专利名称：氧化锌避雷器在线监测系统的制作方法
技术领域：
本发明属于电性能监测技术领域，涉及一种在线监测避雷器绝缘性能的系统，具体涉及 一种氧化锌避雷器在线监测系统。
背景技术：
避雷器是保证电力系统安全运行的重要保护设备之一，主要用于限制由线路传来的雷电 过电压或由操作引起的内部过电压。
碳化硅避雷器因其在防雷性能上的突出优点，广泛应用于电力系统的高压设备，但其存 在以下缺点 一是只有雷电最大幅值限压保护功能，没有雷电陡波保护功能，防雷保护功能 不完全；二是没有连续雷电冲击保护能力；三是动作特性稳定性差，可能遭受暂态过电压危 害；四是动作负载重，使用寿命短等。上述缺点导致碳化硅避雷器在使用中，存在影响电力 系统安全的隐患。
氧化锌避雷器(M0A)具有优异的非线性伏安特性、体积小、重量轻，通流容量大，其 保护特性优于碳化硅阀式避雷器。采用氧化锌避雷器能显著降低被保护电力设备的绝缘设计 水平，明显降低设备投资，提高供电可靠性。使用过程中，因长期承受工频电压、冲击电压 和各种外部环境因素影响，氧化锌避雷器趋于老化，其绝缘特性遭到破坏，致使氧化锌避雷 器失去作用而引起电力设备热崩溃，甚至发生爆炸。因而，为确保避雷器正常发挥作用，需 要对避雷器的性能状态进行定期检测。
目前，对避雷器性能状态的检测，是由检测人员定期到现场进行就地检测，即定期停电 对避雷器进行预防性试验。该检测方式存在如下缺陷
1) 试验时需要停电即使是计划性停电，也会给生产带来一定的影响。停电后设备温 度降低，测试结果往往不能反映真实情况。研究表明，约58.5%的设备难以根据低温试验结 果作出正确判断。
2) 早报或误报定期停电检修施加的试验电压一般在10KV及以下，低于避雷器运行时 的电压，而且由于试验期间断电，所反映的情况与实际情况相差较大，无法实时反映运行电 压下避雷器的绝缘性能和工作状况，因而诊断的结果未必符合实际运行状态，曾多次发生预 防性试验合格，而避雷器烧坏、爆炸的情况。
3) 检修费用高预防性试验期间投入的物力、财力及人力较大，测试程序复杂、工作
量大、时间集中，而且检测结果易受人为因素影响。4)试验周期长，不能及时发现、诊断出一些发展较快的故障。因此，即使设备通过了 预防性检测，仍然时有故障发生。
鉴于以上问题，提出了带电检测的方式，即采用绝缘在线监测与诊断技术，探索以在线 监测为基础的状态维修制。所谓绝缘在线监测是指在避雷器不停电、不脱离系统的运行状态 下，利用先进的数字信号处理技术和故障诊断方法对避雷器的绝缘状况进行自动、连续或定 时的绝缘特性检测和监督，了解和掌握避雷器是否处于正常运行状态，以便确定被检测的避 雷器是否需要检修以及如何检修。
在运行电压下，对电气设备进行工作状态的监测，能够真实反映电气设备的运行状态， 减少停电带来的损失。但是被测电气设备在运行电压下电气异常信息的特征量很微弱，变化 幅度大，易受现场电磁干扰，使得该异常信息的采集、传输、处理和诊断比电力系统运行参 量的监控复杂得多，致使电气设备工作状态动态监测的发展速度较缓慢。
随着现代传感器技术、计算机技术和信息处理技术的发展和应用，使得电气设备在线监 测技术及诊断技术得以实现。在电力设备故障诊断中的应用也越来越受到重视。与预防性试 验制度的建立过程一样，通过使用、推广、总结和提高之后，将会制定出以在线监测为基础 的电力设备状态检修标准，逐步建立完善的电力系统状态检修制度。
发明内容
