关于避雷器状态在线监测装置的研究 毕业论文

湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文）

湖南铁路科技职业技术学院

毕业设计（论文）任务书

课 题 关于避雷器状态在线监测

装置的研究

编 号＿＿＿＿＿＿＿＿

专 业 电气化铁道

班 级 电子电器

学生姓名＿＿

指导单位 湖南铁路科技职业技术学院

指导教师＿

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设计(论文)任务与要求: 任务:了解接触网的组成、硬点产生的原因。 任务:（1)巩固和提高所学的基础理论和专业知识； （2）提高运用所学的专业知识进行独立思考和综合分析、解决实际问题的能力； （3） 培养掌握正确的思维方法以及利用软件和硬件解决实际问题的基本技能； （4） 增强对实际电路的认识，掌握分析处理方法，进行调试、计算等基本技能的训练，使之具有一定程度的实际工作能力； （5） 掌握科研、资料查阅的基本方法以及获取新知识的能力； （6） 促使我们学习和获取新知识，掌握自我学习的能力； （7） 通过设计接触网系统，了解接触网的工作原理和内部构造； （8） 了解接触网的组成、硬点产生的原因。 要求：（1） 初步掌握本专业有关的设计方面的要领和步骤； （2） 把在校三年所学知识进行一次系统的总结和综合运用 ； （3） 提高调查研究、独立思考、分析和解决问题的能力； （4） 具有创新能力和实践能力。 (5)了解接触网的组成硬点的产生愿意和分析并提出减少硬点产生的方案方法建议，提高接触网的工作效率和使用寿命。 设计(论文)依据的原始资料:

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设计(论文)文件的组成及要求:

参考资料: [1]．邱昌容、曹晓珑主编 电气绝缘测试技术(第三版)[M]．北京：机械工业出版社，2001 [2]．严璋编，电气绝缘在线检测技术[M]．北京：水利电力出版社，2005 [3]．王昌长、李福祺编著，电力设备的在线监测与故障诊断[J]．清华大学电机工程与应用电子技术系自编教材，2006。 [4]．成永红编著，电力设备绝缘检测与诊断[M]．北京：中国电力出版社，2001 [5]．黄盛洁、姚文捷、马治亮、李化著，电气设备绝缘在线监溯和状态维修[M]．北京：中国水利水电出版社，2004 [6]．常越、钱家骊，几种检测氧化锌避雷器阻性泄漏电流方法的分析[J]．电瓷避雷器，2002， [7]．常越，氧化锌避雷器在线监测方法的研究[M]，清华大学博士学位论文，2003 [8]．贾逸梅、粟福珩，在线监测氧化锌避雷器泄漏电流的方法[J]．高电压技术，2001， [9]．周龙、文远芳 MOA在线检测与诊断技术的方法分析[J]．电瓷避雷器。2006。 [10]．唐炬、孙才新等，氧化锌避雷器的一种在线测试仪的研制[J]．重庆大学学报：自然学版．2004． [11]．关根志、贺景亮等，氧化锌避雷器泄漏电流在线监测的试验研究[J]．高压电器. 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文）

任务下达时间: 2013.2.26——3013.5.31 毕业设计开始与完成任务日期: 系部专业教学指导委员会 该毕业设计（论文）选题符合本专业人才培养目标要求，同意下达任务 系部主任审批意见 同意按计划执行 签字 年 月 日 湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文）

摘要

可编程控制器（PLC)是近年来发展迅速应用广泛的控制装置，是一种工业环境应用而设计的数字电子控制系统，它不仅可以取代传统的继电器-接触器控制系统，还可以完成逻辑运算，顺序控制，定时,计数，数值计算和特定的功能，其应用于从单机自动化控制到整条生产线的自动化及至整个工厂的生产自动化控制，使电器控制技术进入了一个暂新的阶段，目前PLC控制几乎在工业生产的所有领域都得到了广泛的应用。

本次设计的主要内容是工件的锻压、搬运和装箱自动化生产的PLC控制系统。先对本设计进行总体的思考，使自己有一个大致的总体概念，然后了解油压机、机械手的基本结构，仔细分析工件的锻压、搬运和装箱过程，再根据工件的运动过程，画出功能图，编译PLC梯形图及语句表，利用PLC实验台进行实验仿真。最终完成对工件的锻压、搬运和装箱自动化生产控制系统的PLC设计。因此工件在完成锻压、搬运和装箱运动过程外，油压机、机械手和步进电机的PLC控制系统还具有安装简便，稳定性好，易于维修，扩展能力强等特点。

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目录

1 绪论 ................................................................ 7

1.1 电力设备维修的发展概况 ......................................... 7 1.2 氧化锌避雷器在线监测的意义 ..................................... 8

1.2.1 氧化锌避雷器的主要特点 ................................... 9 1.2.2 氧化锌避雷器运行中存在的问题 ............................. 9 1.2.3 氧化锌避雷器在线监测的意义 .............................. 10 1.3 氧化锌避雷器在线监测的研究现状 ................................ 11 1.4 本文研究的主要内容 ............................................ 13 1.5 小结 .......................................................... 13 2 MOA在线监测系统的原理 .............................................. 14

2.1 MOA在线监测的总体原理及方法 .................................. 14

2.1.1 MOA在线监测原理 ......................................... 14 2.2 MOA在线监测系统的实施方案 ................................... 15

2.2.1 电流、电压信号采集 ...................................... 16 2.2.2 信号放大电路及滤波电路 .................................. 17 2.2.3 倍频跟踪电路及采样/保持电路 ............................. 17 2.2.4 A／D转换及数据采集 ..................................... 17 2.2.5 主机监测程序 ............................................ 18 2.2.6 系统工作步骤 ............................................ 18 2.3 小结 .......................................................... 18 3 在线监测方法误差原因及改进措施 ..................................... 19

3.1 相间杂散电容的干扰 ............................................ 19

3.1.1现在常用消除相间干扰的方法及其不足 ....................... 20 3.3 PT角差的影响 ................................................. 21 3.4 绝缘子表面污秽 ................................................ 22 3.5交流伏安曲线滞回特性的影响 .................................... 22 3.6 小结 .......................................................... 22 4 MOA在线监测的系统设计 .............................................. 23

