李佳奇，李 斌，刘碧琦，耿莉娜，马一菱，李 爽

（1.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，沈阳 110006；2.国网辽宁省电力有限公司，沈阳 110006）

0 引言

交流无间隙金属氧化物避雷器（以下简称避雷器）由于具有优异的电气性能，自20世纪80年代开始在电力系统得到广泛的应用，取代了传统的碳化硅（SiC）避雷器。避雷器的电位分布是否合理直接关系到整支避雷器的运行寿命。它的芯体是由几片乃至上百片电阻片串联而成的电阻片柱，由于电阻片柱对地杂散电容的作用，在无均压措施的情况下，电阻片柱的电位分布是很不均匀的。上部电阻片较下部电阻片承受的电位高得多，使整支避雷器的老化速度加快，甚至发生热崩溃。随着避雷器电压等级的升高，避雷器的高度也随之增高，避雷器电位分布的不均匀程度也越来越严重[1-6]。

国网辽宁电力科学研究院在20世纪80年代，首次提出了用光纤-电流法测量避雷器的电位分布，解决了无法测量避雷器电位分布的难题，并编入GB11032—1989版标准中，此方法一直沿用至今[7]。光纤-电流法以光纤方式进行有线数据传输，其不足在于一套光接受机接受测量点位有限、扩展性不强、光缆铺设工作量大、测量探头内电池寿命短等；测试人员在对若干只测试点进行测试时只能反复查看单一通道波形，频繁更换测量探头电池等工作量大。同时将测量探头的测试数据以光纤为媒介传出避雷器外，光纤易损坏。特别是，由于避雷器受安装地点及环境、气候的影响，在避雷器投入运行时对温度分布进行监控是非常必要的。见图1。

图1 光纤-电流法现场安装图Fig.1 Installation diagram of fiber-current method

为了解决现有检测中的技术问题，研制了一种避雷器电位分布及温度分布无线快速检测系统，其目的是实现对避雷器阀片分布电位及温度分布情况进行同步检测，提高测量数据准确度，化简检测过程，保障了人身安全。

1 系统设计原理

避雷器在正常运行电压下，可等效为若干只电容相互串接，对于单一避雷器阀片而言，可等效为一只容性元器件。将采样探头串联在避雷器阀片中，且该采样探头的阻抗小于避雷器阀片的阻抗10个数量级以上，因而采样探头的接入不会造成整只避雷器的电位分布情况的改变[8-10]。采样探头的尺寸和避雷器的阀片相同，可灵活安置于避雷器阀片柱的任何位置；采样探头内装有无线数字传输芯片，可与外部测试基站进行无线通信，完成测试结果的无线传输，达到快速实现避雷器投运前分布电位及分布温度的检测，满足避雷器健康状况，为后续进行均压决策提供参考数据[11-14]。

采样探头上方为导电金属，采样探头下方设置一单面导电的金属板，通过导线将避雷器阀片的泄漏电流I接入到采样探头传感器内部，经I/U转换将信号传出。将采样探头上方开一直径3 mm的孔，同时将一热敏电阻安装于孔的出口位置，满足安装时和避雷器内部的阀片相互接触，以实现避雷器阀片温度的实时测试，采样探头内部示意图见图2。

图2 采样探头内部示意图Fig.2 Schematic diagram of sensor

2 系统硬件设计

2.1 信号调理电路设计

在这里采用了串联电阻的方式实现避雷器内部阀片泄漏电流的I/U转换。为提高测试精度，设计一量程选择电路SW，利用不同的跳线帽选择接入被试回路的采样电阻为R2、R5、R7之一，使得泄漏电流产生的分布电位的动态范围满足实际现场需求。引入了基准源电路REF，实现了外接零基准电平的移位，以满足交流正负半周信号的测试。同时加入双向稳压管DW1，DW2满足过电流情况下的系统保护。C6、R8、C7构成π型滤波器消除泄漏电流中的干扰。经处理后的信号接入AVR的模拟输入端。信号调理电路见图3。

