刘亚林 赵胜男 吴西博 张世达

摘  要：因在线监测传感器一次设备受浪涌、雷击等过电压冲击的影响，导致其运行可靠性较差，从而使在线监测系统难以发挥监测效果。文章基于工业级8位MCU的通讯及采样保护控制单元，结合工程研发经验，提出一种研发在线监测传感器的新设计思路。

关键词：在线监测传感器;泄漏电流;MCU程控单元;信号采样保护单元;信号采样及调理单元

中图分类号：TM93;TP212      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）01-0041-03

Abstract：The online monitoring sensor is affected by overvoltage surges such as surges and lightning strikes on the primary equipment，which results in poor operational reliability and makes it difficult for the online monitoring system to monitor. Combined with engineering research and development experience，the article proposed a new design idea for developing online monitoring sensor based on the communication and sampling protection control unit of industrial 8-bit microcontroller （MCU）.

Keywords：online monitoring sensor;leakage current;MCU program control unit;signal sampling protection unit;signal sampling and conditioning unit

0  引  言

变电设备的运行状态直接关系到电网运行的安全。通过借助先进电子通信技术，在线监测可以实时感知设备的健康状态，对于防止运行事故的发生以及为状态检修提供依据具有重要意义[1-3]。文献[4]介绍了一种高压断路器的在线监测系统，文献[5]介绍了一种包括数据截断和数据叠加的数据处理方法用于在线监测。但实现这些，需要依赖传感器精准稳定的数据采集。

变电站电磁环境复杂，一次设备经常遭受浪涌、雷击等过电压的冲击，这些因素对在线监测传感器的影响很大，进而会影响到在线监测系统的监测效果[6，7]。在线监测传感器长期在变电站的复杂电磁环境下运行，当一次设备经受浪涌、雷击等过电压的冲击时很容易造成传感器内脆弱的信号采样电路损坏。以上因素的影响导致传感器的性能难以满足在线监测的要求，很多已投运的在线监测系统普遍存在运行可靠性差的缺陷，传感器故障频发，系统难以发挥作用[8]。

本文力求解决传感器在超、特高压变电站环境下的可靠性问题。针对变电站复杂的电磁环境，高压电气设备运行状态信号的获取方式一般是通过高精度穿心式电流互感器采集设备的对地泄漏电流信号，因此当一次设备遭受浪涌、雷击等过电压的冲击时，虽然互感器线圈的磁感应回路会产生饱和，但互感器的二次侧输出信号仍然会产生较大的冲击电流，对传感器内脆弱的信号耦合及调理电路产生冲击，从而导致传感器的损坏[9]。

因此，文章首先分析了传统在线监测传感器的缺陷。然后，为了提高在线监测系统运行的可靠性，对传感器进行了改进设计，结合研制单位在智能电网状态监测领域多年的工程研发经验，提出了新的设计思路。

1  传统在线监测传感器的缺陷

变电站一次设备（包括各类电容型设备、避雷器、各类套管、主变铁芯、无功补偿电容器组等）的对地泄漏电流中包含了阻抗角、有功量、无功量等表征设备运行状态的特征参数。

電容型电压互感器（CVT）等效电气模型如图1所示，其中，虚线部分表示外部壳体的等效电阻。

图1中，C1为高压电容;C2为中压电容;L1为中压变压器一次绕组;L2为补偿电抗器;I1为容性电流;I2为中压变压器空载电流;Ir为阻性电流;R为等效介质电阻;Ix为全电流;U1为高压电容分压;U2为中压电容分压;Ux为运行电压。因此，对泄漏电流实施在线监测可以通过泄漏电流获知设备的健康状态，进而可以预防事故并为状态检修提供依据[10]。

变电站一次设备对地泄漏电流的信号范围跨度很大，比如某些电容型设备的对地泄漏电流可达数百毫安，而某些避雷器正常工作时其泄漏电流为数十微安，但在遭受系统过电压（浪涌、雷击等）冲击时，其对地泄放电流可达数千安培。

目前，在线监测技术所依赖的主要技术有[11]：

（1）数字信号处理技术，目前已经成熟应用于状态监测领域;

（2）高精度传感器技术，特别是有源零磁通互感器的应用，使复杂电磁环境下微弱信号的处理性能有了极大的提升;

（3）基于32位嵌入式微处理器MPU、32位浮点运算的数字信号处理器DSP架构的高端硬件平台，基于ARM、DSP等架构的高端硬件平台在状态监测数据采集、数字信号分析中的应用比较广泛，相关软硬件开发环境的第三方技术支持比较成熟。

以上技术的应用为智能电网状态监测提供了强大的技术支撑，使得在线监测越来越成为保障电网安全运行的重要技术手段，同时也使得高压电气设备从计划检修向智能化的状态检修过渡，是设备运检集约化、科学化的发展方向。

在以上技术得到应用的同时，在线监测技术的发展也面临很多制约因素，主要显现在：

（1）传感器的性能很大程度上影响了在线监测系统性能的提升，主要表现为传感器在复杂电磁环境下长期工作的可靠性问题;

（2）微弱信号经过电流互感器时一致性差，导致在线监测数据分散性大、重复性差;