4.1电流、电压信号的采集和处理 .................................... 23 4.2 温度、湿度的监测 .............................................. 36 4.3 数据处理程序的设计 ............................................ 41 4.4 在线监测的抗干扰问题 .......................................... 42 4.5 小结 .......................................................... 43 5 MOA在线监测系统的调试与实测 ........................................ 44

5.1 传感器及前置处理电路误差的校正 ................................ 44 5.2 MOA阻性泄漏电流线性模拟测试 .................................. 44 5.3 MOA阻性泄漏电流现场实测 ...................................... 48 5.4小结 .......................................................... 50 6 技术经济性分析 ..................................................... 51 7 结论 ............................................................... 51 参考文献 ............................................................. 52

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前言

避雷器是电力系统的重要设备之一，而氧化锌避雷器因其保护特性好，通流容量大、结构简单可靠，在电力系统中已经逐步取代了碳化硅避雷器，获得了日益广泛的应用。

目前采用的氧化锌避雷器大多不带有任何间隙，这样氧化锌阀片长期直接承受工频电压，运行期间总有电流流过阀片，会引起避雷器阀片老化、阻性泄露电流增加和功耗加剧，导致避雷器阀片温度升高至发生热崩溃，从而引发电力系统事故。

为了及时发现氧化锌避雷器的隐患，需要对其运行状况进行在线监测，目前，对氧化锌避雷器状态在线监测的主要手段是在线监测，采用的措施为：测量氧化锌避雷器在运行状态下的全电流变化，测量流过氧化锌避雷器阻性电流的变化来监测氧化锌避雷器性能的变化。通过对避雷器泄露阻性电流的监测，能对引起泄漏电流变化的原因进行进一步的分析。

1 绪论

1.1 电力设备维修的发展概况

运行电力设备的状态对电力系统的安全运行至关重要，尤其是提高供电安全性，减少停电给国民经济带来的损失，满足供电可靠性的根本要求。电力设备在运行中受到电、热、机械、环境等因素的作用，其性能将逐渐劣化，直至造成故障，引起供电中断。电力系统正向超高压、大电网、大容量、自动化方向迈进，随着电压等级的提高，有关电气设备绝缘问题就显得越来越重要。无论是大型关键设备如发电机、变压器，还是小型设备如电容器、避雷器、绝缘子等，一旦发生故障，将引起局部甚至片区停电，影响国民经济生产，破坏社会的正常秩序，造成难以挽回的损失。

提高电气设备的可靠性，一是提高设备的质量，二是进行检查和维修。最早是发生事故后才维修，称为事故维修，但突发性事故损失大。目前广泛采用定期检查与维修的制度，称为预防性维修制度，电力工业部专门为此制定了《电力设备预防性试验规程》(DL/T 596-1996)。电力系统中当前推行的预防性试验是离线进行的，其缺点是：①需停电进行。而不少重要的电力设备，轻易不能停止运行；②周期性进行。设备仍有可能在试验间隔期间发生故障，即造成“维修不足”；③停电后设备状态(如作用电压、温度等)和运行中不符，且运行电压很高而常规预防性试验电压较

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低(一般在工频10kV以下)，从而影响判断准确度，可能出现预防性试验合格，而在运行中发生事故的现象；④定期的试验维修有时是不必要的，造成了人力、物力的浪费，即造成“过度维修”。由于逐渐发现和认识到定期停电进行预防性试验的缺陷和不足，在采用预防性检修制的同时，人们积极探索带电检测的试验方法．开始带电检测的思路与预防性试验并没有发生根本性变革，只是采用停电预防性试验的仪器以加强绝缘等手段来实现带电检测，这样不仅安全可靠性差，而且测得的数据分散性较大，缺乏推广应用的价值，但重要的是使人们认识到了在运行电压下带电检测比停电后加较低电压下的预防试验更能真实反映设备的运行状态。

随着传感器、光纤、计算机技术的迅猛发展，当前发展起了以在线监测(状态监测)和故障诊断为基础的状态维修。设备“在线监测”的重要特征是监测系统几乎不使用预防性试验的仪器，而是利用各种高灵敏度的传感器及测量手段对反映设备运行状态的物理、化学量进行检测，以判明设备是否处于正常状态；设备的“故障诊断”是指专家(演变为具有丰富软件支持的计算机网络)根据状态监测所得的各测量值及其运算结果所提供的信息，采用所掌握的关于设备的知识和经验，进行推理判断，找出设备的故障类型、部位及严重程度，从而提出对设备的维修处理建议。在线监测技术的特点是可以对电气设备在运行状态下进行连续或随时的监测与判断，故可避免上述预防性试验的缺点。

在线监测系统是将传感器技术、电子技术、计算机技术与高电压技术相结合的产物。在线监测与离线试验不是对立的，而是相辅相成的。在线监测中发现事故隐患后，必要时在离线状态下进行更为彻底的全面检查。推行状态监测与故障诊断技术(在线诊断技术)，可以变预防性维修为预知性维修，即状态维修。从“到期必修”过渡到“该修则修”。在线监测为我们提供了以前离线测试时无法获得的数据，为我们从另一个角度研究设备的运行状况提供依据，随着在线监测技术的成熟及人们运行经验的积累，预知性检修替代预防性检修体系将成为必然的发展趋势。综上所述，对电气设备的检修，大约走过了事故后检修、预防性计划检修，现正向预知性的状态检修迈进[1]。

1.2 氧化锌避雷器在线监测的意义

避雷器主要用于限制由线路传来的雷电过电压或由操作引起的内部过电压，是

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保证电力系统安全运行的重要保护设备之一，它的正常运行对保证系统的安全供电起着重要作用。传统的避雷器(分为保护间隙避雷器、管式避雷器、阀式避雷器)在使用时必须串联间隙。六十年代末、七十年代初，日本率先研制出了金属氧化锌避雷器(Metal Oxide Surge Arrester--MOA)，从八十年代开始在我国电力系统推广应用并已成为避雷设备的主流，因而本文主要讨论金属氧化锌避雷器的在线监测。

1.2.1 氧化锌避雷器的主要特点

氧化锌避雷器是由非线性电阻片叠装而成，具有非常优越的非线性伏安特性，可以取消串联火花间隙，实现避雷器无间隙无续流，且造价低廉，因而在国内外电力系统中各电压等级电网中得到了广泛应用。其主要具有以下优点；

