基于阻性电流提取的电涌保护器在线监测设计

周 昆，张 斌，任 伟，吕鹏飞，梁睿光，潘立刚

（辽宁蒲石河抽水蓄能有限公司，辽宁丹东118216）

0 引言

目前，对于限压型SPD的检测通常采用的是总泄漏电流法，通过检测SPD的泄漏电流、压敏电压、残压等指标来判定其是否老化、劣化。其中对于泄漏电流的监测通常采用罗氏线圈来采集总泄漏电流，并对其信号进行滤波处理后放大，从而得出限压型SPD的工作状态是否正常[1]。然而，在泄漏电流中包含着阻性电流与容性电流两种成分。总泄漏电流法虽然能够在一定程度上反应SPD中压敏电阻的整体受潮情况和阀片严重老化等问题，但是由于阻性分量在总泄漏电流中所占比例很小，有可能当阻性电流已经增加很多，但总泄漏电流的变化仍然不大，而阻性电流往往是阀片发热的主要原因，因此该方法的灵敏度不高，采集的数据仅能用于限压型SPD运行状况的初判。为了减少检测时泄漏电流中容性电流的干扰，气象部门在进行SPD的年检时，应考虑将SPD进行拆卸，送到实验室进行离线试验。但是这种检测方式，耗时耗力，且无法真实反映SPD在线工作时的工作状况[2]。双“CT”法是国外最近几年兴起的一种新型的氧化锌避雷器在线检测方法。该方法检测原理：使用两个电流互感器，一个用于采集避雷器正常工作时产生泄漏电流，另一个测量在过电压情况下冲击电流的电流峰值。在记录避雷器发生动作的同时，以幅值为2.5 kA和20kA的冲击电流为基准来区分避雷器的动作原因[3]。还有其他学者[4-7]对SPD在线监测进行了研究。

谐波法方法能够综合考虑多方面因素，有效检测限压型SPD的运行状况，同时能够检测得到泄漏电流中阻性电流的各次谐波分量幅值，所以本装置采用谐波法进行测量。

为了解决现有的SPD检测方法存在的一系列问题，现设计一种限压型SPD在线监测装置。该装置的设计既坚持了在线监测的原则，又突出了对于微弱阻性电流的提取分析，将阻性电流值作为判断限压型SPD是否老化、劣化的判断依据。虽然电涌保护器在线监测一套系统价格远高于电涌保护器造价，但是能够在很大程度上对雷电造成的破坏进行定位，从而降低了因雷电造成的重大损坏。

1 技术方案

1.1 原理结构

限压型SPD阻性电流在线监测装置的原理结构如图1所示，其主要组成模块：电压信号采集模块、电流信号采集模块、电压/电流信号调理模块、频率检测模块、编码控制模块、温度采集模块、STM32微处理器模块、外部时钟模块、数据显示模块、数据打印模块、数据存储模块以及ZigBee无线信号中继模块。

图1 限压型SPD阻性电流在线监测装置的原理框Fig.1 Limiting the type of SPD resistive current on-line monitoring device principle box

1.2 限压型SPD阻性电流在线提取的实现方法

由于流过限压型SPD的各次阻性电流与各次泄漏电流之间存在以下数学关系：

式中：K为谐波的次数；αk为所采集的电压信号所对应的各次谐波相角；βk为所采集的电流信号所对应的各次谐波相角；Ikm为所采集的泄漏电流各次谐波电流的幅值；IRk为对应谐波次数的阻性电流。

可以利用STM32微处理器处理单元对采集的电流数据进行FFT处理，得到SPD的泄漏电流的阻性电流基波分量与奇次谐波分量。本装置采用的处理芯片STM32F407，最大可分析到五次电流谐波分量[8]。

而总阻性电流可由以下数学关系得出：

式中：IR为总阻性电流；I0为阻性电流基波分量；IRk为阻性电流各次谐波分量。

故在得到各次阻性电流谐波分量后，再在主计算程序中进行波形叠加求和，得到总阻性电流大小及波形。曹洪亮等[9]通过一个转移π相位的容性电流获得阻性电流。

阻性电流在线提取实现方法的流程图见图2，整个流程在STM32微处理器中完成。

图2 阻性电流在线提取实现方法流程图Fig.2 Resistive current extraction method to achieve online flow chart

