集，選擇具有10位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換精度的AVR處理器。由于測試探頭為鋰電池供電，電壓并不固定，故在測試電位分布及溫度采集之前應(yīng)先確定系統(tǒng)的電池電壓V_bat。雖然AVR內(nèi)部集成了2.56 V的基準(zhǔn)源，但此基準(zhǔn)源的溫漂較大，且不同批次的CPU由于制造工藝的不同導(dǎo)致內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓相差較大。若根據(jù)信號調(diào)理電路中穩(wěn)定的1.23 V基準(zhǔn)源作為系統(tǒng)的基準(zhǔn)源，則可以較好地提高系統(tǒng)的AD轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度。首先設(shè)計(jì)R10、R11兩只1%精度的等值電阻對鋰電池電壓進(jìn)行二分壓，從而可以確定系統(tǒng)鋰電池電壓為：

式中，V_ref為萬用表讀取到的基準(zhǔn)源電壓值，AD_bat為CPU讀取到的R10、R11抽頭處AD值，AD_ref為CPU讀取到的基準(zhǔn)源AD值。

2.3 MOA電位分布采集與溫度采集電路設(shè)計(jì)

    引入R4，即NTC-MF52型熱敏電阻，實(shí)現(xiàn)溫度的測試。其與10 kΩ電阻R5構(gòu)成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，當(dāng)MOA被測溫度變化時(shí)，引起R4電阻值的變化。通過測試R4、R5中心抽頭的電壓V_temp，可反推出R4對應(yīng)的電阻值。先確定V_temp：

    由此，根據(jù)熱敏電阻的R4的阻值分度表進(jìn)行測試點(diǎn)溫度的確定。同時(shí)，程序中設(shè)定模擬通道進(jìn)行對時(shí)間的積分采樣，實(shí)現(xiàn)被測模擬量有效值的運(yùn)算。以上測試過程在測試基站發(fā)出查詢指令時(shí)，各測試探頭內(nèi)CPU控制三極管Q1導(dǎo)通并啟動(dòng)測試程序，其余時(shí)間CPU控制Q1截止，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式。測試到的MOA泄漏電流有效值、溫度值及可充電鋰電池的電量以數(shù)據(jù)包的形式由無線通信模塊傳出到MOA外，并由測試基站完成各測試探頭采集數(shù)據(jù)的接收。測試探頭內(nèi)部電路圖如圖3所示。

2.4 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊

    綜合考慮傳輸距離以及傳輸速度，采用了ESP8266無線WIFI 芯片實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。該芯片內(nèi)核為32位系統(tǒng)SOC，很好地兼顧了系統(tǒng)的便攜性與傳輸速度。無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和測試探頭內(nèi)部CPU以串行方式通信。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3.1 采樣探頭部分程序設(shè)計(jì)

    采樣探頭以星型拓?fù)浞绞綐?gòu)成，各采樣探頭在工作時(shí)首先確定CPU內(nèi)部各個(gè)寄存器的初始值，進(jìn)入休眠模式并偵聽測試基站是否發(fā)出無線喚醒指令以節(jié)省電池電量^[7]。一旦全部采樣探頭同時(shí)偵聽到測試基站發(fā)出的無線喚醒指令則啟動(dòng)主程序，并對本機(jī)測試到的各個(gè)模擬量以0.1 ms的間隔進(jìn)行連續(xù)采樣。當(dāng)進(jìn)行10 000次的AD轉(zhuǎn)換，即50個(gè)工頻信號對時(shí)間取積分的采樣，計(jì)算出采樣探頭相鄰的MOA的分布電位真有效值，之后進(jìn)行當(dāng)前采樣探頭相鄰的MOA的溫度及探頭剩余電量的采樣。同時(shí)規(guī)定每只探頭以T_s的延遲時(shí)間與測試基站進(jìn)行測試結(jié)果的數(shù)據(jù)包發(fā)送。其中：

