吴孝彬 倪桂江 余招军 叶延旭 罗懿芯

（1.福建奥通迈胜电力科技有限公司 福建省福州市 350000 2.国网福建检修公司 福建省福州市 350011）

避雷器是配电网中保护线路或电力设备免受过电压危害的重要电器设备。配电网中运行过诸如管型避雷器、阀型避雷器、保护间隙避雷器及氧化锌避雷器等，现在氧化锌避雷器使用最为广泛，它具有如下优点：

（1）保护特性好；

（2）耐重复，动作能力强；

（3）通流能力大；

（4）体积小，重量轻[1]。

国内外对MOA 监测方法大致分为以下几种：

（1）全电流法；

（2）三次谐波阻性电流法；

（3）电流补偿法；

（4）基波阻性电流法；

（5）基于温度的测量法等。

但是在MOA 运行过程中也存在一些干扰因素对监测的特征量产生影响，从而使测量出来的数值存在一定偏差，从而影响了故障的判断，主要的干扰为以下几点：

（1）电网谐波对MOA 在线监测的影响；

（2）三相运行时，避雷器与相间杂散电容产生的相间干扰的影响；

（3）由避雷器或监测装置表面污秽所产生的泄漏电流的影响；

（4）由于避雷器及其监测装置所处环境较为复杂，因此不同环境的温度也会对其产生影响；

（5）相移对MOA 在线监测的影响[3]。

本文针对10kV 氧化锌避雷器设计出一种物联监测系统，系统主要包含监测装置、云监控平台和移动APP。监测装置实现以MSP430FR5969 为数据处理核心，采集全电流、雷击次数及GPS定位，并将数据通过NB-IOT 通信模块上传云监控平台分析处理。云平台监控软件及移动APP 具备历史数据查询、波形分析等功能，检修人员可通过WEB 或APP 实时获取避雷器运行状态。检修人员能够实时监测MOA 的运行状态，而且能在MOA 发生故障时，及时确定故障点，加快抢修速度，降低停电时长，减少经济损失[4]。

1 监测装置硬件设计

1.1 整体电路设计

监测装置实现全电流采集、雷击次数、GPS 定位功能。硬件上由太阳能收集电路、充放电管理、取样电路、GPS 定位电路、射频维护电路以及NB-IOT 远程通信电路组成。

极低功耗是本设计要解决的核心问题，TI 的MSP430 系列芯片兼具极低功耗和优良性能的优点，本设计采用MSP430FR5969 芯片作为监测终端的微控制芯片。

在射频维护电路上使用接收电流低于4mA 的射频芯片搭建，用于对监测终端进行参数设置。硬件电路如图2所示。

太阳能在不同照度下会有各自的最大功率点，在电源管理上采用最大功率点追踪，将太阳能最大效率地存入后备电池中。DW01A-G 芯片具有对锂电池过充、过放及短路时进行保护作，电压过低时，可截断输出，电池电压正常时自动恢复供电。使用处理器及外部独立看门狗电路对装置运行进行监控，提升运行可靠性。

监测终端一般安装在户外，根据国标GB11302 交流无间隙金属氧化物避雷器规定，避雷器的使用环境温度不高于+40℃，不低于-40℃。监测终端所采用的各种电子元器件和模块均采用工业级器件。以保证在要求的使用环境中能正常、稳定、可靠工作。

1.2 电流信号及雷击次数提取

泄漏电流信号采集可选用电流互感器式和电阻取样式。但由于取样电阻串接在监测器电流测量回路中， 电气上和高压系统相连接，抗干扰能力差，而电流互感器取样电路与高压没有直接连接，抗干扰能力强，但是经试验研究发现，电流互感器取样线性度差、信号微弱。为此设计中采用了抗干扰能力强、线性度较好的零磁通微电流传感器技术并结合16 位A/D 模数转换电路来实现泄露电流的测量。

