周 昆，張 斌，任 偉，呂鵬飛，梁睿光，潘立剛

（遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧丹東118216）

0 引言

目前，對于限壓型SPD的檢測通常采用的是總泄漏電流法，通過檢測SPD的泄漏電流、壓敏電壓、殘壓等指標(biāo)來判定其是否老化、劣化。其中對于泄漏電流的監(jiān)測通常采用羅氏線圈來采集總泄漏電流，并對其信號(hào)進(jìn)行濾波處理后放大，從而得出限壓型SPD的工作狀態(tài)是否正常[1]。然而，在泄漏電流中包含著阻性電流與容性電流兩種成分?？傂孤╇娏鞣m然能夠在一定程度上反應(yīng)SPD中壓敏電阻的整體受潮情況和閥片嚴(yán)重老化等問題，但是由于阻性分量在總泄漏電流中所占比例很小，有可能當(dāng)阻性電流已經(jīng)增加很多，但總泄漏電流的變化仍然不大，而阻性電流往往是閥片發(fā)熱的主要原因，因此該方法的靈敏度不高，采集的數(shù)據(jù)僅能用于限壓型SPD運(yùn)行狀況的初判。為了減少檢測時(shí)泄漏電流中容性電流的干擾，氣象部門在進(jìn)行SPD的年檢時(shí)，應(yīng)考慮將SPD進(jìn)行拆卸，送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行離線試驗(yàn)。但是這種檢測方式，耗時(shí)耗力，且無法真實(shí)反映SPD在線工作時(shí)的工作狀況[2]。雙“CT”法是國外最近幾年興起的一種新型的氧化鋅避雷器在線檢測方法。該方法檢測原理：使用兩個(gè)電流互感器，一個(gè)用于采集避雷器正常工作時(shí)產(chǎn)生泄漏電流，另一個(gè)測量在過電壓情況下沖擊電流的電流峰值。在記錄避雷器發(fā)生動(dòng)作的同時(shí)，以幅值為2.5 kA和20kA的沖擊電流為基準(zhǔn)來區(qū)分避雷器的動(dòng)作原因[3]。還有其他學(xué)者[4-7]對SPD在線監(jiān)測進(jìn)行了研究。

諧波法方法能夠綜合考慮多方面因素，有效檢測限壓型SPD的運(yùn)行狀況，同時(shí)能夠檢測得到泄漏電流中阻性電流的各次諧波分量幅值，所以本裝置采用諧波法進(jìn)行測量。

為了解決現(xiàn)有的SPD檢測方法存在的一系列問題，現(xiàn)設(shè)計(jì)一種限壓型SPD在線監(jiān)測裝置。該裝置的設(shè)計(jì)既堅(jiān)持了在線監(jiān)測的原則，又突出了對于微弱阻性電流的提取分析，將阻性電流值作為判斷限壓型SPD是否老化、劣化的判斷依據(jù)。雖然電涌保護(hù)器在線監(jiān)測一套系統(tǒng)價(jià)格遠(yuǎn)高于電涌保護(hù)器造價(jià)，但是能夠在很大程度上對雷電造成的破壞進(jìn)行定位，從而降低了因雷電造成的重大損壞。

1 技術(shù)方案

1.1 原理結(jié)構(gòu)

限壓型SPD阻性電流在線監(jiān)測裝置的原理結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要組成模塊：電壓信號(hào)采集模塊、電流信號(hào)采集模塊、電壓/電流信號(hào)調(diào)理模塊、頻率檢測模塊、編碼控制模塊、溫度采集模塊、STM32微處理器模塊、外部時(shí)鐘模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)打印模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊以及ZigBee無線信號(hào)中繼模塊。

圖1 限壓型SPD阻性電流在線監(jiān)測裝置的原理框Fig.1 Limiting the type of SPD resistive current on-line monitoring device principle box

1.2 限壓型SPD阻性電流在線提取的實(shí)現(xiàn)方法

由于流過限壓型SPD的各次阻性電流與各次泄漏電流之間存在以下數(shù)學(xué)關(guān)系：

式中：K為諧波的次數(shù)；αk為所采集的電壓信號(hào)所對應(yīng)的各次諧波相角；βk為所采集的電流信號(hào)所對應(yīng)的各次諧波相角；Ikm為所采集的泄漏電流各次諧波電流的幅值；IRk為對應(yīng)諧波次數(shù)的阻性電流。

