高亦乐 陈善平

（1.江苏省常州技师学院，江苏 常州 213017；2.常州帕斯菲克自动化技术有限公司，江苏 常州 213022）

1 引言

近年来，金属氧化物避雷器（metaloxidearrester，MOA）以其优异的技术性能逐渐取代了其他类型的避雷器，成为电力系统的换代保护设备。采用MOA后，往往可使相对地的操作过电压降到1.6～1.8倍相电压，各相间的过电压降到1.7～1.8倍线电压，也可使大气过电压降到1.7～2.2倍相电压。保护性能的改善，可显著降低被保护设备的绝缘水平，因而也降低成本，大大提高运行的可靠性。而无串联间隙的 MOA如果有故障，问题会比有串联间隙的阀式避雷器更为严重。因此，MOA的预防性试验就倍受重视。一般认为大小仅占总泄漏电流10%～20%的阻性电流的增加是引起 MOA劣化的主要因素，所以从总泄漏电流中准确提取其阻性电流是判断MOA运行状况的重要方法[1]。

2 已有在线测量MOA泄漏电流方法

目前对氧化锌避雷器在线监测的主要方法有全电流法、瞬时法、泄漏电流的谐波分析法、谐波补偿法和测温法等[2]。

2.1 全电流法

全电流的测量通常利用串联在 MOA接地线上安装的毫安表实现，它给出了整流后的泄漏电流的平均值或者峰值。常规MOA等效电路，如图1所示。全电流由等效电容电流IC，电阻电流Ir矢量合成后得到，如图2所示。设容性电流IC=1mA峰值，Ir=50-500μA变化由图 3可见，阻性电流增加到250uA时，总泄漏电流增到3%，而在500μA处，仅增加10%，这意味着此种方法不能灵敏反映MOA阻性电流的变化。

图1 金属氧化锌避雷器等效图

图2 电流矢量

图3 基频分量的增加与阻性电流的关系（α是温度和电压的函数）

2.2 直接测量阻性泄漏电流法或者叫瞬时法

原理是将MOA看作为R和C并联，外施正弦交流电压，当电压信号过零时，Ir=0，电流信号为电容电流Ic；当电压信号达到波峰时，Ic=0，电流信号为阻性电流，但是此方法通常很难应用到实际中，只适用于离线检测等。

2.3 泄漏电流的谐波分析法

由于MOA的非线性，导致其全电流中含有3、5、7和更高次的谐波分量，其幅值逐渐减小。故采用测量三次谐波来代表阻性电流的大小，但其缺点是高压线路侧含有谐波，会给3次谐波测量结果产生较大的误差。

2.4 泄漏电流的谐波补偿法

针对泄漏电流的3次谐波法，也有文章提出采用测量母线电压（接线到PT二次端），通过测量高压母线侧的3次谐波和MOA端泄漏的3次谐波电流之差得到MOA的3次谐波电流方法。但是此方法常要安装一个场探头来测量现场电压的谐波，探头容易受到相邻线路测的干扰使得补偿工作较为繁琐，同时降低了测量的准确性。

除以上介绍方法此外还有直接采用红外枪直接测量 MOA表面温度的测温法等，但都是非主流测测量方法。

3 避雷器阻性电流测量及MOA功率损耗的新方法

本文提出一种基于 GPS（Global Positioning System全球定位系统）授时同步的MOA阻性电流和功率损耗测量方法。系统设计时候考虑到嵌入式系统的设计限制，不采用FFT（傅里叶变换）算法，设计采用同步ADC（模拟/数字转换器）的MOA端电压和泄漏电流采样值，直接计算出 MOA阻性电流的大小，并换算出MOA的功率损耗。

系统采用分布式设计，由CVT（电容式电压互感器）电压监测设备、MOA泄漏电流在线监测设备、就地显示的MOA在线阻性电流显示仪表组成。

（1）CVT（电容式电压互感器）电压监测设备

CVT电压监测设备安装在高压母线侧，用于监测母线侧的电压，设备内部的GPS接收器用于接收GPS发出的时间信息，通过GPS的UTC时间可以得到非常精确时间。GPS一般输出的是NMEA0183码，对GPGGA和GPRMC都有明确的定义，比如：$GPGGA，100639.00，3109.79801，N，12123.38493，E，1，07，1.20，21.9，M，8.0，M，，*5D100639.00表示UTC时间的10点06分39秒，如果算成北京时间，加8个小时，就是18点06分39秒。