2 电路原理说明

2.1 电压信号采集、信号调理模块、频率测量模块电路原理

由于不管是220 V交流电的电压信号还是冲击电压信号都不能直接供微处理器使用，所以还需要小电压互感器进行隔离并转换，所以该模块电路中最关键的为线性互感器T2（SPT204A）。电压信号采集、信号调理电路原理见图3，电压经过电阻引入互感器T2，电压互感器二次侧的电压信号一路传送给放大器AD620进行零点调整及幅值调整。放大器AD620的输出电压幅值在0～5 V，再传送到控制器的模拟输入端口AN0，供A/D采样使用，这部分电信号是用于电压有效值以及各次谐波的测量。电路中的电阻R29、R30是将探头采集到的电压信号转换为电流信号，为提高互感器T2的线性度，所以取值均较大，使用的是47 kΩ，功率为2 W碳膜电阻。电路中VR1为一小型压敏片，为了防止过电压窜入信号采集电路而设计。由于互感器T2的一次侧最高接收电压为400 V，所以压敏片VR1的也选用箝位电压小于400 V的压敏电阻。SPT204A是匝数比为1:1的毫安级电压线性互感器，T2二次侧电流也非常小，所以还需要转换回电压信号并进行放大处理信号并进行放大。即通过图3中电阻R11实现电流到电压的信号转换，转换得到的电压值在-0.54～+0.54 V，再送给放大器AD620进行放大。互感器T2二次侧信号另一路是送给比较器LM393，其作用是将正弦电压信号转变为频率相同的方波信号，再送到STM32芯片控制器的输入捕捉引脚RD8/IC1进行频率的测量，如图4所示。

图3 电压信号采集、电平转换电路原理图Fig.3 Voltage signal acquisition,level conversion circuit schematic

图4 电压频率检测电路原理图Fig.4 Voltage frequency detection circuit schematic

2.2 电流信号采集、信号调理模块电路原理

图5为电流信号采集、信号调理电路原理图，基本工作原理与电压信号采集、信号调理电路类似。图5中的I框即为多匝串入式微电流采集器。压敏电阻VR2的存在是为了防止SPD处于导通泄流状态时，冲击电流通过电流传感器I一次侧时引起二次侧电压瞬间过流，烧坏后续电路，所以压敏电阻VR2通常取值只需要大于1.15U0（U0为电流互感器T1的输入端的正常工作电压）。本装置中采用的电流互感器是由北京某公司新设计的一款型号为KT0.02A/PJ-1.6 V的小电流互感器，它可以测量频率为25～50 kHz，幅值为0～20 mA的交流电流，输出0～100mA的交流电流信号，测量精度在0.5%-1%之间。电流信号经过电流互感器的二次采样，二次侧输出的电流信号通过电位器W1转换为电压信号。随后再经过放大器AD620进行放大，输出0-5 V的电压信号送给控制器的AN1引脚，进行A/D转换测量。同时在AN0与AN1的引脚输入端前均加入了5.1 V的稳压二极管Z1、Z2，这是为了防止放大器AD620的输出电压过高而损坏微处理器的A/D转换电路。

STM32F407型微处理器有3个模数变换器，这些模数变换器可以单独使用，也可以同时使用。STM32F407的模数变换器是12位逐次逼近型的模拟数字转换器。它拥有19个通道，其中有16个外部源、2个内部源和Vbat通道的信号。这些通道中的A/D转换可以单次、连续、扫描或者间断模式执行任务模拟看门狗系统特性允许应用程序介入，检测输入的电压是否超出用户自定义的高/低阀值[10-15]。

图5 电流信号采集、信号调理电路原理图Fig.5 Current signal acquisition,signal conditioning circuit schematic

3 结果分析

表1 在不同交流电压下阻性电流测试结果Table 1 Test results under different AC voltage resistance current μA

作为SPD在线监测装置，必须要有良好的准确度，并能在工作环境中长期稳定的运行。对此，本文将所设计完成的SPD在线监测装置在实验室条件下进行了调试与检测。通过对实验室冲击条件下，提取阻性电流数据，统计结果见表1。通过图6与表1的试验数据可以得出：从图形看全电流的增加斜率是线性的，电压增加1.55倍，全电流增加1.53倍，基本是相称的。阻性电流基波峰值的增加斜率不固定，呈非线性状态，电压增加1.55倍，阻性电流增加2.12倍。显然阻性电流基波峰值在交流电压增加一定数量下的增长速度远远高于全电流的增加速度。而且全电流由于电容分量占主要成分，所以增长的幅度与电压增长的幅度基本成线性变化。

图6 全电流、阻性电流随冲击电压变化趋势Fig.6 Fullcurrent，resistivecurrentwiththeimpactofvoltagechanges