本发明的目的是提供一种氧化锌避雷器在线监测系统，在运行电压下对避雷器的绝缘性 能进行动态监测，测试结果准确可靠，而且测试过程简单、试验周期短、不易受人为和外界 因素的影响。 本发明所采用的技术方案是，氧化锌避雷器在线监测系统，包括微处理器，微处理器分 别与A/D转换单元、雷击计数模块和GPRS通信模块相连接，A/D转换单元分别与泄漏电流采样 模块和电压采样模块相连接，微处理器的结构中设置有输入/输出接口、计数器和串行通信 接口，输入/输出接口与A/D转换单元相连接，计数器与雷击计数模块相连接，串行通信接口 与GPRS通信模块相连接，微处理器采用FPGA芯片EP1C6Q240C8。
本发明监测系统利用GPRS的无线传输优势，将监测信息转换为数字信号通过GPRS模块 传输到监测中心服务器端数据库中，使得管理人员在客户端方便地査询MOA的阻性电流分量 值和雷击次数值，实时了解MOA的运行状态信息。结合基次谐波法和双"AT"法的优点，实 现了MOA带电运行时阻性泄漏电流的准确检测，通过液晶显示器显示检测结果，同时将监测 的信息转换为数字信号通过GPRS模块传输到监测中心服务器端数据库中，管理人员可以在客 户端方便地査询MOA阻性电流分量值和雷击次数值，了解MOA的运行状态。整个系统操作简单，监测方便快捷，克服了现有测试仪器体积庞大，操作不便的缺点，可以给出氧化锌避雷器 运行和性能劣化的长期数据资料，有较好的实用价值。
图l是本发明检测系统一种实施例的结构示意图； 图2是本发明监测系统中电压采样模块的结构示意图； 图3是本发明监测系统中泄漏电流采样模块的结构示意图； 图4是本发明监测系统中雷击计数模块的结构示意图5是本发明监测系统的主程序流程框图。
图中，l.微处理器，2.A/D转换单元，3.泄漏电流采样模块，4.电压采样模块，5.雷击 计数模块，6.GPRS通信模块，7.液晶显示器，8.随机存储器，9.氧化锌避雷器。
其中，l-l.输入/输出接口， l-2.通用输入/输出口， l-3.计数器，1-4.串行通信接口，
3- l.泄漏电流传感器，3-2.压敏电阻，3-3.运算放大器A， 3-4.运算放大器B， 4-1.互感器，
4- 2.有源运算放大器，5-l.互感器，5-2.ACAC变换器，5-3.光耦合器，5-4.反相管。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。
本发明监测系统一种实施例的结构，如图1所示。包括微处理器l，信微处理器l分别与 A/D转换单元2、雷击计数模块5、 GPRS通信模块6、液晶显示器7和随机存储器8相连接，A/D 转换单元2分别与泄漏电流采样模块3和电压采样模块4相连接。微处理器l的结构中设置有 输入/输出接口l-l、通用输入/输出口l-2、计数器l-3和串行通信接口l-4;输入/输出接口 l-l与A/D转换单元2相连接，通用输入/输出口l-2分别与液晶显示器7和随机存储器8相连接 ，计数器1-3与雷击计数模块5相连接，串行通信接口1-4与GPRS通信模块6相连接。
微处理器1采用FPGA芯片EP1C6Q240C8，用于接收A/D转换器2输入的信号，并将接收到的 信号进行处理和储存，将处理结果予以显示，用于将处理后的数据送入GPRS通信模块6，用 于接收GPRS通信模块6传输的指令，并将接收到的指令送入A/D转换器2和雷击计数模块5;
A/D转换器2，用于接收泄漏电流采样模块3和电压采样模块4输送的信号，将接收到的信 号进行A/D转换后输入微处理器1，用于接收微处理器l传输的指令，并将接收到的指令分别 传输给泄漏电流采样模块3和电压采样模块4;
泄漏电流采样模块3采用基于有源零磁通技术的BCT-2型电磁式穿芯小电流传感器，用于 接收A/D转换器2输入的指令，并根据接收到的指令采集避雷器的泄漏电流信号，将采集的泄 漏电流信号输入A/D转换器2;电压采样模块4，用于接收A/D转换器2输入的指令，并根据接收到的指令采集避雷器的 电压信号，将采集的电压信号输入A/D转换器2;
