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MOA電位分布及溫度分布無線采集系統(tǒng)的設(shè)計

2018年電子技術(shù)應(yīng)用第8期

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

摘要： 避雷器(MOA)的保護性能對變壓器及其他電氣設(shè)備的絕緣水平的確定有著直接的影響，其中MOA的電位分布及溫度分布情況決定了整只MOA的運行壽命。在進行合理均壓措施的情況下，會有效減緩MOA老化，降低熱崩潰的可能性。對MOA的電位分布情況進行測試是為MOA進行均壓調(diào)整的必要手段。采用高性能便攜式微處理器和無線同步采集技術(shù)，設(shè)計了基于無線采集技術(shù)的MOA電位分布及溫度分布系統(tǒng)。對MOA電位分布及溫度分布情況以無線同步方式進行測試是對傳統(tǒng)基于有線光纖方式檢測手段進行測試的升級，簡化了現(xiàn)場繁瑣的光纖布線，提高了測試數(shù)據(jù)的準確度。根據(jù)MOA測試到的電壓分布及溫度分布情況，為后續(xù)采取MOA均壓提供了有效數(shù)據(jù)，有利于電網(wǎng)的安全可靠運行。

關(guān)鍵詞： MOA 分布電位分布溫度 AVR處理器無線測試

中圖分類號： TM835
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.175108
中文引用格式： 李佳奇，劉碧琦，李斌，等. MOA電位分布及溫度分布無線采集系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44(8)：60-63.
英文引用格式： Li Jiaqi，Liu Biqi，Li Bin，et al. Design of MOA potential distribution and temperature distribution wireless acquisition system[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(8)：60-63.

Design of MOA potential distribution and temperature distribution wireless acquisition system

Li Jiaqi1，Liu Biqi2，Li Bin1，Geng Lina1，Ma Yiling1，Wang Shuai1

1.Liaoning Electric Power Research Institute of SGCC，Shenyang 110006，China； 2.Liaoning Electric Power Information and Communication Branch of SGCC，Shenyang 110006，China

Abstract： The protection performance of lightning arrester(MOA) has direct impact on insulation level of the transformer and other electrical equipment , the potential distribution and the temperature distribution of the arrester determines the operating life of a lightning arrester. In the case of reasonable pressure sharing measures, it will effectively slow down the aging of arrester and reduce the possibility of thermal collapse. It is necessary to test the potential distribution of arrester to adjust the voltage distribution of arrester. The design uses high performance portable microprocessor, wireless synchronous acquisition technology, design of the lightning arrester potential distribution and temperature distribution system based on wireless acquisition technology. The arrester potential distribution and temperature distribution in the wireless synchronization testing is the traditional way of fiber-optic cable test methods based on test upgrade, which simplifies the tedious scene of fiber-optic cabling and improves the accuracy of the test data. According to the voltage distribution and temperature distribution measured by the arrester, effective data are provided for subsequent voltage sharing of the lightning arrester, which is beneficial to the safe and reliable operation of the power grid.

Key words : MOA；distribution potential；distribution temperature；AVR processor；wireless test

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，嚴重時出現(xiàn)熱崩潰，使得整只MOA提前報廢，因此有必要對MOA采取均壓措施以延長其運行年限^[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行同步檢測，簡化檢測的前期準備工作，保障了人身安全。

1 系統(tǒng)設(shè)計原理

MOA在運行電壓下，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；同時設(shè)計無線通信模塊放置于測試探頭內(nèi)部，利用計算機控制測試基站與各個采樣探頭進行通信，實現(xiàn)了整只MOA在投運前各個測試電阻片的分布電位及分布溫度的檢測，為下一步進行均壓調(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

2.1 信號調(diào)理電路設(shè)計

由于MOA在運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。為了實現(xiàn)交流正負信號的測試，采用基準源電路產(chǎn)生1.23 V的基準電壓，提升了系統(tǒng)的零基準電平。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)生涌流時保護后續(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

為了實現(xiàn)調(diào)理后的各模擬量的準確采集，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的基準源，但此基準源的溫漂較大，且不同批次的CPU由于制造工藝的不同導致內(nèi)部的基準電壓相差較大。若根據(jù)信號調(diào)理電路中穩(wěn)定的1.23 V基準源作為系統(tǒng)的基準源，則可以較好地提高系統(tǒng)的AD轉(zhuǎn)換準確度。首先設(shè)計R10、R11兩只1%精度的等值電阻對鋰電池電壓進行二分壓，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讀取到的基準源AD值。

2.3 MOA電位分布采集與溫度采集電路設(shè)計

引入R4，即NTC-MF52型熱敏電阻，實現(xiàn)溫度的測試。其與10 kΩ電阻R5構(gòu)成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，當MOA被測溫度變化時，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的阻值分度表進行測試點溫度的確定。同時，程序中設(shè)定模擬通道進行對時間的積分采樣，實現(xiàn)被測模擬量有效值的運算。以上測試過程在測試基站發(fā)出查詢指令時，各測試探頭內(nèi)CPU控制三極管Q1導通并啟動測試程序，其余時間CPU控制Q1截止，系統(tǒng)進入低功耗模式。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

3.1 采樣探頭部分程序設(shè)計

采樣探頭以星型拓撲方式構(gòu)成，各采樣探頭在工作時首先確定CPU內(nèi)部各個寄存器的初始值，進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偵聽到測試基站發(fā)出的無線喚醒指令則啟動主程序，并對本機測試到的各個模擬量以0.1 ms的間隔進行連續(xù)采樣。當進行10 000次的AD轉(zhuǎn)換，即50個工頻信號對時間取積分的采樣，計算出采樣探頭相鄰的MOA的分布電位真有效值，之后進行當前采樣探頭相鄰的MOA的溫度及探頭剩余電量的采樣。同時規(guī)定每只探頭以T_s的延遲時間與測試基站進行測試結(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，N為探頭編號。

當完成數(shù)據(jù)發(fā)送后，各探頭重新進入睡眠狀態(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 上位機處理與分析

上位機處理分析采用可視化DELPHI編程實現(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)計與歷史查詢，方便測試人員對MOA電位分布、溫度分布情況進行分析。

4 應(yīng)用

4.1 采樣探頭安裝設(shè)計

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個采樣探頭，共計36點。設(shè)置上數(shù)第一節(jié)上法蘭為測點1，向下至上數(shù)第一節(jié)下法蘭依次是測試點2至9；上數(shù)第二節(jié)上法蘭為測點10，向下至上數(shù)第二節(jié)下法蘭依次是測試點11至18，以此類推至上數(shù)第四節(jié)下法蘭，共設(shè)置36個采樣點。

4.4 試驗結(jié)果

對750 kVMOA，其相電壓為：

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