（3）抗干扰能力差，弱信号在复杂电磁环境下的耦合及传输很容易造成信号畸变，难以准确反映设备健康状态。

以上因素的存在对传感器的设计提出了很高的要求，结合研制单位在具体工程应用中遇到的问题，很多情况下传感器损坏都是由于过电压冲击导致的，致使数据无法采集。因此在信号采样回路增设保护措施很有必要。基于此，本文提出了新的在线监测传感器设计方案。

2  在线监测智能传感器设计

2.1  设计思路

以加强对信号采样电路的保护为目的，文中传感器的设计思路是：

（1）在电流互感器二次侧增加程控硬件隔离保护;

（2）监测系统在信号采样期间硬件保护回路动作，互感器二次信号输入采样电路实现正常的信号采样;

（3）监测系统在采样空闲期间硬件保护回路断开，实现互感器二次输出和信号采样电路的机械隔离，有效保护信号采样电路免受浪涌、雷击等过电压的影响。

（4）普通在线监测传感器一般由高精度穿心式电流互感器、信号采样及调理电路及信号输出接口和传感器整体封装结构几个部分组成。

在线监测智能传感器在研制过程中，为实现传感器内信号采样电路的保护，相对于普通传感器而言，本文着重解决以下几方面问题：

（1）传感器到系统的通讯;

（2）采用程控硬件隔离的方式实现对信号采样回路的保护;

（3）在数据采集系统中增加采样保护控制程序模块。

综合以上几点，区别于普通传感器的设计，智能在线监测传感器的功能结构设计应由以下几部分组成：

（1）高精度穿心式电流互感器;

（2）信号采样及调理电路，以及信号输出接口;

（3）基于硬件的程控采样保护控制回路;

（4）基于MCU的采樣保护控制及总线通讯接口;

（5）传感器的整体封装结构。

2.2  功能结构设计

在线监测智能传感器各功能单元的组成如图2所示，其内部结构采用模块化设计，具体由以下功能单元组成：

（1）电流互感器（满足高精度、穿心式、零磁通）;

（2）信号采样及调理单元;

（3）通讯及采样保护控制单元（工业级8位MCU程控单元）;

（4）信号采样保护的硬件隔离单元（中间继电器）;

（5）满足IP55防护等级的传感器整体封装结构。

2.3  信号采样及保护控制电气原理设计

信号采样及保护控制是智能传感器的关键设计，信号采样及保护控制回路如图3所示，通过中间继电器K1和K2实现信号采样电路和互感器二次侧的硬件隔离。中间继电器K1和K2的动作由MCU程控单元实现控制，具体控制指令由上位机数据采集系统发出，通过总线实现和程控单元的通讯，并由程控单元实现指令解码后输出控制信号。一般控制流程是系统采集数据期间互感器二次信号输入采样电路，系统空闲期间互感器二次信号和采样电路实现隔离，从而使得传感器免受浪涌、雷击等过电压的冲击导致传感器损坏，达到提高系统运行可靠性的目的。

3  结  论

受一次设备运行状态的影响，传统在线监测传感器容易损坏，进而影响到在线监测系统的监测效果。本文在传统在线监测传感器的基础上，基于工业级8位MCU的通讯及采样保护控制单元，结合工程研发经验，提出新的设计思路。研制用于在线监测的智能传感器，可应用在电气设备的状态监测系统上。应用该设备，可以提高变电站监测一次设备运行状态的准确性，适用于预防事故的发生，为设备的状态检修提供重要判断依据。

参考文献：

[1] 王少华，叶自强，梅冰笑.输变电设备在线监测及带电检测技术在电网中的应用现状 [J].高压电器，2011，47（4）：84-90.

[2] 唐炬.防御变电设备内绝缘故障引发电网停电事故的基础研究 [J].高电压技术，2012，38（6）：1281-1291.

[3] 陈东，涂莉，李慧敏，等.输变电设备综合运维自动化系统的应用设计 [J].电测与仪表，2016，53（2）：1-9.

[4] 陈建志.高压断路器在线监测技术的研究 [J].电测与仪表，2007（5）：27-29+14.

[5] 宋涛.一种介质损耗因数在线监测新方法 [J].电测与仪表，2014，51（22）：119-124.

[6] 龚李伟.电容型设备绝缘在线监测与智能化故障诊断研究 [D].武汉：华中科技大学，2008.

[7] 李娟，蔡晖，丁晓群.电力变压器状态在线监测和故障诊断的新方法 [J].电力自动化设备，2002（12）：60-63.

[8] 路长禄，林刚.变电站高压电气设备绝缘在线监测技术探析 [J].电子技术与软件工程，2015（9）：122.

[9] 刘飞.变压器绝缘在线监测传感器自供能技术的研究 [D].北京：华北电力大学（北京），2018.

[10] 向欣.500kV智能式变电站电气设备的状态检修探析 [J].现代工业经济和信息化，2017，7（18）：90-91+93.

[11] 张磊.智能变电站在线监测系统的建设及运行研究 [D].济南：山东大学，2017.

作者简介：刘亚林（1982-），男，汉族，河南开封人，高级工程师，硕士研究生，研究方向：高压电气设备检修与试验研究;赵胜男（1989-），女，汉族，河南开封人，工程师，本科，研究方向：高压电气设备检修与试验研究;吴西博（1987-），男，汉族，山东冠县人，工程师，硕士研究生，研究方向：高压电气设备检修与试验研究;张世达（1992-），男，汉族，河南郑州人，硕士研究生，研究方向：高压电气设备检修与试验研究。