可以利用STM32微處理器處理單元對采集的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT處理，得到SPD的泄漏電流的阻性電流基波分量與奇次諧波分量。本裝置采用的處理芯片STM32F407，最大可分析到五次電流諧波分量[8]。

而總阻性電流可由以下數(shù)學(xué)關(guān)系得出：

式中：IR為總阻性電流；I0為阻性電流基波分量；IRk為阻性電流各次諧波分量。

故在得到各次阻性電流諧波分量后，再在主計(jì)算程序中進(jìn)行波形疊加求和，得到總阻性電流大小及波形。曹洪亮等[9]通過一個(gè)轉(zhuǎn)移π相位的容性電流獲得阻性電流。

阻性電流在線提取實(shí)現(xiàn)方法的流程圖見圖2，整個(gè)流程在STM32微處理器中完成。

圖2 阻性電流在線提取實(shí)現(xiàn)方法流程圖Fig.2 Resistive current extraction method to achieve online flow chart

2 電路原理說明

2.1 電壓信號(hào)采集、信號(hào)調(diào)理模塊、頻率測量模塊電路原理

由于不管是220 V交流電的電壓信號(hào)還是沖擊電壓信號(hào)都不能直接供微處理器使用，所以還需要小電壓互感器進(jìn)行隔離并轉(zhuǎn)換，所以該模塊電路中最關(guān)鍵的為線性互感器T2（SPT204A）。電壓信號(hào)采集、信號(hào)調(diào)理電路原理見圖3，電壓經(jīng)過電阻引入互感器T2，電壓互感器二次側(cè)的電壓信號(hào)一路傳送給放大器AD620進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整及幅值調(diào)整。放大器AD620的輸出電壓幅值在0～5 V，再傳送到控制器的模擬輸入端口AN0，供A/D采樣使用，這部分電信號(hào)是用于電壓有效值以及各次諧波的測量。電路中的電阻R29、R30是將探頭采集到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，為提高互感器T2的線性度，所以取值均較大，使用的是47 kΩ，功率為2 W碳膜電阻。電路中VR1為一小型壓敏片，為了防止過電壓竄入信號(hào)采集電路而設(shè)計(jì)。由于互感器T2的一次側(cè)最高接收電壓為400 V，所以壓敏片VR1的也選用箝位電壓小于400 V的壓敏電阻。SPT204A是匝數(shù)比為1:1的毫安級(jí)電壓線性互感器，T2二次側(cè)電流也非常小，所以還需要轉(zhuǎn)換回電壓信號(hào)并進(jìn)行放大處理信號(hào)并進(jìn)行放大。即通過圖3中電阻R11實(shí)現(xiàn)電流到電壓的信號(hào)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換得到的電壓值在-0.54～+0.54 V，再送給放大器AD620進(jìn)行放大?；ジ衅鱐2二次側(cè)信號(hào)另一路是送給比較器LM393，其作用是將正弦電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率相同的方波信號(hào)，再送到STM32芯片控制器的輸入捕捉引腳RD8/IC1進(jìn)行頻率的測量，如圖4所示。

圖3 電壓信號(hào)采集、電平轉(zhuǎn)換電路原理圖Fig.3 Voltage signal acquisition,level conversion circuit schematic

