±500 kV高压换流站直流侧避雷器在线监测装置的研制

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(1.河南平高电气股份有限公司，河南 平顶山 467001； 2.东北电力大学理学院，吉林 吉林 132012)

0 引言

随着科学技术的发展及自动化水平的提高，电力系统高压设备的检修手段也在逐步改进，状态监测、状态评估及状态检修是未来电力系统的必然方向[1-2]。金属氧化物避雷器(MOA)作为电力系统重要的过电压保护设备，其本身运行状况的好坏将直接影响到电力系统的安全，因此对金属氧化物避雷器进行在线监测就显得尤为重要，这不仅是实现状态检修的基础，也是智能电网发展的必然要求。

金属氧化物避雷部的核心部件是电阻片，电阻片具有极为优越的非线性特性[3-5]。正常工作电压下，流过电阻片的电流仅为微安级[6]，但是长期的在工频电压下工作会使电阻片的非线性发生变化，导致流过电阻片的泄漏电流增加，泄漏电流的增加直接使电阻片温度上升而发生热崩溃，严重时直接引起避雷器的爆炸。为了防患事故的发生，本文在分析其电气特性的基础上，设计了一种基于STM32F407的避雷器在线监测系统，实现对±500 kV高压换流站直流侧避雷器的泄漏电流和动作次数的实时监测，其中泄漏电流的大小直接反映了金属氧化物避雷器性能的好坏，是避雷器能否正常运行的重要判据，同时该监测系统还可将监测数据通过通信技术传输至后台管理系统以供用户直接进行避雷器状态的分析与诊断。

1 氧化锌避雷器的电气特性分析

在正常的系统运行电压下，金属氧化物避雷器的总泄漏电流主要由瓷套泄漏电流、绝缘杆泄漏电流和电阻片泄漏电流3个部分组成[7-9]。一般而言，电阻片泄漏电流不会发生突变，只有在污秽或内部受潮时才会引起电阻片的泄漏电流的增大[10-11]。考虑到在直流侧的金属氧化物避雷器不存在杂散电容，故笔者将直流侧金属氧化物避雷器用一个阻值可变的阻性电路进行等效，见图1。图中：IR为阻性泄漏电流；U为电网电压。基于直流测金属氧化物避雷器可用阻性电路进行等效这一特性，通过实时监测电阻片的泄漏电流的变化来反映避雷器是否受到老化、受潮和污秽等因素的影响。由避雷器老化时的阻性电流曲线图可知，在相同电压百分比下避雷器老化(不同的温度等级下)时泄漏电流IR明显增大，见图2。

图1 直流侧金属氧化物避雷器等效模型图Fig.1 Equivalent model diagram of Dc side metal oxide arrester

图2 避雷器不同老化程度时的泄漏电流曲线图Fig.2 Diagram of the leakage current of arrester at different ages

2 系统详细方案设计

根据图2的不同老化程度时的泄漏电流呈明显增大趋势，当增大到一定程度时，金属氧化物避雷器就会出现爆炸的可能。故亟待需要设计一套完善的监测泄漏电流的在线监测装置。笔者根据现场工程的需要，结合现有的在线监测装置，设计了一套基于STM32F407的数字式高压换流站直流侧避雷器用在线监测装置。该监测装置的系统总体方案设计见图3。

图3 避雷器在线监测装置总体方案Fig.3 Plan of the arrester on-line monitoring device

在图3所示的在线监测系统方案中泄漏电流和动作次数的采集使用特定的传感器，处理器采用STM32F407的主控芯片，将采集的泄漏电流在处理器内部进行模/数转换；动作次数在处理器中有专门的计数接口；同时通过RS-485物理通讯接口将泄漏电流和动作次数等参数远传至状态监测系统内。具体的实现原理及方法将在2.1节、2.2节和2.3节进行详细的讨论。