雷击计数模块5采用脉冲计数原理，用于采集避雷器遭受雷击的次数信息，并将该信息 传送至微处理器l;
GPRS通信模块6，用于按ETSI GSM Phase 2+标准进行拨号上网、透明数据传输与协议转 换，用于接收微处理器l输送的数据，并将接收到的数据发送至远程监控中心，用于接收远 程监控中心的指令，并将接收到的指令传输给微处理器l 。
本发明监测系统中电压采样模块4的结构，如图2所示。包括互感器4-l，互感器4-l采用 微型电流型电压互感器。互感器4-l一次绕组的上端与电阻Rl串联，电阻R1与互感器4-1一 次绕组的下端之间加有相电压，电阻R1为限流电阻，互感器4-l二次绕组的上端与有源运算 放大器4-2的正向输入端相连接，互感器4-l二次绕组的下端与有源运算放大器4-2的反向输 入端相连接，互感器4-l与有源运算放大器4-2之间、由互感器4-l到有源运算放大器4-2依次 并联有二极管D1和二极管D2， 二极管D1的正极与互感器4-1二次绕组的上端相连接，二极管 Dl的负极与互感器4-1二次绕组的下端相连接，二极管D2的负极与互感器4-1二次绕组的上端 相连接，二极管D2的正极与互感器4-1二次绕组的下端相连接，有源运算放大器4-2的正向输 入端与输出端之间串联有电阻R2，有源运算放大器4-2的输出端还与电容C的一端相连接，电 容C的另一端接地。
电力系统中高压线路的二次侧已经形成了标准的AC (交流)100V电压和5A电流，但从PT 二次侧接线得来的是100V的交流电压信号，不适合后续的比较和采集。根据监测原理，需采 集氧化锌避雷器9运行时的相电压，电压采样模块4中的电阻R1将标准的AC100V电压进行限流 ，并将限流后的电压信号输入互感器4-l，互感器4-l对接收的电压信号进行隔离滤波，使该 电压信号的线性度和角差满足系统的精度要求，然后，将处理后的电压信号输入前置的有源 运算放大器4-2，有源运算放大器4-2对接收的电压信号进行放大后输出，此时通过调节有源 运算放大器4-2的反馈电阻R2，可在有源运算放大器4-2输出端得到所要求的电压输出。
图3所示是本发明监测系统中泄漏电流采样模块3的结构。包括泄漏电流传感器3-l，泄 漏电流传感器3-l采用基于有源零磁通技术的BCT-2型电磁式穿芯小电流传感器。泄漏电流传 感器3-l与压敏电阻3-2并联，构成并联电路，该并联电路的一端与电阻R1的一端相连接，并 联电路的另一端接地；电阻Rl的另一端与运算放大器A3-3的反向输入端相连接，运算放大器 A3-3的反向输入端还分别与电阻R2的一端和运算放大器A3-3的输出端相连接，运算放大器 A3-3的正向输入端与电阻R3串联，电阻R3接地；运算放大器A3-3的的输出端与电阻R5的一端相连接，电阻R5的另一端与运算放大器B3-4的反向输入端相连接，运算放大器B3-4的反向输 入端与运算放大器B3-4的输出端之间串联有电阻R7，运算放大器B3-4的正向输入端与电阻R6 串联，电阻R6接地；运算放大器B3-4输出端的两旁路分别连接有二极管D1和二极管D2， 二极 管D1的负极和二极管D2的正极分别与运算放大器B3-4的输出端相连接，二极管D1的正极接 DGND， 二极管D2的负极接VCC。泄漏电流传感器3-l串联在氧化锌避雷器9的接地线上。
