氧化锌避雷器无线在线监测系统的研究

程月平，肖 黎

（1.武汉职业技术学院 机电工程学院，武汉 430074；2.武汉南瑞有限责任公司，武汉 430074 ）

0 引言

随着自动化技术的发展及自动化水平的提高，电力系统高压设备的检修手段也在逐步改进，状态监测、状态评估及状态检修是未来电力系统的必然方向。氧化锌避雷器(MOA)作为电力系统重要的过电压保护设备，其本身运行状况的好坏将直接影响到电力系统的安全，因此对氧化锌避雷器进行在线监测就显得尤为重要。通过研究与实践发现，MOA很容易发生以下两种异常[1]：

1）在运行电压下长期工作发生MOA阀片老化现象，引起阀片击穿，最终导致线路短路；

2）当温度降低后引起MOA内部受潮，导致闪络现象。

为了确保MOA正常工作、防止故障的发生，传统的做法具有非常大的局限性。因此将采取无线在线监测方式对MOA进行状态跟踪，可以大大提高监测系统的灵活性、实时性、准确性，减少有线数据传输的误差及成本。

1 MOA在线监测原理及方法

如今对MOA监测的方法以其总泄漏电流为基础，将总泄漏电流中的阻性分量以及电压、电流的介质损耗作为反映MOA运行状况的指标[2]。泄漏电流由阀片柱泄漏电流、瓷（合成）套泄漏电流及绝缘杆泄漏电流三个部分组成。通常来讲，流过阀片柱的泄漏电流又不会发生突变，所有的突变都来自于瓷（合成）套泄漏电流及绝缘杆因为受潮或污秽引起的泄漏电流突变。由于瓷（合成）套泄漏电流及绝缘杆泄漏电流在总泄漏电流中所占比例非常微小，因此MOA阻性电流分量都能看作是流过MOA阀片柱的阻性电流。在实际的监测中也是根据MOA的这个特性，通过在线监测MOA总泄漏电流中阻性电流的分量，并将监测值与以往的历史数据进行比较分析，以此来判断MOA的在工作电压下的状况。MOA阀片的等效模型由非线性电阻及线性电容并联组成。

2 MOA无线在线监测系统结构

MOA无线在线监测系统的关键点在于真实有效的现场数据采集及无线传输。现场采集端必须能够全天候的正常工作，同时稳定的数据传输方案将给监测系统提供强大的技术支持，因此硬件电路必须具有很高的监测灵敏度及良好的抗干扰能力。本系统采用数字波形分析法对MOA进行状态监测，需采集MOA总泄漏电流及雷击次数。

MOA无线在线监测系统由监测模块、中央结点及后台3个部分，结构如图1所示采用星状拓扑结构。其中1，2，3，…，N，N+1为监测模块，负责采集MOA避雷器监测数据，同时将采集到的数据传输至中央结点，中央结点通过USB与后台处理系统进行通信。该结构可减小各个监测模块的通信负担，扩展性极强，只需利用中央结点即可对整个网络进行重新配置，可以方便地增加或减少监测模块，单个模块的故障不会对全网产生影响。

图1 MOA无线在线监测系统结构框图

监测模块部署在每个MOA旁，被测的电流及电压信号分别通过电流互感器（CT）和电压互感器（PT）分别从MOA的底部和母线上获取。

3 监测模块硬件设计

监视模块的硬件系统包括数据采集、数据处理和无线接口电路三大部分，所设计的硬件电路必须能实现在高准确度和高精度下的信号获取、转换、放大、滤波等功能。因此系统的监测模块选取STM32系列的STM32F103VB作为微控制器，STM32有三种低功耗模式，可在要求低功耗、多种唤醒事件及短启动时间之间达到最佳平衡[3]。

3.1 总泄漏电流的采集

在MOA无线在线监测系统进行现场采集的时候，要求能无失真地将泄漏电流信号及参考电压相位信号引入监测模块，而且要求监测模块能与被测系统之间实现有效的电气隔离，保证系统不受影响。系统将采用电流互感器(CT)对总泄漏电流进行采集。

为了使MOA计数器正常工作，避免有大电流通过CT，通常将感抗串入CT的一次回路中，这是利用电感来阻止瞬时大电流的通过。因此，必须谨慎选取电感的大小。通常可以根据雷击计数器的阻值来确定电感值。一般的雷击计数器，等效阻抗低于100欧，相对应的合适电感控制在0.2H即可。图2给出了串入电感对电路的保护原理。