2.1 硬件电路设计

2.1.1 CPU核心模块设计

系统控制核心为德州仪器公司的STM32F407，完成直流侧避雷器的泄漏电流、基准参考电压的采集、避雷器动作次数的计数、RS-485的通信功能，同时完成系统控制的条件判定与策略实现，该芯片具有强大的嵌入式控制功能和完善的事件管理能力使其完全满足本系统的要求，同时具有强大的扩展潜力；系统外部晶振为25 MHz，经ARM内部多次倍频之后，可以使ARM主控芯片工作在168 MHz，完全满足功能需要。

2.1.2 电源模块设计

根据现场工程的需要，该直流侧避雷器的在线监测系统的电源输入直接采取现场的直流24 V输入。而在本监测系统中主控芯片的供电为3.3 V、通信电路的供电为5 V，故需要设计出一种功耗低、安全隔离、抗干扰能力强的电源电路。DC 24 V转DC 5 V的电源电路见图4。

图4 DC 24 V转DC 5 V的电源电路Fig.4 DC 24 V to DC 5 V power circuit

图4中，G1、G2、RV1(G1、G2为固体放电管；RV1为压敏电阻)构成了电源电路的前端保护；L1为共模扼流圈(滤除共模干扰信号)；T1、T2、T3构成电源电路的稳压保护；U1为德州仪器公司的24 V转5 V DC-DC转换芯片DCV012405P，该电压转换器是隔离型芯片，抗干扰能力强。

DC 5 V转3.3 V电路见图5。采用AMS公司的AMS1117线性稳压芯片，该芯片固定输出为3.3 V，给STM32F407主控芯片供电。

图5 DC 5 V转3.3 V电路Fig.5 DC 5 V to DC 3.3 V power circuit

在图5中，U2为线性稳压芯片AMS1117；C30、C31为输入端稳压滤波电容；C32、C33为输出端稳压滤波电容。

2.1.3 泄漏电流采集模块设计

在高压换流站直流侧避雷器用在线监测装置中需实时监测其泄漏电流和动作次数等参数。在现场变电站环境中，能够精确的测量到泄漏电流的大小显得至关重要，为能够精确测量到避雷器的泄漏电流，本文采用差分放大负反馈技术实现对避雷器泄漏电流信号的精确采集和放大，采集后的信号输入CPU进行处理，泄漏电流采集模块见图6。

图6 泄漏电流采集模块示意图Fig.6 Module schematic of leakage current collection

图6中，I部分为泄漏电流差分转换部分；II部分为泄漏电流的负反馈环节。其中，R2～R4是灵敏度较高的差分转换电阻；R1是负反馈电阻，其将采集到的泄漏电流进行负反馈；U1是一个灵敏度较高的放大器，VDD1是一个1.25 V的基准参考电压，VDD2是给U1供电的电源。A/D采样采用的是STM32F407内部自带的12位模数转换器，模拟输入电压必须要求为0～3.3 V，而在工程现场中，泄漏电流存在负值(负值最小值在-0.9 V)的可能，故本文在设计采样电路中使用了VDD1的基准参考电压，依据加法器的原理将可能出现的负值转换为正值通过采样电路输入至主控芯片的I/O口。设泄漏电流为i，输入至主控芯片的电压值为U0，则可得：

(1)

采集部分使用STM32F407的ADC和DMA模块相配合的方式，这样ADC采集数据完成后，DMA自动的把ADC采集的数据直接转移至内存中的变量ADC_ConvertedValue中。

2.1.4 动作次数采集模块设计

在对直流侧避雷器的实时监测方面除了需要实时监测避雷器的泄漏电流外还需要对避雷器的动作次数进行实时监测，以利于用户可以通过查阅最近的避雷器动作次数和时间进行相关的评估与诊断。在工程应用现场，传统的动作计数电路在抵御电磁干扰方面存在严重的不足[12-13]，为使动作次数的计数更准确并具有一定的抗扰动能力，本文采用光电隔离技术，使外回路与处理器回路通过光耦进行电气上的隔离，避免将外回路的电磁干扰引入处理器内部，提高动作计数的可靠性。见图7。