圖4 電壓頻率檢測電路原理圖Fig.4 Voltage frequency detection circuit schematic

2.2 電流信號(hào)采集、信號(hào)調(diào)理模塊電路原理

圖5為電流信號(hào)采集、信號(hào)調(diào)理電路原理圖，基本工作原理與電壓信號(hào)采集、信號(hào)調(diào)理電路類似。圖5中的I框即為多匝串入式微電流采集器。壓敏電阻VR2的存在是為了防止SPD處于導(dǎo)通泄流狀態(tài)時(shí)，沖擊電流通過電流傳感器I一次側(cè)時(shí)引起二次側(cè)電壓瞬間過流，燒壞后續(xù)電路，所以壓敏電阻VR2通常取值只需要大于1.15U0（U0為電流互感器T1的輸入端的正常工作電壓）。本裝置中采用的電流互感器是由北京某公司新設(shè)計(jì)的一款型號(hào)為KT0.02A/PJ-1.6 V的小電流互感器，它可以測量頻率為25～50 kHz，幅值為0～20 mA的交流電流，輸出0～100mA的交流電流信號(hào)，測量精度在0.5%-1%之間。電流信號(hào)經(jīng)過電流互感器的二次采樣，二次側(cè)輸出的電流信號(hào)通過電位器W1轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。隨后再經(jīng)過放大器AD620進(jìn)行放大，輸出0-5 V的電壓信號(hào)送給控制器的AN1引腳，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換測量。同時(shí)在AN0與AN1的引腳輸入端前均加入了5.1 V的穩(wěn)壓二極管Z1、Z2，這是為了防止放大器AD620的輸出電壓過高而損壞微處理器的A/D轉(zhuǎn)換電路。

STM32F407型微處理器有3個(gè)模數(shù)變換器，這些模數(shù)變換器可以單獨(dú)使用，也可以同時(shí)使用。STM32F407的模數(shù)變換器是12位逐次逼近型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。它擁有19個(gè)通道，其中有16個(gè)外部源、2個(gè)內(nèi)部源和Vbat通道的信號(hào)。這些通道中的A/D轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或者間斷模式執(zhí)行任務(wù)模擬看門狗系統(tǒng)特性允許應(yīng)用程序介入，檢測輸入的電壓是否超出用戶自定義的高/低閥值[10-15]。

圖5 電流信號(hào)采集、信號(hào)調(diào)理電路原理圖Fig.5 Current signal acquisition,signal conditioning circuit schematic

3 結(jié)果分析

表1 在不同交流電壓下阻性電流測試結(jié)果Table 1 Test results under different AC voltage resistance current μA

作為SPD在線監(jiān)測裝置，必須要有良好的準(zhǔn)確度，并能在工作環(huán)境中長期穩(wěn)定的運(yùn)行。對此，本文將所設(shè)計(jì)完成的SPD在線監(jiān)測裝置在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行了調(diào)試與檢測。通過對實(shí)驗(yàn)室沖擊條件下，提取阻性電流數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。通過圖6與表1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出：從圖形看全電流的增加斜率是線性的，電壓增加1.55倍，全電流增加1.53倍，基本是相稱的。阻性電流基波峰值的增加斜率不固定，呈非線性狀態(tài)，電壓增加1.55倍，阻性電流增加2.12倍。顯然阻性電流基波峰值在交流電壓增加一定數(shù)量下的增長速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全電流的增加速度。而且全電流由于電容分量占主要成分，所以增長的幅度與電壓增長的幅度基本成線性變化。

圖6 全電流、阻性電流隨沖擊電壓變化趨勢Fig.6 Fullcurrent，resistivecurrentwiththeimpactofvoltagechanges

4 結(jié)語

本裝置設(shè)計(jì)采用了多匝串入式微電流采集器。多匝串入式微電流采集器的設(shè)計(jì)，避免了過去監(jiān)測通常采用的穿心式羅氏線圈由于存在放大器導(dǎo)致噪聲干擾也將被放大，有用信號(hào)可能永久被覆蓋等許多難以克服的缺點(diǎn)。即不影響PE線工作，又能非接觸式測量電流，工作安全可靠。對于微弱的阻性電流可以很好地提取。利用STM32芯片處理單元對采集的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT處理，得到SPD的泄漏電流的阻性電流基波分量與奇次諧波分量，得到各次阻性電流諧波分量后，再在主計(jì)算程序中進(jìn)行波形疊加求和，得到總阻性電流大小及波形。數(shù)據(jù)通過微處理器芯片處理，實(shí)現(xiàn)了電壓、電流同時(shí)監(jiān)測。阻性電流的監(jiān)測范圍為0.1 μA～10 mA，精度達(dá)到0.1 μA，最大可實(shí)現(xiàn)五次諧波的測量，數(shù)據(jù)結(jié)果可在線傳輸、直接顯示、打印，使得讀數(shù)方便簡潔。

[1]陳婷.氧化鋅避雷器阻性電流測量方法與應(yīng)用技術(shù)研究[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2012．

[2] LAI J S，MARTZLOFF F D.coordinating cascaded surge protection devices-high-low versus low-high[J].IEEE Transactions on Industry Applications，1993，29（4）:680-687.

