避雷器状态在线监测装置的研究毕业设计

目录

0 前言 ............................................................................................................. 1 1 绪论 ............................................................................................................. 2 1.1 电力设备维修的发展概况 ........................................................................ 2 1.2 氧化锌避雷器在线监测的意义 ................................................................. 3 1.2.1 氧化锌避雷器的主要特点...................................................................... 3 1.2.2 氧化锌避雷器运行中存在的问题 .......................................................... 4 1.2.3 氧化锌避雷器在线监测的意义 .............................................................. 4 1.3 氧化锌避雷器在线监测的研究现状 ......................................................... 5 1.4 本文研究的主要内容 ................................................................................ 7 1.5 小结 .......................................................................................................... 7 2 MOA在线监测系统的原理 ......................................................................... 8 2.1 MOA在线监测的总体原理及方法 ........................................................... 8 2.1.1 MOA在线监测原理............................................................................... 8 2.1.2 谐波分析法监测MOA阻性电流的原理 ................................................ 9 2.2 MOA在线监测系统的实施方案............................................................. 14 2.2.1 电流、电压信号采集 ........................................................................... 15 2.2.2 信号放大电路及滤波电路.................................................................... 15 2.2.3 倍频跟踪电路及采样/保持电路 ........................................................... 16 2.2.4 A／D转换及数据采集 ........................................................................ 16 2.2.5 主机监测程序 ...................................................................................... 16 2.2.6 系统工作步骤 ...................................................................................... 17

2.3 小结 ........................................................................................................ 17 3 在线监测方法误差原因及改进措施 .......................................................... 18 3.1 相间杂散电容的干扰 .............................................................................. 18 3.1.1 现在常用消除相间干扰的方法及其不足 ............................................. 19 3.2 系统谐波电压的影响 .............................................................................. 23 3.3 PT角差的影响 ....................................................................................... 24 3.4 绝缘子表面污秽 ..................................................................................... 24 3.5 交流伏安曲线滞回特性的影响 ............................................................... 24 3.6 小结 ........................................................................................................ 24 4 MOA绝缘在线监测的系统设计.............................................................. 26 4.1 电流、电压信号的采集和处理 ............................................................... 26 4.2 温度、湿度的监测.................................................................................. 38 4.3 数据处理程序的设计 .............................................................................. 42 4.4 在线监测的抗干扰问题 .......................................................................... 43 4.5 小结 ........................................................................................................ 44 5 MOA绝缘在线监测系统的调试与实测 .................................................. 46 5.1 传感器及前置处理电路误差的校正 ....................................................... 46 5.2 MOA阻性泄漏电流线性模拟测试 ......................................................... 46 5.3 MOA阻性泄漏电流现场实测 ................................................................ 50 5.4 小结 ........................................................................................................ 52 6 技术经济性分析 ...................................................................................... 53 7 结论 ......................................................................................................... 54

致谢 ................................................................................................................ 55 参考文献 ......................................................................................................... 56 附录A 译文.................................................................................................... 57 附录B 外文原文 ............................................................................................ 65

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0 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。

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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

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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。

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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。 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：

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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。

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Irx与阻性电流峰值

Irx3之间的函数关系不一样，而且Irx与Irx3的函数关系又是随阀片的老化而变化的；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

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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，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。

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间隔，t0是起始时间。{Vk}经傅里叶变换的离散频谱可用Uf表示

Uf=

?j2πN1NN?1?Vk?0kWjk j=0,1,2，?，N- 1 (2-12)

式中 W=e

m设下整数m=qN?r，且N=2p，有W?(WN)?W，称rqr为m的同N余数，即Wm的

计算可用Wr代替。利用这一特点可减小式(2-12)的乘法计算次数，若将k，j用二进制表示

k?kp?12j?jp?12p?1：

???k1?2?k0?2?(kp?1?kp?2?k0)???j1?2?j0?2?(jp?1?jp?2?j0)

00p?1则式（2-12）可写成

11U(jp?1?jp?2?j0)???k0?0????

k1?01?kp?1?0WV（kp?1?k1k0）(j0?j1?2??jp?12p?1)?(kp?1s?k0)

11=??k0?0k1?0?????kp?1?01WV（kp?1?k1k0）jp?1(kp?1?k0)Wjp?1(kp?2?k0)?Wjp?1(k0?k0)