CVT电压监测设备同时安装有短距离射频模块，其作用是负责与各个设备之间的信息沟通；CVT电压监测设备内部的 MCU（微处理器）负责读取GPS授时信号，在系统设置的同步时刻采集 CVT的电压信号，然后通过RF（射频）模块发送至就地显示的MOA在线阻性电流显示仪表。CVT电压监测设备框图如图4所示。

图4 CVT电压监测设备

（2）MOA泄漏电流在线监测设备

MOA泄漏电流在线监测设备安装在MOA接地侧，用于监测三相 MOA的接地泄漏电流，内部通过取样电路获取MOA的全电流信号，MCU负责读取GPS授时信号，在系统设置的同步时刻采集MOA的全电流信号，通过RF（射频）模块发送至就地显示的MOA在线阻性电流显示仪表。MOA泄漏电流在线监测设备框图如图5所示。

图5 MOA泄漏电流在线监测设备

（3）MOA在线阻性电流显示仪表

MOA在线阻性电流显示仪表安装于控制室内，由射频模块和人机交互的液晶显示器等构成，MCU负责显示和接收来自CVT电压监测设备、MOA泄漏电流在线监测设备送来的基于GPS时钟同步的电压信号和电流信号，采用 TRMS（真有效值）算法计算出实时的 MOA的阻性电流和 MOA的功率损耗功率。MOA在线阻性电流显示仪表框图如图 6所示。

图6 MOA在线阻性电流显示仪表

4 系统工作原理及计算方法

4.1 系统工作原理

由于采用GPS授时使分布式MOA测量系统的时间可以非常精确，可以精确到μS级，CVT电压监测设备和 MOA泄漏电流在线监测设备按照预设的同步时间点开始采样，MOA电压信号和泄漏电流信号的波形如图7所示[3]。CVT电压监测设备负责采样同步时间后的 64个周波，每个周波内的 128个点电压数据；MOA泄漏电流在线监测设备负责采样同步时间点后的 64个周波，每个周波内的 128个点全电流数据；以上两设备采集好数据后采用LSDRF4310N01射频无线数传模块，将数据传输给就地显示的 MOA在线阻性电流显示仪表。由于采用同频数据传输，所以射频无线数传模块采用时分复用方式，CVT电压监测设备发射数据在前，MOA泄漏电流在线监测设备在后，保证射频无线数据相互不冲突。

4.2 系统计算方法

（1）MOA电压端Vrms计算

图7 MOA电压信号和泄漏电流信号的波形

就地显示的 MOA在线阻性电流显示仪表在收到 MOA的电压信号和泄漏的全电流信号后，根据TRMS算法，MOA电压端的电压计算公式是

其中 n=128；V0～V（n-1）是每个周波中各个电压采样点的值

（2）MOA全电流Irms计算

MOA泄漏电流的计算公式是

其中，n=128；I0～I（n-1）是每个周波中各个电流采样点的值

（3）TRMS算法C51的实现代码

上述设备采用与8051兼容的C8051F930，MCU上采用C51实现上述公式的代码如下：

（4）MOA消耗有功功率计算

通过上述计算得到MOA的Vrms和全电流Irms值；再根据有功功率公式计算MOA的有功消耗功率：

式中，n=128；V0～V（n-1）是每个周波中各个电压采样点的值，I0～I（n-1）是每个周波中各个电流采样点的值；这样MOA的功率损耗就已经计算出来。

（5）MOA阻性电流导出

根据上述计算出MOA消耗有功功率的P我们可以求解出 MOA的有功阻性电流，根据公式Ir=P/Vrms即可以求解出阻性电流Ir。

5 结论

金属氧化锌避雷器阻性电流和功率损耗检测系统可以在无需停电的情况下，对运行中的避雷器状态进行可靠监测。本文对常用的氧化锌避雷器的在线监测方法进行了归纳总结，对电流、电压信号的测量阻性电流和有功功率消耗进行了计算公式推导，新方法的主要优点不需要FFT变换，而是采用TRMS计算方法，大大减少了 MCU的运算量，使用常规的8051系列MCU就可以实现准确的计算出金属氧化锌避雷器的阻性电流和功率损耗，这对开展避雷器带电测试和在线监测具有参考价值。

[1]林耀洲,颜湘莲.MOA 阻性电流提取算法探讨[J].中国电机工程学会高压专业委员会高电压新技术学组2006年学术年会.

[2]万四维,陈世元.氧化锌避雷器阻性电流的在线监测[J]. 广东电力, 2005(12).

[3]谢碧海,周井生. 基于谐波分析氧化锌避雷器阻性泄漏电流带电测量的一种新方法[J]. 广东输电与变电技术, 2005(6).

[4]严璋.电气绝缘在线检测技术[M].北京:中国电力出版社,2002.