在数据采集领域中，中信号与大信号的采集处理方法已经比较成熟，而小信号的采集与 数据处理无固定模式。小信号本身较微弱，常常淹没在外界干扰及自身产生的噪声中，导致 小信号的采集与分离十分困难。氧化锌避雷器9的泄漏电流是毫安级甚至微安级的小电流， 为了能够准确反映氧化锌避雷器9的泄漏电流，对小电流传感器的基本要求如下(1)能够 适应测量小电流(毫安级)的要求，灵敏度高，同时二次信号应尽可能的大；(2)在测量 范围内线性度好，输出波形不畸变，输出信号与被测信号之间的比值差、角差小，且其差值 稳定，不随其他因素的变化而变化；(3)工作稳定性好，温度系数小且稳定，结构简单， 体积小，具有电磁屏蔽功能，电磁兼容性好。因此，本监测系统泄漏电流采样模块3中的泄 漏电流传感器3-l采用基于有源零磁通技术的BCT-2型电磁式穿芯小电流传感器，将其安装于 氧化锌避雷器9的接地线上，对氧化锌避雷器9的泄漏电流进行采样。并采用运算放大器放进 行信号调理。运算放大器同相输入端(即电阻R2的输入端)为精密电压源提供的2.5V电压， 作为提升电平的参考电压。二极管D1和二极管D2起保护作用，且需保证电压限制在3.3V以内 ，可选用1N4001。压敏电阻3-2钳位输入端电压不能超过给定值。
本发明监测系统中雷击计数模块5的结构，如图4所示，包括互感器5-l、互感器5-l的一 端分别与二极管D1的正极和二极管D2的正极相连接，二极管D1的负极与电容C1串联，二极管 D2的负极分别与电容C2、电阻R1的一端和电阻R2的一端相连接，电阻R2的另一端分别与ACAC 变换器5-2的引脚3和二极管D3的正极相连接，二极管D3的负极与二极管D4的负极相连接，二 极管D4的正极、电阻R1的另一端、电容C2、电容C1和互感器5-1的另一端分别与ACAC变换器 5-2的引脚2相连接，电容C1采用高耐压值电容，二极管D1和二极管D2采用快速恢复二极管。 电阻R1为压敏电阻，电阻R2为水泥电阻。
ACAC变换器5-2的引脚1分别与电容C3、稳压二极管VD1的负极、稳压二极管VD2的负极和 电阻R3的一端相连接，电阻R3的另一端分别与光耦合器5-3中发光二极管的正极和二极管D5 的负极相连接；电容C3、稳压二极管VD1的正极、稳压二极管VD2的正极、二极管D5的正极和 光耦合器5-3中发光二极管的负极分别与ACAC变换器5-2的弓1脚4相连接。
光耦合器5-3中光电三极管的基极接5V电压，该发光三极管的发射极分别接地和电容C4，电容C4与电阻R4并联，电阻R4接光耦合器5-3中光电三极管的集电极，该发光三极管的集 电极还与反相管5-4的引脚1相连接，反相管5-4的引脚2分别与电容C5、 二极管D6的负极、二 极管D7的正极和稳压二极管VD3的负极相连接，电容C5和稳压二极管VD3的正极分别接到二极 管D6的正极接DGND， 二极管D7的负极接3. 3 V电压。
雷击高电压作用于氧化锌避雷器9，在氧化锌避雷器9中产生电流，该电流流入雷击计数 模块5，雷击计数模块5对流入的电流先进行整流限幅处理，经处理后的电流信号由光电耦合 器5-3进行传送，光电耦合器5-3在传送电流信号的同时起到隔离保护的作用，光电耦合器 5-3输出的电流信号通过反相器5-4送到微处理器l的计数器l-3，作为中断脉冲计数。当计数 输入脉冲发生高到低的负跳变时(即下降沿触发)，计数器l-3加"1"。次数送至微处理器 1，微处理器l在原来的基础上对雷击次数进行累加。
GPRS通信模块6将监测到的泄漏电流和雷电计数脉冲等信息通过GPRS/GSM网络进行远距 离传输。GPRS是构架在传统GSM网络之上的一种标准化的分组交换数据业务，它可以提供高 达115kbt/s速率的分组数据业务，使得包括图片、话音和视频的多媒体业务在无线网络中的 传输成为现实。并采用分组交换技术，通信过程中不需要建立和保持电路，符合数据通信突 发性的特点，并且呼叫建立时间很短，能够满足本系统无线通信的要求。