令

U0(kp?1?k1k0)V0(kp?1?k1k0)=

j0(kp?1?k0)1 U1(kp?2?k1j0)??kp?1?0U0(kp?1?k1k0)W

1则 U2(kp?3?k1j0j1)?1?kp?2?0U1(kp?2?k0j0)Wj1(kp?2?k0) （2-13）

Up(jp?1?j0j1)??k0?0U(k0jp?2?p?1j1j0)Wjp?1(k0?0)

按式(2-11)递推至Up，就是式(2-13)的结果，利用:

NWj0?2p?1?(Wq2)j0?(?1)0关系，式(2-12)又可写成如下形式:

q?1jUq(k?2?j)?Uq?1(k?2Uq(k?2?j?2q=1,2.3,?p

qp?1?j)?Uq?1(k?2q?1q?1?j?2q?1p?1)

p?1)=[Uq?1(k?2?j)?Uq?1(k?2?j?2)]?Wk?2q?1

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式中 k=0,1,2,?（2p?q?1） j=0,1,2,?（2q?1?1）

式(2-13)具有不倒地址和计算省的优点[8]，计算一个U。只须2p?q?2q?1=

NN2次算数乘法，

当p=q时,k=0,Wk?2q?1=(W2)k总共只须进行(p-1)?1,，

N2次算数乘法，它比用式(2-9)进行N2次乘法运算快得多，如当N=28时计算量为1：73，它比一般用FFT公式进行PN次乘法运算也快一倍多．

MOA在线监测时，为便于分析他的电气特性，必须同时采集电压信号{Vk}和电流信号{Ik}，而为节省信号处理时间，则将它们组成复数序列信号记录，即令：{Zk}={Vk?jik}

用改进的FFT方法得到：

1NZp(j)?1NN?1??k?0(Vk?jik)Wik=Zj(1)?iZ(2)j?Zj （2-14）

j=0,l,?N-1

两边取共轭，分别用其实部和虚部表示

UUII(1)j????1212212(Z(Z(1)j?ZN?j(1)) )

(2)(2)jj?ZN?j(2)(1)1j(Z(2)j?ZN?j(2))

)

(2)j(?Z(1)j?ZN?j(1)（2-15）

在此求出{Vk}及 {Ik}的模分别为Uj和Ij，其幅值和相角为

UIj??[U[I(1)j]?[U2（2）j]

2(1)jj]?[I(2)j2（2）j] ]

2?ujU?arctg[IUj(1)j(2)?ij?arctg[N?1I(1)]

j （2-16）

波形为： UB??Uk?0mjcos(j?t??uj)

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避雷器状态在线监测装置的研究

N?1 IB??Ik?0mjcos(j?t??ij) j=2k+1

式中Umj（Imj），?uj（?ij）为电压(电流)第j次谐波幅值和相角。

谐波分析法从总泄漏电流中分离出阻性电流基波值、阻性电流各次谐波值和总阻性电流值，反映了系统电压的高次谐波对测试结果的影响。通过对阻性电流基波值、谐波值和总阻性电流值的监测，与以往的监测值进行纵向比较，可全面地综合分析MOA的运行工况。当MOA各阻性电流值发生变化时，说明应当注意其运行情况。当MOA在系统正常运行电压下阻性电流高次谐波分量显著增大，而阻性电流的基波分量相对增加较小时，一般是氧化锌阀片老化；而在正常运行电压下阻性电流基波分量显著增大，而阻性电流的高次谐波分量增加，相对较小时，一般是氧化锌阀片受潮。

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

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被测设备ix**大学毕业设计（论文）

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。

以下分几个部分对系统进行简介。

[9]

2.2.1 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。

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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

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

[11]

。

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系统进行初始化，然后进入等待接收采样命令等待受命数据采集及运算传输测量数据状态，这时工作指示灯循环闪烁，一旦主机发出采样命令，立即进行温、湿度信号的采集。每完成一次数据采集、运算处理和结果传送，系统自动复位并进入接收下一次数据采样命令的等待状态．为避免程序“飞车”等引起的死机，在每个模块子程序中，设计了若干个软件“看门狗”。经在实验室长期运行和调试表明，前置软件配制是可靠的。

开始系统初始化自检等待受命数据采集及运算传输测量数据

图4-18温、湿度电压系统主程序框图

Figure 4-18 Temperature, humidity, voltage system block diagram of main program

4.3 数据处理程序的设计

在经A／D采样得到了设备电压、电流的原始波形数据后，就需要对其进行分析，从中得到相关的各种绝缘参数。

由于所得的信号是通过传感器、前置放大电路、采样／保持电路、A／D转换得到的；同时在获取信号的过程中，还不可避免的受到电路特性和各种干扰的影响，其值并不是设备电压、电流的实际值，因此必须将其转换为设备电压、电流的实际值，保证进一步的准确计算。推算实际值的方法是，逐级计算出硬件电路的放大倍率，以得到未经放大信号的值。同时，通过理论计算和模拟实验进行对比，以确定在线监测的误差，将此误差保留在软件中，作为今后进行绝对值修正的依据。

