探头式铂电阻(MOA电位分布及温度分布无线采集系统的设计)

Posted 2023-05-27

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探头式铂电阻(MOA电位分布及温度分布无线采集系统的设计)

0 引言

交流无间隙金属氧化物避雷器(以下简称MOA)是一种限制过电压以保护电气设备免受高瞬态过电压危害的电器设备，其具有良好的电气特性，近年来逐步取代了传统的碳化硅避雷器。MOA的电位分布是否均匀决定了整只MOA的运行寿命，其芯体内部通常是若干只电阻片相互串联构成的电阻片柱。由于存在对地杂散电容，如不采取均压措施，MOA内部的电位分布呈现不均匀状态，承受高电位的电阻片较承受低电位的电阻片加快了老化速度，严重时出现热崩溃，使得整只MOA提前报废，因此有必要对MOA采取均压措施以延长其运行年限^[1-3]。

为了提升MOA电位分布的测试效率及精度，设计并研制了一种基于无线采集技术的MOA电位分布及温度分布装置，满足了MOA电阻片分布电位及分布温度进行同步检测，简化检测的前期准备工作，保障了人身安全。

MOA在运行电压下，其内部的每一只电阻片都等效为一只容性器件。在采样探头的阻抗远小于MOA电阻片阻抗的前提下，若将采样探头串接于MOA电阻片中，则对整只MOA的电位分布情况的影响可以忽略^[4-5]。采样探头的尺寸与MOA电阻片一致，则可将其放置在MOA电阻片柱的任意测试点；同时设计无线通信模块放置于测试探头内部，利用计算机控制测试基站与各个采样探头进行通信，实现了整只MOA在投运前各个测试电阻片的分布电位及分布温度的检测，为下一步进行均压调整提供参考依据^[6]。

采样探头外壳为同MOA电阻片尺寸一致的铝制结构，采样探头下方粘贴单面导电电极，利用软质铜线将MOA的泄漏电流引入至采样探头内部电路，通过采样电阻转换为电压信号并连接至模拟数字转换器。采样探头上方引出和MOA电阻片接触的热敏电阻以实现MOA电阻片温度测试，采样探头内部示意图如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 信号调理电路设计

由于MOA在运行电压下其电阻片的等效电阻值在百兆欧级别，可通过串联欧姆级电阻的方式实现MOA内部电阻片泄漏电流的I/U转换。为提高测试精度，设计一量程选择电路sw，从而可以任意选择采样探头中的I/U转换采样电阻为R1、R2、R3之一，以达到探头的测试量程满足不同电压等级MOA的测试范围。为了实现交流正负信号的测试，采用基准源电路产生1.23 V的基准电压，提升了系统的零基准电平。两只稳压管对接构成双向稳压电路，可对输入信号幅度起到钳位，在产生涌流时保护后续AD电路。C4、R9、C5构成无源低通滤波电路以消除测试信号中的毛刺。调理后的信号连接至CPU的ADC3、ADC4通道以进行模拟数字转换。信号调理电路如图2所示。

2.2 系统锂电池电压采集电路设计

为了实现调理后的各模拟量的准确采集，选择具有10位模拟数字转换精度的AVR处理器。由于测试探头为锂电池供电，电压并不固定，故在测试电位分布及温度采集之前应先确定系统的电池电压V_bat。虽然AVR内部集成了2.56 V的基准源，但此基准源的温漂较大，且不同批次的CPU由于制造工艺的不同导致内部的基准电压相差较大。若根据信号调理电路中稳定的1.23 V基准源作为系统的基准源，则可以较好地提高系统的AD转换准确度。首先设计R10、R11两只1%精度的等值电阻对锂电池电压进行二分压，从而可以确定系统锂电池电压为：

式中，V_ref为万用表读取到的基准源电压值，AD_bat为CPU读取到的R10、R11抽头处AD值，AD_ref为CPU读取到的基准源AD值。

2.3 MOA电位分布采集与温度采集电路设计

引入R4，即NTC-MF52型热敏电阻，实现温度的测试。其与10 kΩ电阻R5构成串联结构，当MOA被测温度变化时，引起R4电阻值的变化。通过测试R4、R5中心抽头的电压V_temp，可反推出R4对应的电阻值。先确定V_temp：

由此，根据热敏电阻的R4的阻值分度表进行测试点温度的确定。同时，程序中设定模拟通道进行对时间的积分采样，实现被测模拟量有效值的运算。以上测试过程在测试基站发出查询指令时，各测试探头内CPU控制三极管Q1导通并启动测试程序，其余时间CPU控制Q1截止，系统进入低功耗模式。测试到的MOA泄漏电流有效值、温度值及可充电锂电池的电量以数据包的形式由无线通信模块传出到MOA外，并由测试基站完成各测试探头采集数据的接收。测试探头内部电路图如图3所示。