本发明监测系统的主程序流程图，如图5所示，泄漏电流传感器3-1测得的电流信号经过 1/V转换、放大和滤波后送到A/D转换单元2进行采样转换；同时相位差信号送至微处理器l进 行计算处理，得出角度的余弦值，A/D转换的结果也送入微处理器l进行计算处理，然后，将 两个计算结果相乘，得出阻性电流值，由于相间的干扰，采用软件移相法进行移相处理，对 相位进行微调。雷击脉冲信号输入微处理器l时，到压敏电阻3-2的控制，阻性电流的计算过 程停止，此时，进行雷击脉冲的计数。
本发明监测系统的工作过程
微处理器1将接收到的采集指令通过输入/输出接口1-1输出，启动泄漏电流采样模块3、 电压采样模块4和雷击计数模块5，现场采集氧化锌避雷器9的泄漏电流信号和电压信号，并 记录雷电计数脉冲信息，同时将采集的信号和记录的信息输入微处理器l，微处理器l将接收 到的信号和信息通过液晶显示器7予以显示，并存入随机存储器8，同时，微处理器l将接收 到的信号和信息进行处理，当采集一个工频周期的数据后，将处理产生的数据通过GPRS通信 模块6输送至远程监控中心。
本监测系统在运行电压下对氧化锌避雷器9的绝缘性能进行动态监测，测试结果准确可靠， 测试过程简单、试验周期短、不易受人为和外界因素的影响。整个系统操作简单，监测方便快捷，克服了现有测试仪器体积庞大，操作不便的缺点，且可以给出氧化锌避雷器运行和性 能劣化的长期数据资料，有较好的实用价值。
权利要求
1.氧化锌避雷器在线监测系统，其特征在于，包括微处理器(1)，微处理器(1)分别与A/D转换单元(2)、雷击计数模块(5)和GPRS通信模块(6)相连接，A/D转换单元(2)分别与泄漏电流采样模块(3)和电压采样模块(4)相连接，所述微处理器(1)的结构中设置有输入/输出接口(1-1)、计数器(1-3)和串行通信接口(1-4)，输入/输出接口(1-1)与A/D转换单元(2)相连接，计数器(1-3)与雷击计数模块(5)相连接，串行通信接口(1-4)与GPRS通信模块(6)相连接，所述的微处理器(1)采用FPGA芯片EP1C6Q240C8。
2 按照权利要求l所述的监测系统，其特征在于，所述微处理器(1 )的结构还包括通用输入/输出口 (1-2)，通用输入/输出口 (1-2)分别与液晶显示器(7 )和随机存储器(8)相连接。
3 按照权利要求l所述的监测系统，其特征在于，所述的泄漏电流采 样模块(3)的结构泄漏电流传感器(3-1)与压敏电阻(3-2)构成并联电路，该并联电 路的一端与电阻R1的一端相连接，并联电路的另一端接地，电阻R1的另一端与运算放大器A (3-3)的反向输入端相连接，运算放大器A (3-3)的反向输入端分别与电阻R2的一端和运 算放大器A (3-3)的输出端相连接，运算放大器A (3-3)的正向输入端与电阻R3串联，电阻 R3接地，运算放大器A (3-3)的的输出端与电阻R5的一端相连接，电阻R5的另一端与运算放 大器B (3-4)的反向输入端相连接，运算放大器B (3-4)的反向输入端与运算放大器B ( 3-4)的输出端之间串联有电阻R7，运算放大器B (3-4)的正向输入端与电阻R6串联，电阻 R6接地，运算放大器B (3-4)输出端的两旁路分别连接有二极管D1和二极管D2， 二极管D1的 负极和二极管D2的正极分别与运算放大器B (3-4)的输出端相连接，二极管D1的正极接DGND， 二极 管D2的负极接VCC。
4 按照权利要求3所述的监测系统，其特征在于，所述的泄漏电流 传感器(3-1)采用基于有源零磁通技术的BCT-2型电磁式穿芯小电流传感器。