本文依据第2章中分析得到的计算公式编制了对MOA阻性电流进行计算的程序。

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**大学毕业设计（论文）

数据处理程序还完成了对数据结果的简单分析，使运行人员可根据需要进一步监测。这部分程序框图如图4-19所示(图中tn为当前第n次测量值，told 为上一次测量值)。

采样获取数据数据折算为实际值用谐波分析法计算阻性电流校正相间干扰Ytn和told差大NN数据采满Y输出结果

图4-19数据处理程序流程框图 Figure 4-19 Flow chart of data processing

4.4 在线监测的抗干扰问题

4.4.1 信号处理和采集

在第3章已详细分析了外界干扰源(包括相间耦合电容、系统谐波电压、PT角差、绝缘予表面污秽及交流伏安曲线滞回特性等)对绝缘在线监测系统的干扰及解决方案，以下再对绝缘在线监测系统本身的干扰进行分析：

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避雷器状态在线监测装置的研究

1） 预处理电路的附加相位差。由于预处理电路都会产生附加相移，而且电压和电流的相移不会完全相同，也会带来测量误差，因此对硬件电路的特性要求就较高。

2） 对于以数字分析为主的测量方法，A／D转换的精度是保证测量准确的关键因素之一．只有A／D转换有足够的位数和转换速率才能使数字波形最接近信号的真实波形，分析结果也就接近真实值。

4.4.2 抗干扰措施

在线监测系统的设计应充分考虑抗干扰措施，从硬件和软件两个方面合理搭配来抑制干扰信号，提高测量的准确度和稳定度

主要的抗干扰措施有以下几点：

1） 合理选择传感器类型和元件，使用金属屏蔽盒屏蔽外界电磁干扰，以减少通过传感器进入系统的干扰。选择精密元件并不断优化传感器结构，达到较高的温度稳定性。同时可引入温度修正系数，利用软件对其进行校正。

2） 用带屏蔽层的电缆传输信号。对输入的信号作滤波处理，仅仅保留有用频段内的信号。布线时要考虑：滤波器输出不与未经滤波处理的交流线一起布线；数字电路和模拟电路电源线分开，数字信号线与模拟信号线分开PT；数字地、模拟地、功率地分开，只有一个连接点，保证经一点接地，避免地线回路上有环流引起共模干扰；采用隔离、屏蔽以减少空间干扰．

3） 对硬件电源处理。除了采用纹波系数较小的电源供电外，还在芯片的电源和地之间加入滤波电容，滤掉电源中的尖峰和数字芯片产生的高频电流。

4） 采用数字技术进行软件抗干扰。运用平均技术以消除随机性干扰：将数据样本多次代数和相加并取其平均值。进一步可采用中值平均与归一化平均来更好地减小脉冲干扰和随机噪声干扰。运用逻辑推理去判断测得的是真实信号还是干扰信号，如监测过程中仅测得一次幅值很高的信号，则可认为其是随机干扰信号，应予以舍弃。

同时应注意，绝缘在线监测技术反映的是电气设备运行状况下的绝缘参数，不宜与停电测量结果进行数量比较，应在长期稳定测量的基础之上，利用在线监测的优势进行纵向比较，比较设备运行状况下的绝缘参数变化量。

[17]

。

4.5 小结

1） 介绍了一种工程应用中类似于电流互感器原理的环形电流传感器，其具有良好的线性度，副边信号与原边信号相比几乎无位移。

44

**大学毕业设计（论文）

2） 设计了一套MOA在线监测系统的的技术方案，描述了其总体框图和优点，简要地论述了各组成部分的工作原理。

3） 详细描述了数据处理程序的功能和实现方法，给出了程序流程框图。

4） 对在线监测系统中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。

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避雷器状态在线监测装置的研究

5 MOA在线监测系统的调试与实测

作为变电站在线监测，必须有较高的实际测量准确度和稳定性，能在现场恶劣的环境中稳定、可靠运行。为此，我们对本文所述MOA阻性电流的在线监测系统在实验室和现场进行了实际调试，以检验和测试装置性能。