1） 保护选择性好

由于MOA具有很好的非线性特性，所以在正常运行电压下呈现很高的阻值，正常工作时流过它的电流只是微安级；当施加在它上面的电压超过参考电压时，其伏安特性渐呈平坦曲线，通过它的电流增加很快，从而可以有效地抑制过电压，保护其它电气设备的安全运行。

2） 通流能力大

氧化锌阀片的密度高，比热大，通流能力大约是碳化硅阀片的4倍，因此在需要大通流能力的场合其优越性更加明显3） 结构简单，可靠性高

由于可以取消传统碳化硅避雷器的串联间隙，提高了可靠性，动作稳定性好，同时新一代MOA的抗污秽能力也得到了很大的改善。

1.2.2 氧化锌避雷器运行中存在的问题

虽然MOA与碳化硅避雷器相比具有很多优点，各种性能也有了很大的改善，但在投入电力系统使用之后，也出现了这样或是那样的问题，归纳起来主要有以下几个方面．

1） 由于MOA取消了串联间隙，在电网电压作用下，一定有泄漏电流流过氧化锌阀片，电流中的有功分量将使阀片发热，从而引起MOA伏安特性的变化，这是一个正反馈的过程，长期作用的结果将导致氧化锌阀片的老化，直到出现热击穿。

2） MOA受到冲击电压的作用，氧化锌阀片也会在冲击电压能量的作用下发生老化。

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3） MOA内部受潮或内部绝缘支架绝缘性能不良，会使工频电流增加，功耗加剧，严重时可导致内部放电。

4） MOA时常受到雨、雪、凝露及灰尘的污染，由于MOA内外电位不同而使内部氧化锌阀片与外部瓷套之间产生较大的电位差，导致径向放电现象的发生，严重时可能损坏避雷器。根据统计，我国电力系统自1986年大量的高压MOA进入电网以来，到1990年10月为止电压等级在110kV及以上的国产MOA已达7060相，累计运行16789相，其中有48相发生事故，占0.68％；90相退出运行，占1.3％。统计事故率占0.286％相，百相年，其中受潮引起的事故占60％。1985年起，我国进口110kV及以上电压等级MOA近2000相，主要是日本：日立、明电舍、三菱；瑞典：ASEA、瑞士：BBC（ABB)和美国：GE等多家产品。不完全统计有23相损坏，退出运行有三十多相，事故率为O．34相／百相年，事故率高于国产避雷器的事故率，其主要故障是由于受潮、直流l mA参考电压UtmA过低、电位分布不均、运行不当等原因造成的[2]。一旦MOA发生故障，避雷器本身将造成损坏甚至爆炸，同时其它电气设备将失去过电压保护，影响电力系统的安全运行。因此，国内外从MOA投运起就十分重视其运行工况的检测。

1.2.3 氧化锌避雷器在线监测的意义

当MOA存在内部受潮和阀片老化等缺陷时，一般通过停电试验可以检查出来，但MOA为非线性电阻元件，在电网电压及环境等因素长期作用下会产生劣化，以至于有时在停电试验时未能发现任何问题，而在正常工作电压下运行几个月后突然爆炸，导致大面积停电事故，这充分说明对MOA性能的判断仅依赖停电试验还是不够的，主要原因如下：1） 停电试验所加电压，周围环境因素等与MOA正常工作时所承受的电压、环境是不同的，这时测得的试验数据就不能准确而有效地反映设备状况．

2） 由于停电试验的周期较长，MOA的性能是逐渐变化的，这个变化达到一定程度后其劣化速度加快。

因此，对MOA进行在线监测与带电测试，并由此来确定是否停电进行试验，能够有效发现MOA受潮和老化等缺陷；或者，用在线监测所测的数据，通过“纵比”(与同一设备连续监测的数据相比)可进一步判断属于何种潜伏性故障。

湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文） 1.3 氧化锌避雷器在线监测的研究现状

对MOA运行工况的监测方法研究时间比较长，检测方法也有多种，基本都以测泄漏电流为基础。根据国内外目前采用的测试方法，可归纳为下面几种：

1） 总泄漏电流法

总泄漏电流法是基于MOA泄漏电流的容性分量基本不变，可以简单地认为其总电流的增加能在一定程度上反映其阻性分量电流的增长情况。基本方法是在避雷器放电记数器两端并接低电阻的?A表，以此测量总泄漏电流的变化。显然，这种方法太粗糙，灵敏度较低，不宜广泛采用。实际上，仅是一种无高精度仪器时的简单观测方法。因此目前极少用此方法[3]。

2） 阻性电流三次谐波法

阻性电流三次谐波法是将全电流经带通滤波器检出三次谐波分量，根据MOA的总阻性电流与三次谐波阻性分量的一定的比例关系来得到阻性电流峰值。由于各厂生产的阀片以及同一厂生产的不同规格的阀片的特性不尽相同，导致三次谐波峰值而且Irx与Irx3的函数关系又是随阀片Irx与阻性电流峰值Irx3之间的函数关系不一样，

的老化而变化的；MOA端电压(母线电压)中的谐波含量也对测量结果产生直接影响；此外，也无法反应MOA表面污秽、受潮的情况。因此，三次谐波法既不具有通用性，也不能比较客观地反应MOA的实际运行工况，它只能局限于同一产品在同一试验条件下的纵向比较。其优点是只需取MOA的总泄漏电流，不需要参考电压，比较方便。但当系统电压中含谐波分量较大时，则电容电流也将含3次谐波，使测量存在较大误差，容易造成误判。

3） 补偿法测量阻性电流

补偿法认为导致阀片发热而产生有功损耗的原因是阻性电流分量，所以是以外加容性电流来去掉与母线电压成π／2相位差的容性电流分量从而获得阻性电流的方法。这种方法以LCD-4型泄漏电流检测仪为代表，可以测量总泄漏电流、阻性电流分量及功率损耗，有较好的测量效果。补偿法测量原理简单，测量精度能满足工程要求，使用也很方便。但这种方法只有在总泄漏电流中的阻性电流与容性电流成π／2相位差时才可以得到反应阀片老化的真实结果。在测试现场有干扰而三相成固定排列(如一字形)时，由于相间杂散电容的作用，容性电流与电压不成π／2相位差，