5 按照权利要求l所述的监测系统，其特征在于，所述的电压采样模 块(4)的结构包括互感器(4-1)，互感器(4-1) 一次绕组的上、下端之间加有相电压 ，互感器(4-1) 一次绕组的上端串联有电阻R1，互感器(4-1) 二次绕组的上端与有源运算 放大器(4-2)的正向输入端相连接，互感器(4-1) 二次绕组的下端与有源运算放大器( 4-2)的反向输入端相连接，互感器(4-1)与有源运算放大器(4-2)之间、由互感器( 4-1)到有源运算放大器(4-2)依次并联有二极管D1和二极管D2， 二极管D1的正极与互感器(4-1) 二次绕组的上端相连接，二极管D1的负极与互感器(4-1) 二次绕组的下端相连接， 二极管D2的负极与互感器(4-1) 二次绕组的上端相连接，二极管D2的正极与互感器(4-1) 二次绕组的下端相连接，有源运算放大器(4-2)的正向输入端与输出端之间串联有电阻R2 ，有源运算放大器(4-2)的输出端还与电容C的一端相连接，电容C的另一端接地。
6 按照权利要求5所述的监测系统，其特征在于，所述的互感器( 4-1)采用微型电流型电压互感器。
7 按照权利要求l所述的监测系统，其特征在于，所述的雷击计数模 块(5)的结构包括互感器(5-1)的一端分别与二极管D1的正极和二极管D2的正极相连接 ，二极管D1的负极与电容C1串联，二极管D2的负极分别与电容C2、电阻R1的一端和电阻R2的 一端相连接，电阻R2的另一端分别与ACAC变换器(5-2)的引脚3和二极管D3的正极相连接， 二极管D3的负极与二极管D4的负极相连接，二极管D4的正极、电阻R1的另一端、电容C2、电 容C1和互感器(5-1)的另一端分别与ACAC变换器(5-2)的引脚2相连接，所述ACAC变换器(5-2)的引脚1分别与电容C3、稳压二极管VD1的负极、稳压二极管 VD2的负极和电阻R3的一端相连接，电阻R3的另一端分别与光耦合器(5-3)中发光二极管的 正极和二极管D5的负极相连接，电容C3、稳压二极管VD1的正极、稳压二极管VD2的正极、二 极管D5的正极和光耦合器(5-3)中发光二极管的负极分别与ACAC变换器(5-2)的引脚4相 连接，所述光耦合器(5-3)中光电三极管的基极接5V电压，光耦合器(5-3)中发光三极管 的发射极分别接地和电容C4，电容C4与电阻R4串联，电阻R4接光耦合器(5-3)中光电三极 管的集电极，光耦合器(5-3)中发光三极管的集电极还与反相管(5-4)的引脚l相连接， 反相管(5-4)的引脚2分别与电容C5、 二极管D6的负极、二极管D7的正极和稳压二极管VD3 的负极相连接，电容C5和稳压二极管VD3的正极分别接到，二极管D6的正极接DGND， 二极管 D7的负极接3. 3 V电压。
全文摘要
氧化锌避雷器在线监测系统，包括微处理器，微处理器分别与A/D转换单元、雷击计数模块和GPRS通信模块相连接，A/D转换单元分别与泄漏电流采样模块和电压采样模块相连接，微处理器的结构包括输入/输出接口、计数器和串行通信接口，输入/输出接口与A/D转换单元相连接，计数器与雷击计数模块相连接，串行通信接口与GPRS通信模块相连接，微处理器采用FPGA芯片EP1C6Q240C8。本发明监测系统在运行电压下对氧化锌避雷器的绝缘性能进行动态监测，测试结果准确可靠，测试过程简单、试验周期短、不易受人为和外界因素的影响，并能提供氧化锌避雷器运行和性能劣化的长期数据资料，有较好的实用价值。
文档编号G01R31/00GK101581748SQ200910303568
公开日2009年11月18日 申请日期2009年6月24日 优先权日2009年6月24日
发明者强建军, 云 章, 黄新波 申请人:西安工程大学