[3] BULSON J M.Low-impedance cable for parallel-connect?ed surge protective devices[J].IEEE Transactions on Pow?er Delivery，1995，10（4）:1816-1821.

[4]尚勇，周鵬.變電站內(nèi)氧化鋅避雷器無線在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究及應(yīng)用[J]．電工技術(shù)，2016（1）：230-231．SHANG Yong，ZHOU Peng.Research and application of wireless on-line monitoring system for Zinc Oxide light?ning arrester in substation[J].Electrotechnical Technolo?gy，2016（1）:230-231.

[5]李凌燕，杜志葉，阮江軍，等.35 kV柜內(nèi)用避雷器在線監(jiān)測中相間干擾的數(shù)值計(jì)算分析[J].電瓷避雷器，2016（2）：79-84．LI Lingyan，DU Zhishe，RUAN Jiangjun，et al.Numeri?cal calculation and analysis of Interphase Interference in on-line monitoring of arrester used in 35 kV[J].Insulators and surge Arresters，2016（2）:79-84.

[6]周新軍，楊娟，黃洪波，等.帶電檢測在金屬氧化物避雷器狀態(tài)檢修中的應(yīng)用[J].湖南電力，2016（1）：66-68．ZHOU Xinjun，YANG Juan，HUANG Hongbo，et al.Ap?plication of live test in condition based maintenance of metal oxide arrester[J].Hunan Electric Power，2016（1）:66-68.

[7]王琳，陳周旺，傅潤潤.在線檢測SPD漏電流電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子制作，2014（21）：63-64．WANG Lin，CHEN Zhouwang，F(xiàn)U Runrun.Design of online detecting SPD leakage current circuit system[J].Prac?tical Electronics，2014（21）:63-64.

[8]曹健安.基于STM32的空調(diào)壓縮機(jī)無位置傳感器矢量控制[D].上海：東華大學(xué)，2012．

[9]曹洪亮，譚涌波，李鵬飛，等.一種簡便的阻性電流提取算法[J].電瓷避雷器，2015（5）：115-118．CAO Hongliang，TAN Chongbo，LI Pengfei，et al.A sim?ple algorithm for extracting resistive currents[J].Insulators and surge Arresters，2015（5）:115-118.

[10]宋敬衛(wèi)，付廣春，馬獻(xiàn)國.基于STM32的多路電壓采集研究[J].電子世界，2013（12）：55-56．SONG Jingwei，F(xiàn)U Guangchun，MA Xianguo.Voltage ac?quisition research based on STM32[J].Electronics World，2013（12）:55-56.

[11]曾文慧.氧化鋅避雷器絕緣在線監(jiān)測原理及系統(tǒng)研究[D].成都：四川大學(xué)，2006．

[12]李祥超，姜翠宏，趙學(xué)余.防雷工程設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].北京：氣象出版社，2010．

[13]楊仲江，陳琳，孫涌.雷電沖擊試驗(yàn)中的壓敏電阻性能[J].南京信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，2（4）：353-356．YANG Zhongjiang，CHEN Lin，SUN Chong.Performance of MOV in impulsive test[J].Journal of Nanjing University of Information Science&Technology，2010，2（4）:353-356.

[14]路秋妮.壓敏電阻在防雷保護(hù)中的一些特性[J].中國科技博覽，2011（17）：98-98．LU Qiuni.Some characteristics of varistors in lightning protection[J].Science Forum，2011（17）:98-98.

[15]應(yīng)達(dá)，肖穩(wěn)安，趙軍，等.工頻過電壓對壓敏電阻影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].電瓷避雷器，2012（6）：71-75.YING Da，XIAO Wenan，ZHAO Jun，et al.Experimental study on the influence of power frequency overvoltage on MOV[J].Insulators and Surge Arresters，2012（6）：71-75.