5.1 传感器及前置处理电路误差的校正

由于所用电流传感器、电压互感器的不同，其特性差异导致信号不可避免地存在一定角误差。对MOA阻性电流的在线监测有一定影响。因此，必须考虑到传感器、互感器误差的影响，并采取措施从硬件和软件上减小误差．

前置处理电路对电压、电流信号采用不同的信号放大倍率，硬件电路本身的不对称和元器件性能差异，对信号可能带来附加相位移。随着系统工作时间的增加，电路元件老化等也将使误差变化。为消除或减少这种误差，也必须采取相应的措施

[18]

。

在实验室进行模拟调试时，首先用纯电阻(电压、电流同相)代替被试设备作试品，测试出包含电压、电流传感器在内的所有硬件部分对电压、电流的固有相移及其两者间固有角差△，并以此作为以后绝缘监测的角差修正量。测得结果如表5-1所示。

表5-1硬件电路的固有角差(°)

Table 5-1 Angle difference inherent in the hardware circuit (°) 次数 uz、iz角差

1 1.120

2 1.100

3 1.080

平均 1.100

5.2 MOA阻性泄漏电流线性模拟测试

用线性R、C并联元件代替MOA作试品，取消PT，直接用57V(有效值)交流电压施加到试品和电压传感器上进行实验室测试和性能分析。实验中采用了谐波含量较小(畸变率2．4％)和谐波含量较大(畸变率6．3％)两种试验电压，试品为R=600k?、C=0．05?F并联电路，并与常规补偿法仪器(MCH-3)同时进行了对比测试，测试结果见表5-2，所采得的波形图见图5-1和图5-2。

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**大学毕业设计（论文）

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。

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。

17

避雷器状态在线监测装置的研究

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

UA[12]

。

UBUCCABCCBCBCBACCCBCIAIBIC

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

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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Ia?????BA??，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

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避雷器状态在线监测装置的研究

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。

3.1.2 采用软件方法消除相问干扰

采用软件消除相间干扰的方法根据是否考虑电网高次谐波影响分为两种情况： 1） 电网电压不存在谐波成分。

电网电压不存在谐波成分时，则MOA总泄漏电流中容性电流仅有基波成分。 设A、B、C三相相间电容为CAB、CAC、CBA、CCA、CBC、CCB，其中CAB=CBA，CAC=CCA，

CBC=CCB。这些参数可以在电站停电时，加上外施电压，由一般的仪器测算出来，

以B相为例，只考虑电压基波的影响，令U电流，则有：

???B??B?UB1?0；IB0?为B相本体电流，IB为实测

????IB=I-j?CBAUA-j?CBCUC

将上式各项分解为阻性和容性分量，如图3-3所示．则

?1C?IAC?ICC IB1C?IB?1R?IAR?ICR IB1R?IB IAC??CBAUA1sin?A （3-1）

其中 IAC??CBAUA1sin?A

ICC??CBCUC1sin?C

ICR??CBCUC1sin?C （3-2）

由向量图3-3可得： ?A??C=30°

?1C? IB1C?IB12?(CBAU3A1?CBCUC1)

?1R?所以可得 IB1R?IB? IA1C?I?A1C122?(CBAUA1?CBCUC1)

?(CACUC1?CABUB1) （3-3）

同理可得A相： IA1R?I?A1R?

32?(CACUC1?CABUB1) （3-4）

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?1C??(CBCUB1?CACUA1) （3-5） 同理可得C相： IC1C?IC21?1R? IC1R?IC32?(CBCUB1?CACUA1)

UAIA???I?B1C?UCIAC??CICR??A??ICCIARI?B1R?IB?ICUB

图3-3 向量分解图

Figure 3-3 Vector decomposition map

??2） 电网电压存在谐波成分。

当邻相MOA所在电网电压有谐波成分时，邻相耦合电流的作用对被检测相阻性电流的影响不仅由基波电压产生的耦合电流造成，而且邻相谐波电压产生的耦合电流也将对正确检测出被检测相的阻性电流产生影响，以3次、5次谐波电压相间耦合的影响为例

[13]

。

3次谐波电压是零相序电压，A、B、C三相中的3次谐波电压是同相位的，被检测相

21

避雷器状态在线监测装置的研究 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

50

100 150 200 250 300 350 400 450 500

（Hz） 幅值

19.4

32.8 48 61.6 74.4 88.8 104 120 134 150

（mv） 相角0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01

（度） I（ma）1.20.90.60.303691215U(V)

图4-6 Figure 4-6

?U(mv)0.42500.32000.21500.11000f(Hz)100200300400500

图4-7 Figure 4-7

4） 有源电流传感器

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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，它的接入不会改变避雷器的工作状态；同时，为了保证在系统发生接地短路故障时流过电流传感器原边的短路电流不致于损伤原边绕线及引接线，必须引进热稳定校核。