图3 信号调理电路Fig.3 Signal conditioning circuit

2.2 系统锂电池电压采集电路设计

为了实现调理后的各模拟量的准确采集，选择具有10 bit模数转换精度的AVR处理器，在测试电位分布及温度采集之前，应先确定系统的电池电压Ubat。设计了两只1%精度的10 kΩ电阻R15、R16对探头内电池电压进行二分压，从而可以确定系统锂电池电压Ubat：

式中：Uref为FLUKE万用表测试到基准源REF的电压值；ADbat为CPU读取到的R15、R16抽头处AD值；ADref为CPU读取到的基准源REF的AD值。

2.3 系统电位分布采集与温度采集电路设计

采用R13，即NTC-MF52型1%精度热敏电阻测试温度。并与10 kΩ电阻R14相串联，则避雷器阀片温度变化将改变R14电阻值。通过测试R13、R14中心抽头的电压Utemp，可反推出热敏电阻对应的电阻值。先确定Utemp：

式中，ADtemp为CPU读取到的R13、R14抽头处AD值。

由式（1）和式（2）得到

由此，根据NTC-MF52热敏电阻的阻值分度表确定测试点温度。同时，程序中设定模拟通道进行对时间的积分采样，实现被测模拟量有效值的运算。以上测试过程在测试基站发出查询指令时，各测试探头内主控芯片控制具有低导通电阻的MOS管Q1导通并启动测试程序，其余时间CPU控制MOS管截止，整机进入低功耗状态。测试到的避雷器阀片泄漏电流有效值、阀片温度值及可充电锂电池的电量以数据包的形式由无线通信模块传出到避雷器外，并由测试基站完成各测试探头采集数据的接收。测试探头内部电路图见图4。

图4 数据采集电路图Fig.4 Data acquisition circuit diagram

2.4 无线数据传输模块

由于无线通信模块安装于铝制采样探头内，且探头安装于避雷器瓷外套内部，故采用低频段的LORA通信模块，以实现较好的无线信号穿透能力以及抗干扰性能。

3 系统程序设计

3.1 采样探头部分程序设计

采样探头采用星型拓扑结构，各采样探头起始工作状态为上电后完成AVR内部定时器及寄存器的初始化。各个采样探头等待测试基站发出的无线唤醒指令，如果没有唤醒指令，则继续休眠模式，并继续等待测试基站发出的无线唤醒指令，以节省电量[15]。当各个采样探头同时接受到测试基站发出的无线唤醒指令，则立即对测试到的信号以0.1 ms的采样间隔进行连续的模拟数字转换。将连续5000次的模拟数字转换结果，即25个工频周波采集点对时间取积分，得到当前采样探头对应阀片该段时间的泄漏电流有效值。为了避免各个采样探头同时发送测试结果数据造成的数据冲突，以Tn的延迟时间向外发送采样探头号、分布电位值、温度值并将内存数据写入EEPROM，以便于后期的二次查询[16]。其中

式中：Tn为各只探头从测试结束至发送测试结果的时间延迟；N为采样探头号。

执行完上述操作后，采样探头再次进入睡眠模式，等待测试基站再次发出的无线唤醒指令，以达到低功耗的效果。采样探头程序流程图见图5。

3.2 PC端处理分析系统

PC端处理分析系统软件采用DELPHI编程，并链接SQL数据库，可同时实现采样速率设定，采样参数设定、数据统计与查询。采样与分析结果以图形样式展现，使测试人员对电位分布及温度分布情况作出分析。当电池电压小于3.6 V时发出报警，小于3.3 V时停止测试。

4 应用

4.1 采样探头安装设计

750 kV等级的避雷器由4节构成，每一节避雷器内部又由若干避雷器阀片组成。与避雷器阀片外形一致的多个采样探头和避雷器阀片间隔串联接入，以无线方式实现对各个阀片的电位分布及温度分布进行检测。避雷器内部采样探头安装示意图见图6。