图7 动作次数计数模块示意图Fig.7 Module schematic of action count

图中：Ui为动作计数器计数输入，电阻R1和快恢复二极管D1构成了保护环节；T1是抗干扰能力较高的光电隔离模块，共模抑制比较高、输出特性成线性特性和电流传输快。文中所设计的动作次数计数模块集过电压保护和光电隔离于一体，抗电磁干扰能力强、无触点、寿命长、响应速度快。

2.1.5 RS-485通信模块设计

监测装置与后台监测系统之间采用RS-485通信，满足高压换流站直流侧避雷器的泄漏电流和动作次数等信息传输的要求，见图8。

图中：U3为MAX485转换芯片，其抗干扰能力较好，广泛应用于通信电路中；G3、G4、G5、T1、T2为起保护作用的放电管。

图8 RS-485通信电路Fig.8 RS-485 communication circuit

2.2 软件系统设计

软件采用模块化设计，主要包括系统运行参数设置模块、泄漏电流采集模块、动作次数采集模块、数据分析判断及状态指示模块。系统软件流程图见图9。

图9 在线监测系统的系统流程图Fig.9 The system flow chart of on-line monitoring system

系统程序运行时，首先完成系统参数的初始化，以确保整个系统软件中各个子程序的功能实现及系统运行的稳定性。在进行初始化配置时需要在程序工程项目中添加ST公司提供的固件函数库，实现对相应寄存器及外设的驱动。系统及外设初始化包括时钟、嵌套向量中断控制器、GPIO口、ADC转换、定时器初始化配置、各通信接口及外围电路模块的初始化配置。

2.3 上位机远程监控软件设计

直流侧避雷器在线监测上位机远程监控软件主要实现如下功能：Ⅰ.数据实时监测，如雷击次数、泄漏电流大小和转换电压大小的监测；Ⅱ.参数设置与阈值设置：如光口阈值和从机地址的修改等；Ⅲ.运行状态和参数记忆、回忆和跟踪。当停电或者其他原因造成系统停止运行时，能够记忆运行状态和参数。系统重新启动运行时，能够自动回忆并跟踪先前运行状态和参数。

图10 上位机监控软件图Fig.10 Diagrams of above machine monitors software

3 试验研究及结果分析

为验证本文所研制系统的有效性和可行性，在廊坊东芝公司的罐式直流避雷器上安装本在线监测仪，通过试验得到表1所示的泄漏电流的采样数据对比值；同时在规定时间内给在线监测仪不同的雷击次数，在后台监控软件中观察到了雷击次数的数值，见表2。

表1 泄漏电流采样数据对比表Table 1 Leakage current sampling data comparison table

注：泄漏电流，指实际的泄漏电流的大小，单位为mA；实测电流，指采集到的输入I/O口的实际电流值，单位为mA；转换电压，通过转换之后的在后台监测软件内读取的转换电压，单位为V。

表2 动作次数的采样数据对比表Table 2 The comparison table of the sample data for the number of actions

注：实际雷击次数，指模拟的实际雷击次数；采集雷击次数，指通过使用在线监测仪采集到的雷击次数。

从表1可看出，本系统可以在试验条件下高精度的采集到泄漏电流，实际电压值基本和采集到的转换电压值相吻合，采集误差在1%以下。从表2可看出，本系统可以在试验条件下高精度的采集到雷击的动作次数，在5 min的时间内模拟的雷击次数从5、8、11、14、17、20逐渐升高，而在本系统中能够在规定时间内准备无误的采集到雷击次数，实际模拟的雷击次数和通过在线监测系统采集到的雷击次数相吻合，采集准确度在100%。

4 结语

本文从工程应用角度出发设计一套±500 kV换流站高压直流侧的金属氧化物避雷器在线监测装置。在分析避雷器电气特性的基础上，采用全新的数字化方法对避雷器泄漏电流等参数进行实时在线监测，该系统测量精度高，具有较好的抗干扰性，能够在恶劣的电磁环境中正常运行，有效提高了高压直流侧避雷器的安全运行水平，为实现避雷器的状态检修提供了数据支撑，符合高压一次设备智能化的发展要求。