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测试仪器不能将容性电流完全补偿掉，使误差很大。此时A相和C相MOA受B相电压的影响，总泄漏电流的相位(以本相电压为参考量)将分别移后和移前约3°～5°，B相MOA同时受A相和C相电压影响，相位基本不变，从而导致测得的阻性电流A相增大，C相减小，B相基本不变，即不能反应MOA阀片老化的真实情况。但作为纵向比较是可以客观反应三相MOA的实际运行工况的。另外补偿法从PT上取电压信号，可能存在着相移；电网电压有谐波时，也要影响其测量的精度。

4） 高次谐波计算法

这种方法是对常规补偿法的改进，其基本思想是：只需从MOA取总泄漏电流，经过单片机分析计算得到阻性电流。将从MOA取到的总泄漏电流同时送入减法单元和逻辑分析单元；逻辑分析单元对总泄漏电流信号进行分析，计算出容性电流和阻性电流的相位差，由自动信号生成单元生成容性电流信号初值，并送入减法单元与总泄漏电流作差分运算。后面的处理与常规补偿法相同，最后可得到阻性电流。这种方法的优点是：测试人员可避开电压互感器的接线操作，使在线监测操作更简便，增强了电力系统在线测试的安全性；采用了单片机系统，智能化程度较高．但其准确性取决于系统电压高次谐波的含量．

5） 谐波分析法监测阻性电流的基波值

谐波分析法认为用阻性电流基波来研究MOA的小电流特性更合理，因为在正弦波电压作用下，MOA的阻性电流中有基波，也有高次谐波，但只有基波电流能作功产生热量，谐波电流则不作功也不产热。在各种MOA阻性电流值相等的情况下，因不同MOA的阻性电流基波与谐波的比例往往不同，则其发热、功耗也就不同。同时测量阻性电流基波还可以排除电网电压中含有谐波对阻性电流测量的影响，而不论其谐波量如何，阻性电流基波值总是一个定值。谐波分析法采用数字化测量和谐波分析技术，从总泄漏电流中分离出阻性电流基波值，整个过程可以通过单片机或微机在软件中得以实现。对于相间杂散电容的影响，可以利用谐波分析技术测出两个边相泄漏电流的相移予以纠正。这种方法可信度高，硬件电路简单，便于实现在线监测，采用适当的措施可以减小干扰，提高其测量精度。

6） 采用波点方法(Point-On-Wave)测试MOA泄漏电流

这种方法通过分析电压和泄漏电流的波形而得到阻性电流的一个周期内的值。

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它适用于便携式的MOA泄漏电流测试，但其可靠性尚需进一步验证。总之，上面的几种方法都有一定的局限性，总是或多或少地受电网电压谐波和相间干扰等因素的影响。因此，消除或减少相间电容电流的干扰，消除谐波电压和PT相移等因素的干扰，使测得的阻性电流更加真实地反映各相MOA的运行状况成为必要，而且根据现场工程实际选择合理、实用、可靠的方法成为MOA在线监测及诊断系统的主要任务。

1.4 本文研究的主要内容

MOA在线监测系统投入运行后应不影响变电站电气设备的正常运行，系统能自动地连续进行监测，数据处理和诊断分析、具有较好的抗干扰能力和合理的监测灵敏度、监测结果具有较好的有效性和可靠性、能及时准确地反映MOA的运行状况并指导检修工作。本文就MOA泄漏电流阻性分量的在线监测进行了研究，同时结合生产现场实际，探索以高档微机为核心，简化硬件电路，运用软件分析技术，以“软”代“硬”的在线监测方法。故需运用数字化测量和分析技术，把丰富的软件技术用于MOA的在线监测中．[4]

本文研究的主要研究工作为：

1） 一种工程中实用的MOA在线监测方法，相应MOA在线监测系统的实施方案的设计；

2） 分析MOA在线监测方法的误差原因，制定相应的改进措施； 3） 灵敏可靠传感器的研究，MOA在线监测系统的设计； 4） MOA在线监测实测数据的分析研究。 1.5 小结

1） 简述了电力设备维修从事故维修、预防性维修到状态维修的发展历程，论述了开展在线监测技术研究的必要性。

2） 分析了氧化避雷器运行出现故障的原因，说明了对MOA线监测的必要性和意义。

3） 综合阐述了现阶段MOA性电流测量的常用方法及原理，比较各种方法的优缺点。

4）提出了本文研究的目的和主要内容，拟研发以“软件分析技术”的电气设备在线检测系统，重点是对MOA阻性电流在线监测与诊断，通过剖析系统原理，分析

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误差原因，排除干扰因素，实现系统的安全稳定运行。

2 MOA在线监测系统的原理

随着电子技术和计算机技术的飞速发展和广泛应用，电气设备的在线监测技术也取得了重大进展。最近几年，在测试领域中发展起了一种新的技术应用——数字波形分析系统。它是一种兼有波形的数字采集、存储和分析功能的数字化、智能化测量系统。在对设备原始电压、电流波形进行采集的基础上，运用丰富的数字处理方法编制软件程序对数据进行分析，能实现对设备各种运行参数的监测[5]。这种技术具有相当大的灵活性。

在存贮和保留原始信号数据的基础之上，为了获得监测信号的某些新信息，可不改变硬件电路，只需修改软件即实现。随着在线监测技术的发展，可使监测和诊断技术相结合，对数据、结果进行更广和更深层次的分析和判断，不断开发适用的分析软件以达到能智能化地对电气设备绝缘状况进行监测和诊断。因此，以软件为主的监测技术具有很好的发展前景。

2.1 MOA在线监测的总体原理及方法

在交流作用下，避雷器的总泄漏电流(全电流)包含阻性电流(有功分量)和容性电流(无功分量)。在正常运行情况下，流过避雷器的电流主要为容性电流，阻性电流只占很小一部分，约为10％~20％左右。但当阀片老化、避雷器受潮、内部绝缘部件受损以及表面严重污秽时，容性电流变化不大，而阻性电流却大大增加，所以目前对氧化锌避雷器主要进行阻性电流的在线监测，而监测阻性电流的关键是要从阻容共生的总电流中分离出微弱的阻性电流。