标准规定避雷器计数电流的最小值不能大于50 A(8 / 20μs)，采样电流互感器取样方法试验效果较差。这是因为电流互感器取样获得的信号不但和避雷器的放电电流幅值有关， 还与放电波形有关，很难和监测器记录的放电次数相吻合。本设计使用线性度及带宽较好的柔性罗氏线圈作为雷击计数等测量传感器。其灵敏度(变比)：0.1～1V/kA，频率：5MHz 以内。

1.3 数据远程传输方式

数据远传有无线方式和有线方式，由于配电线路避雷器安装点多面广，不宜采用有限方式传输数据。

无线方式可采用GPRS、4G、Lora、NB-IOT 等通信方式，GPRS、4G 通信功耗大，不适用于对功耗敏感的监测终端，Lora 组网复杂，不利于现场维护。

NB-IOT 即窄带物联网是万物互联网络的一个重要分支。NBIoT 构建于蜂窝网络，可以理解为是LTE 技术的“简化版”，NBIoT 网络是基于现有LTE 网络进行改造得来的。LTE 网络为“人”服务，为手机服务，为消费互联网服务；而NB-IoT 网络为“物”服务，为物联网终端服务，为产业互联网(物联网)服务。NB-IOT只消耗大约180kHz 的带宽，可直接部署于GSM 网络、UMTS 网络或LTE 网络，部署成本低，NB-IOT 是一项新兴技术，具有低功耗、低成本、强连接、光覆盖等特点。低功耗特性是物联监测终端的一项重要指标。NB-IoT 聚焦小数据量、小速率应用，因此NB-IoT 设备功耗可以做到非常小，设备续航时间可以从过去的几个月大幅提升到几年。基于这些优点，本设计在通信“管”这一环节采用NBIOT 通信技术构建监测装置（端）和云平台监控（云）的桥梁，设计中采用的NB-IOT 模块功耗在PSM 模式下低至3uA。

1.4 监测终端的可靠性设计

由于氧化锌避雷器在线监测装置的运行环境较为复杂，这也使得干扰源比较多，相应的，应采取多种抗干扰措施来提高系统稳定可靠性。

图1：监测装置硬件电路组成

图2：射频芯片接线图

图3：主程序流程图

在元器件选型上满足经济型和高性能的情况下选用集成度高、抗干扰能力强的元器件；在电源入口使用了压敏电阻、放电管、共模电感等抑制电源入口产生的干扰；对信号地和模拟地进行分割隔离。这种方式有效的抑制了谐波与电源噪声对电路所造成的干扰；将电源与地线分走各自的电源平面。监测装置壳体采用金属壳体，加强屏蔽，减弱电场干扰[5]。

2 监测装置软件设计

基于MSP430FR5969 芯片进行模块化软件设计，系统3 个中断及7 个任务：

（1）中断：1 个1.25mS 定时器、串口中断及射频中断；

（2）显示任务：避雷器动作时及故障时闪烁红灯（闪烁时间可设）；

（3）计数任务：当MOA 监测装置检测到雷击或操作过电压动作后启动计数任务；

（4）电流采集：根据采样点数，使用DFT 计算全电流平均值；

（5）低功耗切换：当有故障产生、射频数据或设定的低功耗时间耗尽时，MCU 全速运行；

（6）射频维护任务：处理射频通信，主要在生产及安装时用于配置、调试装置；

（7）远程通信规约任务：将本地电流数据、故障数据整理成报文通过NB-IOT 模块发送至云平台并接收远方对时指令（默认24H 上传一次数据，故障时立即上传数据）；

（8）BootLoader：用于无线升级程序[6]。

如图3，主要流程如下：单片机接通电源后，上电复位并进行定时器和中断程序初始化，装置硬件电路各模块的指示灯被点亮，显示各模块电路正常运行。实时进行采样计算，当采集的电流数据越限（根据不同程度设置3 级限值）后，立即上传数据至云监测主站，并存储故障电流数据。当MOA 监测装置接收到雷击中断后，启动中断计数任务进行雷击计数。当MCU 判定所需数据采集完成后，将会得到一个上传数据的指令，通过集成的无线通讯模块将采集好的数据上传到终端，若采集未完成，则退回，连续发送三次，如均未成功，则重新进入采样计算流程。