2.4 无线数据传输模块

综合考虑传输距离以及传输速度，采用了ESP8266无线WIFI 芯片实现采样数据的无线收发。该芯片内核为32位系统SOC，很好地兼顾了系统的便携性与传输速度。无线数据传输模块和测试探头内部CPU以串行方式通信。

3 系统程序设计

3.1 采样探头部分程序设计

采样探头以星型拓扑方式构成，各采样探头在工作时首先确定CPU内部各个寄存器的初始值，进入休眠模式并侦听测试基站是否发出无线唤醒指令以节省电池电量^[7]。一旦全部采样探头同时侦听到测试基站发出的无线唤醒指令则启动主程序，并对本机测试到的各个模拟量以0.1 ms的间隔进行连续采样。当进行10 000次的AD转换，即50个工频信号对时间取积分的采样，计算出采样探头相邻的MOA的分布电位真有效值，之后进行当前采样探头相邻的MOA的温度及探头剩余电量的采样。同时规定每只探头以T_s的延迟时间与测试基站进行测试结果的数据包发送。其中：

式中，T_s为各探头自完成测试到开始发送数据包的延时，N为探头编号。

当完成数据发送后，各探头重新进入睡眠状态，侦听测试基站下次发出的无线唤醒指令，以节约锂电池电能。采样探头测试流程图如图4所示。

3.2 上位机处理与分析

上位机处理分析采用可视化DELPHI编程实现，后台链接至ACCESS数据库，可满足采样率设定，结果统计与历史查询，方便测试人员对MOA电位分布、温度分布情况进行分析。

4 应用

4.1 采样探头安装设计

750 kV等级的MOA分为4节，其中每节内部由43只MOA电阻片组成。与MOA电阻片结构相同的多只采样探头与MOA电阻片间隔串接。MOA内部采样探头安装示意图如图5所示。

4.2 试品

试验用MOA型号为YH20W1-648/1491，由4节构成。MOA总高度为7.6 m，构架高度为4.8 m。双层均压环上环外径为800 mm，中环外径为1 100 mm，下环外径为2 400 mm，罩入深度为1 360 mm。

4.3 采样探头布置

MOA电阻片为172片，直径为136 mm，厚度为20 mm。每节设置9个采样探头，共计36点。设置上数第一节上法兰为测点1，向下至上数第一节下法兰依次是测试点2至9；上数第二节上法兰为测点10，向下至上数第二节下法兰依次是测试点11至18，以此类推至上数第四节下法兰，共设置36个采样点。

4.4 试验结果

对750 kVMOA，其相电压为：

对单只MOA施加433 kV工频电压并在计算机界面完成各参数设定后，由计算机控制测试基站发出唤醒指令，则各采样探头同时对当前MOA电阻片被测点的分布电位、温度情况及电池电量进行测试，并根据式(4)分时将各被测点的测试结果发送至测试基站。每10 s完成一轮采集并更新计算机界面显示结果。以同步方式进行MOA的分布电位采集，有效地避免了电网波动造成的数据失真，大幅提高了采集数据结果的准确度。测量数据见表1。

4.5 分析与计算

MOA电位分布不均匀系数为：

通过计算分析，满足750 kV电压等级MOA规程规定的不均匀系数小于10%的要求。

5 结论

以无线采集方式进行MOA电位分布及温度分布测试，利用同步采集方式，增加了测试准确度，大幅减少了测试的前期准备工作，该方法是对以光纤作为数据传输通道的高压设备测试仪器进行改进。该系统维护费用低，有优良的使用价值与应用前景。

参考文献

[1] 孙才新，司马文霞，赵杰，等.特高压输电系统的过电压问题[J].电力自动化设备，2005，25(9)：5-9.

[2] 何计谋，朱斌，张宏涛，等.750 kV系统用无间隙金属氧化物避雷器的研究与开发[J].电力设备，2005，6(12)：17-20.

[3] 王琼，安翠翠，马文玲，等.1000 kV瓷外套MOA电阻片与瓷套电位关系的研究[J].电瓷避雷器，2008(2)：28-31.

[4] 赵子玉，邹积岩，李学思，等.500 kV线路ZnO避雷器电位分布计算与试验分析[J].高电压技术，1999，26(1)：84-87.

[5] 李顺尧.金属氧化锌避雷器测试方法对比与分析[J].高压电器，2010，46(3)：94-97.

[6] 颜湘莲.电力系统中金属氧化物避雷器的监测与诊断[J].电力自动化设备，2003，23(2)：79-82.

[7] 周念成，邓选民，赵渊，等.采用无线通信技术的避雷器检测器[J].电力自动化设备，2005，25(11)：89-90.

作者信息:

李佳奇1，刘碧琦2，李斌1，耿莉娜1，马一菱1，王帅1

（1.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁沈阳110006；

2.国网辽宁省电力有限公司信息通信分公司，辽宁沈阳110006）