2.1.1 MOA在线监测原理

因MOA无串联间隙，在持续运行电压作用下，由氧化锌阀片组成的芯片柱就要长期通过工作电流，即总泄漏电流。严格说来，总泄漏电流是指流过MOA内部阀片柱的泄漏电流，但测得的MOA总泄漏电流包括瓷套泄漏电流、绝缘杆泄漏电流及阀片柱泄漏电流三部分．一般而言，阀片柱泄漏电流不会发生突变，而由污秽或内部受潮引起的瓷套泄漏电流或绝缘杆泄漏电流比流过MOA内部阀片柱的泄漏电流小得多。因此，在天气好的条件下，测得的MOA总泄漏电流一般都视为流过MOA阀片柱的泄漏电流。 由于MOA芯片柱是由若干非线性的阀片串联而成的，通过MOA

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的总泄漏电流是非正弦的，因此不能用线性电路原理来求总泄漏电流。为此，国内外常用阻容并联电路来近似等效模拟MOA非线性阀片元件，见图2-1(a)。Rn是ZnO晶体本体的固有电阻，电阻率为1~10?2cm；Rx是晶体介质层电阻，电阻率为

10~10?2com，它是非线性的，随外施电压大小而变化；Cx是ZnO晶体介质电

10

13

容，相对介电系数为1000-2000。由于Rx>>Rn，可略去Rn的影响，故又常将图2-l(a)简化为2-l (b)的等效电路[6]。

母线Uk母线UkIxRnIxIRxRxICxCxIRxRxICxCx

图2-1 MOA阀片芯柱的等效电路

Figure 2-1 MOA valve core columns in the equivalent circuit

流过MOA的总泄漏电流Ix可分为阻性电流Irx与容性电流Icx两部分[7]。导致阀片发热的有功损耗是阻性电流分量。因Rx为非线性电阻，流过的阻性电流不但有基波，而且还含有三次、五次及更高次谐波；只有阻性电流的基波才产生功率损耗；虽然总泄漏电流以容性电流为主，阻性电流仅占其总泄漏电流的10%~20％左右，但容性电流的变化很小，相对阻性电流随时间的变化量，容性电流的变化量可忽略不计。因此对MOA泄漏电流的监测应以阻性电流为主。

2.2 MOA在线监测系统的实施方案

为了实现以软件分析、计算为主的对MOA阻性电流在线监测系统，本文充分利用了微机计算速度快，处理能力强等特点，以工业控制计算机为中心，加上传感器、必要的外围硬件电路，构成了一个在线监测系统。通过传感器获取设备电压、电流信号，经电缆传送至前置处理箱，再由计算机控制进行A／D转换后，在计算机内根据不同设备类型的特点和要求进行数据分析、处理，得到监测结果，进而存贮数

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据，显示结果，作出各种判断。

控制信号ux电压传感器前置处理单元电流传感器采样保持单元模数转换单元光电隔离结果显示计算机数据存储锁相倍频单元

图2-2在线监测原理框图

Figure 2-2 Block diagram of line monitoring

图2-2所示为监测系统原理框图。对MOA的测量，被测的电压和电流信号分别从电压互感器(PT)和MOA底部获取，采用PT将设备所在母线上的电压转换成低压信号；采用电流传感器采集设备底部的小电流信号，经电缆将信号送往前置处理板(信号分两路输入)。前置处理单元完成对信号放大、滤波等处理；锁相倍频单元是对信号进行倍频跟踪，以满足数字信号分析的需要，并且与采样保持单元、模数转换单元相配合，达到对电压、电流信号同步采样的目的；信号转换成数字量是由12位高精度模数转换单元在计算机软件控制下实现的；最后由计算机采用相应的程序和数字处理技术，对数字化的电压、电流信号进行分析、计算，完成结果的存储、显示[9]。

以下分几个部分对系统进行简介。

被测设备ix2.2.1 电流、电压信号采集

1） 电流取样探头

由于氧化锌避雷器总泄漏电流只有微安级，而现场干扰较严重。因此，必须采用灵敏度高的微电流传感器，串入避雷器的接地回路，在放电计数器下方取电流信

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号。

2） 补偿电压信号的采取

补偿电压信号由母线电压互感器(PT)二次侧获取。

2.2.2 信号放大电路及滤波电路

经传感器取得信号后，信号很微弱，且含有部分干扰信号，不能直接进行模数转换和分析，必须经过对信号的预处理，将所需信号放大，抑制和消除干扰，为进一步的处理作好准备[10]。

由于监测设备的不同，经传感器获取的电流信号的大小也就不同。如果采用同一种放大倍率对所有信号进行放大，则可能有的信号幅值会超过要求范围，有的信号幅值却远远低于需求值。所以需要根据实测时的电流大小，对其进行不同程度的放大，且将信号幅值调整到所要求的范围内。

信号放大电路及滤波电路完成了对电压、电流信号模拟量的前置放大、滤波、程控放大、衰减等功能。其中的放大电路采用集成放大器件组成，达到高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声和放大倍数可调的高精度放大，滤波电路依据有源低通滤波原理，采用了二阶压控电压源低通滤波电路，并选用了高精度、低漂移的运算放大器。

2.2.3 倍频跟踪电路及采样/保持电路

由于电力系统的频率在50Hz左右有所波动，而谐波分析法等数字处理方法要求在一周波内保持固定的采样点数，所以对监测系统硬件进行处理，使其能自动跟踪频率变化。可采用由锁相环和分频器组成闭环相位控制系统，实现输出与输入信号的自动同步。

为了保证一个周波内准确采样2n点，要求采样保持器的采样频率始终是输入信号频率的2n倍，为此将输入信号频率取出，转成方波信号后由锁相环进行频率跟踪，再经波形变换使输出信号脉宽被调窄，频率为电压输入信号频率的2n倍，分别送入采样保持器和主机控制数据采样。