图6 采样探头安装示意图Fig.6 Schematic diagram of sampling probe installation

4.2 试品

试验用避雷器型号YH20W1-648/1491，由4节构成。避雷器总高7.6 m，构架高4 m。双层均压环上环外径800 mm，中环外径1100 mm，下环外径2400 mm，罩入深度1360 mm。

4.3 采样探头布置

避雷器阀片173片，直径136 mm，厚度20 mm。每节9个采样测点，共计36点。上数第一节上法兰为测点1、2、……、9，上数第二节测点10、11、……、18，以此类推共计36个测点。采样探头现场安装图见图7。

图7 采样探头安装现场图Fig.7 Picture of sampling probe installation

4.4 试验结果

对750 kV避雷器，其相电压为

避雷器施加433 kV工频电压，同时在上位机软件设定好参数后，由测试基站发出唤醒指令，则各采样探头同步采集当前避雷器阀片各测点数据的分布电位、温度情况及电池的电量，并由式（4）采用无线方式以固定的时间间隔Tn将各测试点的信息发送至测试基站，历时约12 s完成一次采集并将测试结果在上位机界面以曲线形式显示。同步采集方式可避免由于电网波动造成的采集数据的不一致性，提高了采集结果的精度。测量数据见表1，避雷器电位分布曲线见图8。

表1 电位分布测试结果Table 1 Test results of potential distribution

图8 避雷器电位分布曲线Fig.8 Lightning arrester potential distribution

4.5 分析与计算

避雷器电位分布不均匀系数为

式中：n=1，2，3，……n，取Ku最大值；Ku为杂散电容引起的电位分布不均匀系数；Un为第N片阀片两端的电压；Cn为第N片阀片的电容值；Cˉ为阀片的电容平均值；Uc为避雷器的持续运行电压；m为避雷器中的阀片数。

将式（7）迭代入式（6），得到

避雷器的所有阀片电容经折算成平均电容量

则由式（8）推导出

通过计算分析，满足750 kV金属氧化物避雷器不均匀系数小于15%的要求。

5 系统的误差来源及修正

5.1 系统基准源误差及修正

由于测试探头系统电源为锂电池，供电电压会随着电量的消耗而不断降低，对各个模拟量的测试结果造成偏差。

虽然AVR内部集成了2.56 V的基准源，但此基准源的温飘较大，且不同批次的CPU由于制造工艺的差异引起内部的基准源与实际标称2.56 V基准相差较大。

为提升测试正确度，采用信号调理电路中高精度低温飘的1.23 V基准源REF作为探头内部基准。由于锂电池工作电压为3.3～4.2 V，在极限情况下也不会引起基准源REF电压的改变。采用FLUKE万用表确定每只探头的基准电压Vref，并分别将该此基准电压Vref写入对应探头CPU的程序代码中，使模拟信号转换结果更加准确。

5.2 采样电阻误差及修正

采样电阻的准确度决定了I/V变换结果正确性，故选择1%精度的采样电阻，在焊接后通过FLUKE万用表确定采样电阻的实际值，并写入程序代码中。将每只测试探头的测试结果与ACT-110-A避雷器阻性电流测试仪校验装置进行校准，测试探头校准结果见表2。

表2 测试探头校准结果Table 2 Calibration results of test probe

6 结论与展望

以无线采集方式进行避雷器电位分布及温度分布测试，实现了同步采集，提高了测试精度，大大缩短了测试的前期准备时间。以光纤作为数据传输通道的改进产品，增加了测试人员与高压设备的安全距离。该系统可及时发现避雷器投运前内部绝缘受潮及阀片老化等危险缺陷，维护费用低，有较高的使用价值与应用前景。若在难以外部供电的高压检测场合结合导线取电技术，则可以不间断地实现高压设备健康状况的在线监测。