基于ZigBee的金属氧化物避雷器阻性电流在线监测系统设计

刘钊　王治玲　赵俊光　倪颋　赵阔　胡浪

摘 要：阻性电流是反应金属氧化物避雷器状态的重要标志之一，本文将ZigBee无线传输技术应用到避雷器在线监测中，设计避雷器阻性电流在线监测系统，实现金属氧化物避雷器阻性电流在线监测。

关键词：金属氧化物避雷器；ZigBee；无线传输；在线监测

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.02.049

1 前言

金属氧化物避雷器（MOA）主要由氧化锌阀片串联而成，氧化锌的电阻率是变化的，具有非常优良的非线性伏安特性，在工频电压下电阻率很大，能迅速有效抑制工频电流；在雷电过电压下电阻率会变得很小，能很好泄放雷电流，被广泛应用于电力系统的过电压保护[1]。

在运行中，由于阀片老化和受潮影响，使得MOA非线性特性变差，常规的停电测试不能及时检测到MOA运行工况，实时在线监测成为检测避雷器运行状况的重要手段和方向。本文设计一种基于ZigBee无线传输技术的金属氧化物避雷器阻性电流在线测试系统。

2 测量原理

图1为MOA阀片的常用等效模型，它由一个非线性电阻RX与线性电容C并联，IX为总泄露电流，IC为容性电流，IR为阻性电流，总泄露电流IX为容性电流IC和阻性电流IR之和，IC和IR在向量上成90度角。一旦避雷器老化，阻性电流会发生变化，而容性电流却变化不大，监测阻性电流就能检测避雷器阀片工作状态。通过测量避雷器上的电网电压和电流，采用一定的算法就能测出避雷器阻性电流以及全电流的波形和峰值。

3 ZigBee无线传输技术

ZigBee技术是一种新兴的近距离无线通信技术，2001年被纳入IEEE 802.15.4标准，工作在公开通用使用的2.4GHz频段，具有最高250kbps的传输速率，相关节点之间的传输距离最远可达100米，在增加RF发射功率后，亦可增加到1-3km。一个ZigBee网络最多可容纳65000多个节点，如果通过路由和节点间通信的接力，还可有效提高通信距离。ZigBee具有组网简单、功耗低、时延短、安全可靠、保密性好等优点 [2]。

ZigBee协议的网络层支持星型、网型和簇树型三种拓扑结构。星型网络有一个中心节点，所有消息都经它传输。网型结构有多条传输路径，网络可以通过“多级跳”的方式通信，具有较高的可靠性。簇树型网络结合了星型和网状型结构，各个子网内部以星型连接，其主器件又以网型的方式连接在一起。ZigBee设备按功能可分为协调器、路由器和终端节点，协调器的作用是启动网络初始化，规划网络节点和存储各节点信息，路由器的作用是管理每对节点的路由信息，终端节点是网络中的根节点，可以是任意类型的终端设备[3]。

4 系统构成

4.1 系统构成

如图2所示，避雷器阻性电流在线测试系统由监测中心、避雷器阻性电流监测装置、电压监测模块、电流监测模块构成。

电压监测模块：将作用于避雷器上的电压接入模块，通过电压传感器送入单片机进行采样，并经ZigBee通信传送到监测装置。电流监测模块：将流过避雷器的全电流通过电流互感器接入模块，通过电流传感器送入单片机进行采样，并经ZigBee通信传送到监测装置。避雷器阻性电流监测装置：通过CC2530芯片接收来自电压监测模块、电流监测模块的电压、电流数据，经单片机处理后计算避雷器阻性电流、全电流，并将计算结果通过GPRS无线方式远传至监测中心。监测中心：通过GPRS无线方式接收来自监测装置的测量数据，完成系统参数的存储、管理、分析、查询、设置以及实时数据的读取，对异常数据发出告警信息。

4.2 无线通信方式

（1）ZigBee通信CC2530芯片。在电压监测模块、电流监测模块、避雷器阻性电流监测装置之间采用ZigBee通信，具有无需布线的优点，安装、运行维护都很方便。CC2530芯片是美国TI公司针对2.4GHz频带推出的第二代支持ZigBee/IEEE802.15.4协议的片上集成系统解决方案，其内部集成了高性能射频收发器、工业标准增强型8051MCU内核，硬件设计简单，封装小，功耗低，在无线传感器网络中得到越来越广泛的应用[4]。（2）GPRS通信。避雷器阻性電流监测装置与监测中心采用GPRS通信，一套监测装置只需一个GPRS模块通信与监测中心通信，具有无需布线、通信成本低特点。

5 结语

将ZigBee无线传输技术应用到金属氧化物避雷器阻性电流在线监测系统，系统结构简单、无需布线、成本低廉、便于维护，是较好的解决方案。

参考文献：

[1]潘翔.金属氧化物避雷器在线监测系统的研究[D].合肥工业大学，2013.

[2]肖令禄，张莹，姚康.基于ZigBee的实验室安防报警系统设计[J].黑龙江科技信息，2016，30：170-172.

[3]于树科，祁宏宇. 基于ZigBee的医院实时定位系统的设计与实现[J]. 电脑知识与技术，2016，28：271-272.

[4]李志方，钟洪声.IEEE802.15.4的CC2530无线数据收发设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2011，07：43-45.

作者简介：刘钊（1973-），男，重庆人，硕士研究生，高级工程师，研究方向：电力系统及其自动化。