2.2.4 A／D转换及数据采集

A／D转换是数字波形分析技术中关键一环，是监测系统的重要组成部分。其特性直接影响数据的精度。只有数据具有足够的精度，才能经计算机分析后得出反映

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设备真实情况的准确结果。

由于被监测的MOA泄漏电流阻性分量比较小，要求在A／D转换中对数据的量化误差要尽可能的小，且对电压、电流信号要进行同步采样。当采用一个模数转换单元时，要求对两个信号分别用采样保持器同时锁存、由计算机控制A／D器件分时采样，即达到同步采样的目的．本系统采用集成的12位高速、高精度数据采集卡进行A／D转换，达到了l0V／4096位=2.44mv／位的精度，确保了对电压、电流波形数据的准确、快速采样，保证了数据分析的精度。

2.2.5 主机监测程序

主机监测程序是进行数据处理的中心，不但担负着对数据放大倍率和A／D转换的控制，而且更为重要的是要提供良好、稳定、快速的分析计算和处理功能；同时，需要为运行人员提供友好、易用的用户界面，便于运行人员根据需要进行监测，察看监测结果，保存监测数据，浏览对比历次监测结果[11]。

本文的监测程序主要完成了：

1） 对信号获取的控制，包括对信号程控放大和A／D转换的控制；

2） 对采样所得数字化数据的处理，包括对数据的分析、计算(如采用FFT分析方法)，对数据采用软件抗干扰措施，对结果的存储和察看。另外，还可根据需要对软件进行改进以对被测设备运行状态作出判断及诊断。

2.2.6 系统工作步骤

1） 系统上电复位，开启硬件处理箱，启动微机监测程序；

2） 根据需要发出监测命令，选择合适的信号放大倍率，在主机控制下进行数据采集；

3） 对采样的原始数据进行计算处理，求得各种监测参量的结果；

4） 根据每次监测结果判断数据是否有效，采取平均技术等抗干扰措施，以提高测量的准确度；

5） 主机存储数据，生成数据记录，保留监测结果供运行人员随时查阅。

2.3 小结

1） 提出MOA阀片芯柱的等效电路，分析了MOA在线监测的总体原理是对阻性电流进行在线监测，关键是要从阻容共生的总泄漏电流中分离出微弱的阻性电流。

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2） 系统讲解了利用谐波分析法监测MOA阻性电流的原理，可以利用软件技术分离出阻性电流的基波分量及各次谐波分量，并利用二者间的增减关系判断引起MOA性能下降的原因是阀片老化还是受潮，从而完整有效地反映MOA的运行状况。

3） 介绍了一种高效、省时、改进的快速傅里叶变换算法(FFT)其较一般FFT运算快很多。

4） 简要实现了MOA在线监测系统的硬件和软件技术。

3 在线监测方法误差原因及改进措施

采用谐波分析法原理制成的系统，所测得的阻性电流不可避免的要受到相间杂散电容、系统谐波电压、PT差角、绝缘子表面污秽、交流伏安曲线滞回特性等因素的影响，对这些影响因素进行正确的理论分析和计算，是准确测量泄漏电流阻性分量的关键。

3.1 相间杂散电容的干扰

由于MOA在布置上通常采用三相一字形排列，且位置靠得较近，相间存在较大的杂散电容，使得每相除本身泄漏电流外，还有邻相耦合电容电流通过。仪器能测的一般是二者的合成电流，其并不能完全反映每相MOA的运行状况。这种耦合电流的加入给MOA泄漏电流的测量带来了误差，引起了相间干扰，具体状况如图3-1所示。根据现场实测表明，A相和C相避雷器由于受到B相电压影响，其泄漏电流的相位将分别移后和移前约3°～5°，峰值略为减小，B相受A相和C相电压作用，相位与峰值基本不变，测得的阻性电流A相明显增大，C相明显减小，B相基本不变，由此造成的误差将影响对MOA运行状况的准确判断[12]。

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UAUBUCCABCCBCBCBACCCBCIAIBIC

图3-1 相间干扰示意图

Figure 3-1 Schematic diagram of Interphase Interference

以A相为例，B相和C相与A相之间都存在耦合电容，考虑到A相与C相的距离基本上是它与B相距离的两倍，而随相间距离的增加，耦合作用急剧减小。所以在分析相间干扰时忽略了C相对A相的耦合作用，只考虑B相对A相的耦合作用。如图3-l所示，相邻相A、B之间存在杂散电容，在电压Ub的作用下，通过杂散电容CBA在A相产生一个附加容性电流IaBA，因此A相MOA底部的总泄漏电流的实际值为：IaX=IaC?IaR=IaC?IaBA+IR，其中IaC和IaR分别表示A相MOA本体泄漏电流的容性分量和阻性分量，IaC则表示A相MOA本体泄漏电流的容性分量和附加容性电流的矢量和。此时A相的容性电流与A相电压之间的相位差已不量90 °，而是小于90°。

???????????3.1.1现在常用消除相间干扰的方法及其不足

现在M0A的在线监测中常用下面两种方法消除相间干扰的影响。

1） 移相法：在变电站停电时，加外施电压分别测量三相MOA的阻性和容性分量，然后在运行情况下再测量，这时来自母线PT的二次电压先经过移相后再输入测

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试系统，调节移相(阻容移相器)角度，使测量值与停电外施电压时所测相同，记下所移角度及各电流值，以此为基准，以后均在相同相移条件下测量，见图3-2。此法需保证MOA本体电流不变方有效，且须外加移相器，对高次谐波引起的耦合电流无法消除，移相器中的容性元件加大了取自PT测电压信号的延迟。

MOAPT光电隔离移相器CT检测系统图3-2 移相法示意图

Figure 3-2 Schematic diagram of phase-shifting method

2） 双CT法：用两个CT分别取样位于边相MOA的泄漏电流，由于相间电容的影响，所取得的两电流相位差为120°?2?0，求得?0后，将基准电压相位移动?0，作了这种校正处理，即可基本消除相问干扰。但此法要求两边相的MOA同期老化方可正确求出?0值，这种要求显然有些苛刻。

3.3 PT角差的影响

MOA阻性电流测量都以PT电压作为参考电压。但PT低压侧和高压侧之间存在相角差，会对测量结果产生影响。PT相差分为高低压侧的固有相差和二次仪表作为PT负载带来的误差。一般来说前者是固定不变的，可以通过修正消除。但二次负载是变化的，其引起的PT角误差也就是变化的。因而不能以固定的校正系数来进行校正，无法完全消除PT角差。在工程实际运用中，可选择测量精度高的PT，如0.2级，尽量减少PT角差。

湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文） 3.4 绝缘子表面污秽

由于空气污染加重，绝缘子表面污秽问题显得较为突出。当湿度较大，尤其是雨天，绝缘子表面的污秽泄漏电流将增大到微安级，直到毫安级。这一电流是有功电流，与MOA避雷器的阻性电流是同相的，无法消除，反映到监测值上是，阻性电流占总泄漏电流的比例显著增大，甚至近似相等，淹没阀片柱的阻性电流。对有污秽的MOA避雷器，在雨天某一次或几次的在线监测值偶尔有大幅的变化，不能做为判断MOA避雷器是否绝缘劣化的依据，应在一个时间段内纵向比较，否则将产生误判断。因此，MOA避雷器泄漏电流纵向监测值的比较，必须参考气象条件，只有在气象条件相同的情况下，纵向监测值才有可比性，否则将失去意义。故在监测系统中应加入温度湿度的监测，做为气象条件分析的基础，以作为纵向比较的依据。

3.5交流伏安曲线滞回特性的影响

若MOA的电阻片采用RC并联形式的等效电路，普遍存在这样一个问题，即其中的电阻不仅具有非线性，而且其交流伏安特性曲线在电压、电流同时过零的情况下存在着不同程度的滞回现象。具体表现为：非线性电阻上的电压和电流波形的峰值和过零点都不在同一时刻，而是阻性电流IR领先于电网电压UR一个角度?，?从几度到几十度左右，这反映了等效电路中的非线性电阻元件带有一定的电容性质。在电网电压存在谐波的情况下，它们共同的作用使阻性电流基波幅值和角度都将产生误差[14]。

??3.6 小结

1） 对在线监测中各种外界干扰和内部干扰的影响进行了分析，同时针对这些干扰，从硬件和软件两方面采取了一系列的抗干扰措施，以提高系统测量的准确性和稳定性。

2） 重点对消除相间杂散电容干扰的方法进行了研究，在分析了现在常用的移相法和双CT法不足的基础上，提出了根据电网是否存在高次谐波的不同情况采用软件的方法消除相间干扰，该方法在实用中与谐波分析配合使用，即不需外加硬件，也不需增加额外的计算量，能较好地消除相间杂散电容的干扰。

湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文） 4 MOA在线监测的系统设计 4.1电流、电压信号的采集和处理 4.1.1电流信号的采集

直接测量MOA泄漏电流是监测MOA绝缘劣化或缺陷情况特征量的基础，而传感器是将反映设备状态的各种物理量按一定规律转换成同种或别种性质输出量的装置，是实现监测的首要环节，直接影响着监测技术的发展。在线监测MOA的泄漏电流时，由于电流值很小(甚至小到微安级)，因此，可根据电磁或光电转换的原理制成传感器。但光电转换器件均存在一个阀值，当被测信号小于这个阀值时，元件没有信号输出，MOA阻性电流数值仅几十微安，光电元件没有反应。也就是说，光电器件的灵敏度较差，若选用高灵敏度的光电元件，价格昂贵，同时，用光电转换的原理不仅需要解开设备的接地线，而且还需要提供偏流，无法做成无源式．若采用电磁感应原理中的零磁通原理，亦需要偏流的放大电路，同时，还需非常好的屏蔽，照样不方便。因此，如图4-l采用类似电流互感器的原理，是比较合适的。由于电流传感器的原边要串入设备的接地线(或末屏接线)，因此，电流传感器做成环形，原边用编织圆铜线，根据信号大小的需要决定原边环绕匝数，然后通过有绝缘套管的铜棒引线与接地线串接[15]。

U2C2I1I2N2N1Z1U1?0

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图4-1类似电流互感器原理的电流传感器原理图

Figure 4-1 Similar to the principle of Current Transformer Current Sensor schematic 1） 环形电流传感器的等效电路

用于在线监测的电流传感器是变压器的一种特殊情形，其原边为一到几匝(W1)，副边绕组为多匝(W2)，副边与原边匝比N=W2／W1。从结构来看，它不仅比普通电流互感器原边匝数少，并且普通电流互感器输出为电流信号，而此传感器的输出为电压信号．由变压器的有关理论可知，将副边各量折算到原边后的T型等效电路如

??来考虑漏磁通，r1、r2?表示原、副边绕组的电阻，Lm为图4-2所示。图中L1?、L2??表示副磁化电感，电阻Rm为变压器铁芯中的磁滞与涡流损耗的等效电阻，这里L2边绕组漏电感L2?折算到原边后的值，r2?表示副边绕组电阻r2折算到原边后的值。

r1L1?r2?RmLm??L2 图4-2 T型等效电路 Figure 4-2 T-type equivalent circuit

由于一般副边绕组匝数较多，除了漏感和磁化电感外，还必须考虑其结构元件间存在的寄生电容。寄生电容分布于各个元件之间，如图4-3所示，它可以分为五类：原、副边绕组间的寄生电容：原、副边绕组与铁芯间的寄生电容；

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初级绕组C1C12次级绕组

图4-3 传感器的寄生电容

Figure 4-3 Parasitic capacitance sensor

原、副边绕组自身的寄生电容。这些寄生电容都具有分布的特点，为了简化起见，用接在高电位点之间的集中参数电容来代替分布电容，忽略原、副边绕组的自身电容，并考虑到传感器的原边匝数为一到几匝，原、副边线圈相隔较远等情况，C1、

C12很小，可以忽略，则分析传感器的等效电路可简化为图4-4。

r1u1L1?r2???L2RmLm??C2u?2

图4-4 电流传感器电压源等效电路 Figure 4-4 Equivalent circuit voltage current sensor

对于一次侧，实际选用的圆铜编织地线的电阻可近似为零。由于该电流传感器是在低频下使用，不考虑集肤效应和邻近效应，其二次侧等效电阻为：

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r2??(4-1)

式中：?为电阻率；l为导线长度；sD为导线的横截面积。

Lm=

（4-2）

式中：?为铁芯材料的相对导磁率；h0为磁环高度；R1、R2分别为环形铁芯的内外半径。由于所设计的传感器测试的电流很小，一般情况下，它工作在磁化曲线的线性区域内，故?取起始导磁率即可。

磁阻Rm是用来表征铁芯的磁滞损耗和涡流损耗的物理参数，它实质上是由这两种损耗来确定的。一般Rm很大，在很多场合可以忽略不计，即PW可近似为零。

22?0?2?1d1(R1?R2?4??3d1)L1??