图2 串入感抗的保护原理图

3.2 电压相位信号的采集

电压互感器作为联络电力系统一次侧与二次侧的重要元件，其将一次侧的高电压转换为二次侧的低电压，并将监测系统与高压部分实现电气隔离。在电压互感器的副边端，由于是直接与大地相接，因此具有极强的安全保证。由于通过数字波形分析法计算MOA的特征参数需要有MOA的运行电压波形，因此选择电压互感器作为母线电压获取的元件[4]。通常从变电站内取出的PT的电压幅值是60V，但用在信号处理中仍旧不合适。使用电流型电压互感器TV，将60V的PT电压再降低到0～3.3V的电压范围内，这样就可以直接送至STM32进行处理。

3.3 无线射频电路设计

系统采用Si4432作为无线收发芯片，Si4432通过4线制的SPI接口与STM32F103VB进行连接。主控制器通过片上SPI完成对Si4432的初始化、FIFO访问及读写数据等操作，可以灵活配置各种参数。工作时STM32F103VB工作在主模式下，Si4432工作在从模式下。在实际的连接中，STM32F103VB的PA4（NSS）端口与Si4432的nSEL引脚连接，nSEL是片选信号，由STM32控制，只有当该信号为低电平时，对Si4432的控制才有效；STM32F103VB的PA7（MOSI）脚与SDI引脚连接，用于从MCU到Si4432的串行数据传输；STM32F103VB的PA6（MISO）与SDO引脚相连，用于从Si4432到MCU的串行数据传输；用于同步STM32F103VB与Si4432之间在MISO及MOSI线上的串行数据传输，时钟信号由STM32的PA5（SCK）发出。硬件连接设计如图3所示。

图3 射频芯片接线图

4 监测模块软件设计

4.1 主程序设计

主程序首先对系统进行初始化，其中包括系统时钟初始化、I/O口初始化、嵌套向量中断控制器初始化、外部中断初始化、SPI初始化和Si4432无线收发模块初始化。初始化完成后，Si4432模块随即进入低功耗休眠模式，该模式每隔1s醒来侦听是否有有效电波。STM32F103VB开放电磁波唤醒中断及雷击计数中断，然后立即进入停止模式，以期将电流消耗降到最小。停机模式可以使STM32在保持SRAM和寄存器内容不丢失的状况下，达到最低的电能消耗，在这种模式下，可以通过任何一个配置成EXTI的信号把芯片从该模式下唤醒[5]。

4.2 中断程序设计

MOA无线在线监测系统的中断程序分为电磁波唤醒中断和雷击计数中断两个，雷击计数中断的优先级高于电磁波唤醒中断，这两个中断都可以将STM32F103VB从停机模式唤醒。

Si4432每隔1s将对电磁波进行侦听，当侦听到有效波时将触发nIRQ中断，从而唤醒STM32F103VB，监测模块将开启20s定时器进行工作，然后STM32F103VB将配置Si4432进入接收状态。否则进入休眠状态，等待下次被唤醒；当20s内接收到中心节点的命令时，监测模块将在执行完相应命令程序后返回主程序，对Si4432无线模块进行重新配置，最后进入休眠状态，等待下次被唤醒。

当有雷击过电压或者操作过电压发生时，光电耦合器将导通，从而触发雷击中断。中断发生后，STM32F103VB将被唤醒进入中断程序，中断程序将在原先次数上加一后返回，然后STM32F103VB进入休眠模式。雷击次数将不会立即发送给中心节点，只有当后台需要知道雷击次数或者泄漏电流时才将数据发送给中心节点，由中心节点通过USB传送给后台。

5 结束语

本文设计的避雷器无线在线监测系统可同时对多个避雷器进行实时监控。采用短距离无线通信技术和大容量电池供电，使系统结构简单、抗干扰能力强，监测系统与避雷器以及变电站电源没有任何电的联系，提高了变电站运行的安全性。同时通过低功耗设计使系统工作年限大大延长。

[1] 罗光伟,向守明,陈晓东.高压电气设备绝缘在线监测系统的研究[J].黑龙江电力,2006,26(4):27-31.

[2] 郑健.氧化锌避雷器泄漏电流在线监测技术综述[J].继电器,2000,28(9):7-9.

[3] 秦娜.氧化锌避雷器在线监测数据处理方法的研究[D]. 成都:西南交通大学,2003.

[4] M.R.Raghuveer.Inf l unce of Representation Model and Voltage Harmonicson Metal Oxide Surge Arrester Diagnostics[J].IEEE Trans.on Power Dlivery.2001,16(4):599-603.

[5] Jurdak R,Ruzzelli A G,O'Hare G M P.Radio sleep mode optimization in wireless sensor networks[J].IEEE Transactions on Mobile Computing,2010,9(7):955-968.