式中，T_s為各探頭自完成測試到開始發(fā)送數(shù)據(jù)包的延時(shí)，N為探頭編號。

    當(dāng)完成數(shù)據(jù)發(fā)送后，各探頭重新進(jìn)入睡眠狀態(tài)，偵聽測試基站下次發(fā)出的無線喚醒指令，以節(jié)約鋰電池電能。采樣探頭測試流程圖如圖4所示。

3.2 上位機(jī)處理與分析

    上位機(jī)處理分析采用可視化DELPHI編程實(shí)現(xiàn)，后臺鏈接至ACCESS數(shù)據(jù)庫，可滿足采樣率設(shè)定，結(jié)果統(tǒng)計(jì)與歷史查詢，方便測試人員對MOA電位分布、溫度分布情況進(jìn)行分析。

4 應(yīng)用

4.1 采樣探頭安裝設(shè)計(jì)

    750 kV等級的MOA分為4節(jié)，其中每節(jié)內(nèi)部由43只MOA電阻片組成。與MOA電阻片結(jié)構(gòu)相同的多只采樣探頭與MOA電阻片間隔串接。MOA內(nèi)部采樣探頭安裝示意圖如圖5所示。

4.2 試品

    試驗(yàn)用MOA型號為YH20W1-648/1491，由4節(jié)構(gòu)成。MOA總高度為7.6 m，構(gòu)架高度為4.8 m。雙層均壓環(huán)上環(huán)外徑為800 mm，中環(huán)外徑為1 100 mm，下環(huán)外徑為2 400 mm，罩入深度為1 360 mm。

4.3 采樣探頭布置

    MOA電阻片為172片，直徑為136 mm，厚度為20 mm。每節(jié)設(shè)置9個(gè)采樣探頭，共計(jì)36點(diǎn)。設(shè)置上數(shù)第一節(jié)上法蘭為測點(diǎn)1，向下至上數(shù)第一節(jié)下法蘭依次是測試點(diǎn)2至9；上數(shù)第二節(jié)上法蘭為測點(diǎn)10，向下至上數(shù)第二節(jié)下法蘭依次是測試點(diǎn)11至18，以此類推至上數(shù)第四節(jié)下法蘭，共設(shè)置36個(gè)采樣點(diǎn)。

4.4 試驗(yàn)結(jié)果

    對750 kVMOA，其相電壓為：

    對單只MOA施加433 kV工頻電壓并在計(jì)算機(jī)界面完成各參數(shù)設(shè)定后，由計(jì)算機(jī)控制測試基站發(fā)出喚醒指令，則各采樣探頭同時(shí)對當(dāng)前MOA電阻片被測點(diǎn)的分布電位、溫度情況及電池電量進(jìn)行測試，并根據(jù)式(4)分時(shí)將各被測點(diǎn)的測試結(jié)果發(fā)送至測試基站。每10 s完成一輪采集并更新計(jì)算機(jī)界面顯示結(jié)果。以同步方式進(jìn)行MOA的分布電位采集，有效地避免了電網(wǎng)波動(dòng)造成的數(shù)據(jù)失真，大幅提高了采集數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確度。測量數(shù)據(jù)見表1。

4.5 分析與計(jì)算

    MOA電位分布不均勻系數(shù)為：

    通過計(jì)算分析，滿足750 kV電壓等級MOA規(guī)程規(guī)定的不均勻系數(shù)小于10%的要求。

5 結(jié)論

    以無線采集方式進(jìn)行MOA電位分布及溫度分布測試，利用同步采集方式，增加了測試準(zhǔn)確度，大幅減少了測試的前期準(zhǔn)備工作，該方法是對以光纖作為數(shù)據(jù)傳輸通道的高壓設(shè)備測試儀器進(jìn)行改進(jìn)。該系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用低，有優(yōu)良的使用價(jià)值與應(yīng)用前景。

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作者信息:

李佳奇1，劉碧琦2，李  斌1，耿莉娜1，馬一菱1，王  帥1

（1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽110006；

2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司信息通信分公司，遼寧 沈陽110006）