3?0l sDR?h0ln2 2?R1 （4-3）

?0?2?1(R1?R2)(6??2d1) L2??

3?0（4-4）

?为铁芯与副线圈绝缘厚度，d1为导线堆积高度(带漆膜)。以上是漏电感的估算式，实际上由于绕制线圈的工艺等因素的影响，它是一个近似计算公式。

当传感器工作时，则分布电容C2?的计算式为：

C2?=

（4-5）

当导线直径与匝间距离之比减小时，与漏电感相反，绕组的动态电容随之下降，当外加钢层屏蔽时，同样在钢层与绕组之间存在分布电容增加。

2） 环形电流传感器的传输特性分析

当传感器原边通以电流时，在副边取电压信号，故其

?0?lpH0 3?湖南铁路科技职业技术学院电子电气系毕业设计（论文）

相频特性为： （4-6）

幅频特性为： HL?U2I1??HL(j?)=

U2I1??

（4-7）相频特性为： ?l??u2??l1 （4-8）

当外接负荷RL时，如图4-5所示(图中以P算子代替j?)。

r2?PLmI1??PL2Rm1/P???C2?RLU2

图4-5传感器传输特性分析

Figure 4-5 Analysis of transmission characteristics of the sensor

由电路理论知：

1//R?L)????j?C2I1 U2?1???Rm//j?Lm?r2??j?C2//R???j?C2Rm//j?Lm(（4-9） HL(j?)?

jR?Rm?Lm

?RmC2???RL?r2?C2??)?j?[R?LLm?RmLm?RL?C2??(Rmr2???2LmL2??)R?Rm??2Lm(RL（4-

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10）

其幅频特性为：

HL?HL(j?)?

?RmRL?Lm???????)]2[RmRL??2Lm(RmRLC2??r2?RLC2?)]2??2[RmRL?RmLm?RLC2?(Rmr2???2LmL2 (4-11) 相频特性为：

????RmRL??2Lm(RmRLC2??r2?RLC2?)QL?arctg?Lm?RmLm?RL?C2??(Rmr2???2LmL2??)]?[RL

（4-12）

对于工程设计，我们可将进一步简化。一般C2?为pF数量级，L2?为uH数量级，

?，传递函数在频率为500Hz以下 时，有：??C2????1，当Rm??RL故在低频时，?2L2

?LmRL?2?C2????Lm(RL??Rm) ?RmLmRL（4-13） 则： HL?R??NRL QL?0 （4-14） N为副边与原边线圈的匝数比，在低频且Rm??RL的条件下，HL正比于线圈匝数比与RL的乘积，几乎无相移。因此可采用适当增大负载电阻和副边线圈匝数的方法来提高输出信号的幅值。这类传感器在感应uA级电流时都有较好的线性度。为了使它的输出信号能直接有效地进行长线传送，实验研究表明在变电站中，只要被传送信号大于3V，用同轴电缆就能稳定可靠地对它进行长线传送。因此可适当调节负载电阻RL的大小来感应被测信号，使之达到最佳的长线传送效果。

3） 环形电流传感器的实验分析

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用于测试MOA泄漏电流的电流传感器，一般测试电流很小，在lmA左右， 将这种传感器的特性参数列于表4-1、4-2和图4-6、4-7中。

表4-1线性度的测试

Table 4-1 Test of linearity

I1(ma) U2(v) I1(ma) U2(v)

0.001 0.280 0.385 4.75

0.005 0.350 0.545 6.80

0.010 0.535 0.667 8.10

0.024 0.750 0.763 9.20

0.051 0.94 0.867 10.40

0.100 1.44 0.974 11.50

0.191 2.44 1.067 12.50

0.280 3.65

从测试结果可以看出其灵敏度可达1?A。

表4-2幅频和相频特性测试数据。

Table 4-2 Magnitude and phase frequency characteristics of the test data 频率（Hz） 幅值（mv） 相角（度）

I（ma）1.250 100 150 200 250 300 350 400 450 500

19.4 32.8 48 61.6 74.4 88.8 104 120 134 150

0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01

0.90.60.303691215U(V)

图4-6

Figure 4-6

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?U(mv)0.42500.32000.21500.11000f(Hz)100200300400500

图4-7

Figure 4-7

4） 有源电流传感器

传感器内不加前置放大电路的电流传感器因其结构简单，运行可靠、性能稳定，通常认为是比较理想的形式之一。但是，一方面传输电缆的电容等效于积分电路，将使传感器的带宽变窄，特别是负荷电阻较大，而传感器的灵敏度又较高时，传输电缆对其带宽的影响就较大；另一方面，因电流传感器的输出信号较弱，从传感器到主控室的传输线可达数百米长，长传输线的阻抗必然要导致信号衰减。

由于MOA的泄漏电流正常时只有几百?A，直接用以上电流传感器进行采集，所得信号在几十mA至几百mA，若直接进行长线传送，不可避免会受到工频信号的干扰，造成幅值和相位的严重误差，对测量MOA阻性电流带来严重误差。为了消除上述影响，提高在线监测的可靠性，我们根据电流信号的大小，对MOA阻性电流采用传感器箱内加前置放大电路的有源电流传感器。同时，为了提高传感器前置放大电路运行的可靠性和使其性能稳定，除了仔细设计输出级电路和信号隔离措施外，各传感器的电源通过主控系统按监测循环周期定时自动启动和开断。这样，充分利用有源和无源传感器的各自特点，对于大型变电站运行工况的在线监测系统是十分有效的。

5） 电流传感器的安装

电流传感器串入避雷器的接地回路，在放电计数器下方取电流信号，并配有长线驱动与低损耗同轴屏蔽电缆进行信号传送，整个探头置于双层屏蔽箱中，放置在每一相放电计数器的旁边，其接线如图4-10所示。电流传感器原边只几匝绕组，它

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