表1：标准表测试值与软件监测值

图4：65kA 大电流冲击测试图

3 避雷器物联在线监测系统框架

以下为整个系统的主要技术指标：

适用电压等级：10kV；残压：≤1500V；标称放电电流（峰值）：20kA；（1）适用避雷器带间隙和无间隙避雷器（需选择对应监测装置）；（2）雷击计数(辅助功能)：0 ～99；（3）全电流监测范围：30uA ～6mA；精度：±5%；（4）数据发送周期：遥测数据：24 小时；故障遥信：≤10S；（5）通信：采用NB-IOT；（6）电源：0.6W。

监测装置实时监测避雷器健康状态，避雷器无故障时，每24小时将避雷器全电流、雷击次数等数据通过NB-IOT 传往云平台，避雷器有劣化加剧时，数据传输周期智能减小，根据阈值给出预警，当避雷器损坏时，立即上送避雷器故障信息至运维人员手机。

以下为系统各项主要功能：

（1）避雷器动作次数检测：MOA 监测装置可以对MOA 的动作次数进行记录，记录范围0-99 次；

（2）动作次数记录：监测装置会将避雷器的动作次数存储在存储器芯片的FLASH中，每1小时存储一组数据，可保存10年以上；

（3）泄漏电流采集和环境温度检测功能：监测装置通过微电流零磁通电流传感器和温湿度模块对MOA 的泄漏电流及环境温度数据进行采集。当监测装置监测到异常时，立即上传故障数据；

（4）GPS 定位：上传数据包括避雷器安装地点的经纬度信息。

4 实验及安装使用分析

4.1 测量精度

为了验证监测装置的可行性，对装置进行试验验证，并对数据进行分析，是否达到设计需求是必须的，表1 为试验时标准表测量到的泄漏电流及监测平台读取到的数据对比。

可以看出精度满足要求。

4.2 大电流冲击及残压测试

如图4所示，对监测装置进行8/20uS 峰值电流10kA 以及4/10us 峰值电流65kA 大电流冲击实验，分别做正负极冲击两次，实验中装置未出现闪络、击穿等现象，试验后对装置进行测试，装置运行正常。大电流冲击实验验证了装置设计的合理性以及可靠性。

4.3 安装使用分析

对于三相避雷器全电流采集来说，电源三相对称，全电流为零，一相避雷器击断后，全电流为另两相避雷器全电流矢量和，额定电压下，值约为80uA 左右，两相避雷器击断后，全电流即为单线避雷器全电流，也约为80uA 左右，通过以上特征可判断一组三相避雷有断路故障发生。

一相避雷器绝缘降低后，全电流为另三相相避雷器全电流矢量和，大于30uA 装置即可检测出；两相避雷绝缘降低后，全电流即为三相避雷器全电流矢量和，大于30uA 即可检测出；同样三相避雷绝缘降低后，全电流即为三相避雷器全电流矢量和，其值大于30uA 检测出。

可见，一台金属氧化锌避雷器可对应配置一台监测装置，也可以一组三相避雷器配置一台监测装置。

5 结论

本文针对10kV 氧化锌避雷器设计出了一种监测系统，通过采集氧化锌避雷器的泄漏电流、动作次数，通过数据关联分析来判断或预判氧化锌避雷器故障情况。本文所研究的避雷器在线监测系统在设计上融合了低功耗通信、边缘计算、大数据等先进技术，实现了以“云管边端”为系统架构的避雷器物联在线监测系统。通过严酷的实验验证，该系统能够耐受各种标准规定的破坏性试验以及非破坏性试验。

避雷器物联在线监测系统的设计切合泛在电力物联网的时代要求，可对MOA 运行状态进行实时在线监测，当避雷器发生故障时，系统可对故障点进行精确定位，客观上降低了维修人员排查故障的时间，减少了系统停电风险，可广泛应用于10kV 配电线路金属氧化锌避雷器的在线运行监测。