配网线路雷电过电压与过电流传感采集技术研究

深圳供电局有限公司 吴国伟

随着科技的不断进步，传感器技术、数据处理算法和通信技术都取得了巨大发展。这为电力配网线路的故障检测和保护提供了新的机会和挑战。本文将着重研究雷电过电压与过电流传感采集技术，通过结合先进的传感器技术、智能数据处理和高效通信系统，以应对电力配网线路可能面临的各种故障[2]。通过本文的研究，将深入探讨这些技术的原理和应用，以期为提高电力配网线路的安全性和可靠性提供有力支持。

本文的目标是建立一种可行的、高效的雷电过电压与过电流传感采集技术，以提供实时的故障检测和保护机制，确保电力配网线路的稳定运行，减少故障对社会生产生活的不良影响[3]。

1 雷电过电压与过电流的产生机理

雷电过电压是由大气中的静电场和电荷分布不均匀引起的，当雷电击中地面附近的电力设备或线路时，会产生瞬态的高电压。过电流则是由于短路或其他电力故障引起的电流异常增大。这些故障可能会瞬间引起线路内部温升、设备损坏甚至爆炸，严重威胁着电力系统的安全性和可靠性。

雷电测量涉及对大气中的雷电现象进行监测和测量。为了实现这一目标，科学家们常常使用罗氏线圈来捕捉和记录雷电放电事件的电磁信号。这里涉及法拉第电磁感应定律，即当电磁场变化时会感应出电流，而雷电放电产生的强电场变化会被罗氏线圈捕获，从而产生电流信号。安培环路定律则有助于理解电流在导体中的路径和分布，这可以帮助分析和解释雷电放电的过程。因此，对于雷电的研究是以电流为基准，然后再研究雷电在设备上造成的过电压[4]。

雷电流标准双指数函数模型和雷电流Heidler函数模型是用于描述雷电电流脉冲的两种数学模型，用于分析雷电放电过程中电流的变化。

雷电流标准双指数函数模型描述了雷电流在时间上的变化，并通常用于模拟雷电放电的电流波形。其采用了双指数函数的形式，包括上升时间和下降时间两个参数。这两个参数控制了雷电流脉冲的上升和下降速度，使模型能够较好地拟合实际雷电放电的特性。标准双指数函数模型是雷电研究中常用的工具之一，用于分析雷电放电的电流峰值、时间持续性等重要参数。

Heidler 函数模型是另一种用于描述雷电流的模型，其是对雷电流波形的另一种数学表达形式。与标准双指数函数模型不同，Heidler 函数模型使用了一种更加复杂的函数形式，以更准确地模拟雷电放电的特性。这个模型可以更好地捕捉雷电流脉冲的不连续性和非对称性，因此在某些应用中更为准确。

幅值为5kA、修正系数为1、波头和波尾为2.6/50μs 时的雷电流I 波形如图1所示。

图1 不同函数下的雷电流波形

2 传感采集技术

为了及时检测和应对雷电过电压和过电流故障，传感采集技术起着关键性作用。传感采集技术包括传感器的选择、数据采集与处理、通信与控制等。在雷电过电压检测方面，常用的传感器有电压传感器和电流传感器。电压传感器可以通过测量线路上的电压变化来检测雷电过电压，而电流传感器则可以监测电流的异常增大情况。采集到的传感数据需要经过精确的处理和分析，以确定是否存在故障。数据采集设备应具备高精度和高采样率，以确保数据的准确性。数据处理算法可以通过比较采集到的数据与预设的阈值来判断是否存在过电压或过电流故障。

2.1 供电单元

供电单元是一个关键的电子设备，通常采用锂电池作为电源。为了确保电源的稳定和安全运行，供电单元通常配备过电压监测单元和过电流监测单元，这些监测单元能够实时监测供电电压和电流的波动，以防止电压过高或电流过大，从而保护设备不受损坏。中央信号处理单元则负责处理监测数据，确保设备的正常运行。各单元供电电压要求见表1。