4 结语

本装置设计采用了多匝串入式微电流采集器。多匝串入式微电流采集器的设计，避免了过去监测通常采用的穿心式罗氏线圈由于存在放大器导致噪声干扰也将被放大，有用信号可能永久被覆盖等许多难以克服的缺点。即不影响PE线工作，又能非接触式测量电流，工作安全可靠。对于微弱的阻性电流可以很好地提取。利用STM32芯片处理单元对采集的电流数据进行FFT处理，得到SPD的泄漏电流的阻性电流基波分量与奇次谐波分量，得到各次阻性电流谐波分量后，再在主计算程序中进行波形叠加求和，得到总阻性电流大小及波形。数据通过微处理器芯片处理，实现了电压、电流同时监测。阻性电流的监测范围为0.1 μA～10 mA，精度达到0.1 μA，最大可实现五次谐波的测量，数据结果可在线传输、直接显示、打印，使得读数方便简洁。

[1]陈婷.氧化锌避雷器阻性电流测量方法与应用技术研究[D].苏州：苏州大学，2012．

[2] LAI J S，MARTZLOFF F D.coordinating cascaded surge protection devices-high-low versus low-high[J].IEEE Transactions on Industry Applications，1993，29（4）:680-687.

[3] BULSON J M.Low-impedance cable for parallel-connect⁃ed surge protective devices[J].IEEE Transactions on Pow⁃er Delivery，1995，10（4）:1816-1821.

[4]尚勇，周鹏.变电站内氧化锌避雷器无线在线监测系统的研究及应用[J]．电工技术，2016（1）：230-231．SHANG Yong，ZHOU Peng.Research and application of wireless on-line monitoring system for Zinc Oxide light⁃ning arrester in substation[J].Electrotechnical Technolo⁃gy，2016（1）:230-231.

[5]李凌燕，杜志叶，阮江军，等.35 kV柜内用避雷器在线监测中相间干扰的数值计算分析[J].电瓷避雷器，2016（2）：79-84．LI Lingyan，DU Zhishe，RUAN Jiangjun，et al.Numeri⁃cal calculation and analysis of Interphase Interference in on-line monitoring of arrester used in 35 kV[J].Insulators and surge Arresters，2016（2）:79-84.

[6]周新军，杨娟，黄洪波，等.带电检测在金属氧化物避雷器状态检修中的应用[J].湖南电力，2016（1）：66-68．ZHOU Xinjun，YANG Juan，HUANG Hongbo，et al.Ap⁃plication of live test in condition based maintenance of metal oxide arrester[J].Hunan Electric Power，2016（1）:66-68.

[7]王琳，陈周旺，傅润润.在线检测SPD漏电流电路系统的设计[J].电子制作，2014（21）：63-64．WANG Lin，CHEN Zhouwang，FU Runrun.Design of online detecting SPD leakage current circuit system[J].Prac⁃tical Electronics，2014（21）:63-64.

[8]曹健安.基于STM32的空调压缩机无位置传感器矢量控制[D].上海：东华大学，2012．

[9]曹洪亮，谭涌波，李鹏飞，等.一种简便的阻性电流提取算法[J].电瓷避雷器，2015（5）：115-118．CAO Hongliang，TAN Chongbo，LI Pengfei，et al.A sim⁃ple algorithm for extracting resistive currents[J].Insulators and surge Arresters，2015（5）:115-118.

[10]宋敬卫，付广春，马献国.基于STM32的多路电压采集研究[J].电子世界，2013（12）：55-56．SONG Jingwei，FU Guangchun，MA Xianguo.Voltage ac⁃quisition research based on STM32[J].Electronics World，2013（12）:55-56.

[11]曾文慧.氧化锌避雷器绝缘在线监测原理及系统研究[D].成都：四川大学，2006．

[12]李祥超，姜翠宏，赵学余.防雷工程设计与实践[M].北京：气象出版社，2010．

[13]杨仲江，陈琳，孙涌.雷电冲击试验中的压敏电阻性能[J].南京信息工程大学学报，2010，2（4）：353-356．YANG Zhongjiang，CHEN Lin，SUN Chong.Performance of MOV in impulsive test[J].Journal of Nanjing University of Information Science&Technology，2010，2（4）:353-356.

[14]路秋妮.压敏电阻在防雷保护中的一些特性[J].中国科技博览，2011（17）：98-98．LU Qiuni.Some characteristics of varistors in lightning protection[J].Science Forum，2011（17）:98-98.

[15]应达，肖稳安，赵军，等.工频过电压对压敏电阻影响的实验研究[J].电瓷避雷器，2012（6）：71-75.YING Da，XIAO Wenan，ZHAO Jun，et al.Experimental study on the influence of power frequency overvoltage on MOV[J].Insulators and Surge Arresters，2012（6）：71-75.