UMOA信号采集箱计数器 信号采集箱环氧螺钉 图4-8电流取样探头与地回路的串接

Figure 4-8 Current sampling probe and ground loop cascade

根据热稳定条件[16]，未考虑腐蚀时，接地线的最小截面应符合下式要求：

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避雷器状态在线监测装置的研究

IgC Sg?tc （4-15）

式中Sg--接地线的最小截面积，mm2；

Ig--流过接地线的短路电流稳定值，A(根据系统

5到l0年发展规则，按系统最大运行

方式确定)；

tc--短路的等效持续时间，s；

C--接地线材料的热稳定系数，根据材料的种类、性能及最高允许温度和短路前接地线的初始温度确定。

在校验接地线的热稳定时，Ig、tc及C应采用表4-3(C1)所列数值。接地线的初始温度，一般取40℃。

表4-3 校验接地线的热稳定用tg、tc和C值(C1)

Table 4-3 Check the ground wire with thermal stability, and the C value(C1) 系统接地方

式 有效接地

地短路电流 单（两）线接

低电阻接地

地短路电流

不接地、消弧

异点两相接

线圈接地和

地短路电流

高电阻接地

2s

70

120

210

2s

70

120

210

配置

Ig

tc

C

钢 70

铝 120

铜 210

单（两）线接决定于继保

A．电流传感器原边绕线的校核

此电流传感器原边绕线采用的是空芯多股铜编织线，其等效实心圆为?12，其等效截面积为：

.1mm （4-16） Sg铜??r?3.14?6?113222其等效实心圆为中

铜材的热稳定系数C铜=210，电气设备现用接地线一般为5036的扁钢，其面积为：

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Sg钢?50x6=300mm2 (4-17)

钢材的热稳定系数C铜?70，根据(2-10)R，其Ig、tc不变，选铜材和钢

材时，其接地截面积分别为：

Sg铜?Igtc/210 （4-18）

Sg钢?Igtc/70 （4-19）

则： Sg钢/Sg铜=70/210=1/3 即： Sg铜?Sg钢/3=300/3=100mm2 （4-20） 显然，比较降（4-10)和(4-20)式可知，现选用的电流传感器原边绕线超过需要值，满足热稳定要求，同时，编织线由若干股细铜线编织而成，其散热和防电晕效果比实芯钢棒还好。

B．电流传感器原边引线的校核

电流传感器引接线采用的是?12的铜棒，其热稳定校核同原边绕线，可见?12的铜棒仍满足热稳定要求值。

ABCOCR1100R2100R3100a’b’c’PTabcFU

图4-9 电压隔离器原理接线

Figure 4-9 Principles of isolation voltage wiring

综上所述，电流传感器的原边绕线和引接线截面积超过按规程计算所需要的热稳定值，符合规程要求。此外，因铜的腐蚀速度远远低于钢材(国外目前全部选用铜材)，其可靠性更高。

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避雷器状态在线监测装置的研究

4.1.2 电压信号的采集

补偿电压信号由母线电压互感器（PT）二次侧获取，为保证继电保护和测量仪表的安全运行，在主控室的中央继电器屏上，需专门做一组带熔断保护的PT二次信号取样端子，用一电压隔离器经同轴信号电缆进行保护取样，熔断保险

选用0.5安培，电路图见图4-9。

ABPT0.5A 熔断保险丝C100V电压隔离器10Vabc

图4-10 PT电压信号取样电路图 Figure 4-10 PT voltage signal sampling circuit

电压取样隔离器正常输出电流60mA，而所需的输入电流仅为6mA，长期工作不会给PT较大的负载；当电压隔离器副边发生短路故障时，由于电压隔离器内部有电阻限流，原边的电流不会超过l0mA，也不会影响PT电压的正常输出；如果在PT二次信号取样端子到电压隔离器原边之间发生短路，熔断保险可作最后保护。因此，用上述办法获取电压信号不会给原有的继电保护和测量仪表运行状况带来危险。图4-10所示为电压隔离器原理接线图。

4.1.3 前置信号处理

前置信号处理板接受从探头传来的MOA的电流信号进行电流电压转换、初始放大、滤波、自动信号衰减和倍率选择，送到模数转换单元进行数值采样；从电压隔离器传来的补偿信号，经衰减、滤波和移相，送到模数转换单元进行数值采样。原理框图如图4-11所示。

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