表1 各单元供电电压要求汇总

2.2 过电压监测单元

过电压在线监测单元是电力系统中至关重要的组成部分，其用于监测和保护设备免受过电压和过电流的损害。该系统通常包括电压互感器和过电流保护器，电压互感器用于实时测量电压水平，而过电流保护器则监测电流的波动。当系统中出现过电压或过电流时，过电压保护器和过电流保护器会立即介入，通过分压电路和隔离电路来切断电路或减小电压，以保护设备免受损坏，过电压在线监测单元电路如图2所示。分压电路的电容均采用高频瓷介电容，隔离电路由运算放大器 LM7332组成。

图2 过电压在线监测单元电路图

在电路保护与监测方面，过电流保护器专门设计用于检测和限制电路中的过载电流，以防止设备或电线受损。两级过压保护器负责监测电路中的电压水平，如果出现电路短路或意外的电压波动，这些保护器将迅速介入，通过分压电路降低电压或切断电路，从而保护设备免受损坏。此外，高速数据采集卡在这个系统中起到了关键作用，用于实时采集和分析电路中的信号数据。然而，信号干扰可能会对数据采集造成困扰，因此需要使用两级过压保护器来降低信号干扰的影响。

在过电压监测单元中，隔离电路扮演着至关重要的角色。它们被广泛应用于不同领域，以确保信号的稳定性和安全性。隔离电路的主要目标是保持电气隔离，防止信号干扰和提高系统的稳定性。通过结合隔离电路和缓冲器基准电压等元件，创建出高性能的信号处理系统，适用于各种应用来满足复杂应用中的需求。

该电路的输出电压等于输入电压，即U0=Ui，基于仿真软件PSpice 验证隔离电路设计的可行性，仿真结果如图3所示。

图3 隔离电路中交流电压输入的仿真结果

2.3 过电流监测单元

过电流在线监测单元是电力系统中的重要组件，其用于实时监测电路中的电流水平以保护设备和系统的安全性。这个单元通常包括电流采集电路，专门用于测量电流的变化。当电路中出现过流情况时，过流保护器将迅速介入，切断电路以防止设备受损。为了确保信号的准确性和电路的可靠性，隔离电路通常用于隔离监测电路和被监测电路之间的电气连接。比较电路用于比较监测到的电流与预设的阈值，以触发过流保护器的操作。这些关键组件协同工作，构建了一个有效的电路保护系统，确保电力系统在各种工况下都能保持稳定并减少潜在的电气故障风险。过电流在线监测单元电路如图4所示。

图4 过电流在线监测单元电路图

采用LR 积分器结构的Rogowski 线圈测量雷电流；隔离电路采用单个零漂移快速建立放大器OPA388；比较电路采用高速比较器TLV3201；输出部分设计了推挽电路结构。

3 中央控制技术

中央信号处理单元是一个关键的电子系统组成模块，通常由多个子模块构成。其中，FPGA 主控模块扮演着核心角色，其拥有可编程的特性，能够高效地处理各种信号和数据。与之配套的人机交互模块允许用户与系统进行交互，监测状态并进行控制。数据存储模块则用于安全地储存大量的信息，以备将来的分析和检索。报警模块则负责实时监测系统的状态。

FPGA 主控模块采用芯片型号为5CEFA7F31I7N；人机交互模块包括RJ-45以太网端口和点阵式LCD 显示屏。数据存储模块包括两片256MB 的DDR3存储器芯片和一片512MB 的LPDDR2存储器芯片。报警模块包括LED 闪光灯报警电路和扬声器声音报警电路。

4 结论

雷电过电压过电流传感采集装置是一个复杂的系统，包括多个关键组件。供电单元提供电力支持，而过电压监测单元和过电流监测单元负责监测电路中的电压和电流。这些数据通过中央信号处理单元进行处理和分析。整个系统的设计装置旨在实现高效的电压传感监测和电流传感监测，确保雷电过电压和过电流事件能够可靠地被检测和记录。最后，数据采集存储部分负责储存大量的监测数据，以备将来的分析和应用。这种雷电过电压过电流传感采集装置在电力系统保护中发挥关键作用，确保电路的安全运行。