一種金屬氧化物避雷器在線監(jiān)測(cè)裝置及其監(jiān)測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種金屬氧化物避雷器在線監(jiān)測(cè)裝置及其監(jiān)測(cè)方法，包括：主控芯片，采集泄漏電流信號(hào)和電壓信號(hào)的數(shù)據(jù)采集模塊，接收數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)并計(jì)算出阻性電流傳送到主控芯片的后臺(tái)算法處理模塊，交互連接于主控芯片的人機(jī)交互組件；數(shù)據(jù)采集模塊包括：用于測(cè)量金屬氧化物避雷器避雷器兩端的電壓以及金屬氧化物避雷器避雷器的泄露電流的電壓電流測(cè)量模塊，接收電壓電流測(cè)量模塊的信號(hào)并進(jìn)行濾波處理的濾波模塊，接收濾波模塊的信號(hào)并進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換的AD轉(zhuǎn)換模塊。本發(fā)明提供一種金屬氧化物避雷器在線監(jiān)測(cè)裝置及其監(jiān)測(cè)方法，本發(fā)明充分考慮電壓中的諧波對(duì)阻性電流提取的影響，可以很好的減小由于諧波電壓對(duì)阻性電流提取的干擾，提高在線監(jiān)測(cè)的效率與準(zhǔn)確性。
【專利說明】
-種金屬氧化物避雷器在線監(jiān)測(cè)裝置及其監(jiān)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及電氣設(shè)備測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種金屬氧化物避雷器在線監(jiān)測(cè)裝置 及其監(jiān)測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 金屬氧化物避雷器避雷器(M0A)具有非線性特性好、通流量大、保護(hù)性能優(yōu)越等優(yōu) 良特性，是電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的主要裝置。M0A長(zhǎng)期在線工作受到熱破壞、暫態(tài)、諧態(tài)過電壓 沖擊W及內(nèi)部潮濕等因素的影響，加速金屬氧化物避雷器避雷器的老化劣化，導(dǎo)致避雷器 損壞，最終使避雷器喪失保護(hù)作用。因此對(duì)運(yùn)行中的避雷器進(jìn)行監(jiān)測(cè)是電力系統(tǒng)安全可靠 運(yùn)行的重要保證。國(guó)內(nèi)外許多研究成果指出，M0A老化、內(nèi)部受潮W及絕緣性能不良時(shí)，泄漏 電流會(huì)增加，其中阻性電流分量增加明顯，因此阻性電流是監(jiān)測(cè)避雷器運(yùn)行狀態(tài)的重要參 量。
[0003] 經(jīng)典的容性電流補(bǔ)償法不能去除容性電流中的諧波分量，運(yùn)樣的諧波分量會(huì)混入 阻性電流中，導(dǎo)致該算法的阻性電流產(chǎn)生誤差，從而影響阻性電流的提取精度，容易造成對(duì) 金屬氧化物避雷器狀態(tài)的誤判。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種金屬氧化物避雷器在線監(jiān)測(cè) 裝置及其監(jiān)測(cè)方法，本發(fā)明充分考慮電壓中的諧波對(duì)阻性電流提取的影響，可W很好的減 小由于諧波電壓對(duì)阻性電流提取的干擾，提高在線監(jiān)測(cè)的效率與準(zhǔn)確性。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：
[0006] -種金屬氧化物避雷器在線監(jiān)測(cè)裝置，包括:主控忍片，采集泄漏電流信號(hào)和電壓 信號(hào)的數(shù)據(jù)采集模塊，接收數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)并計(jì)算出阻性電流傳送到主控忍片的后臺(tái) 算法處理模塊，交互連接于主控忍片的人機(jī)交互組件;數(shù)據(jù)采集模塊包括：用于測(cè)量金屬氧 化物避雷器避雷器兩端的電壓W及金屬氧化物避雷器避雷器的泄露電流的電壓電流測(cè)量 模塊，接收電壓電流測(cè)量模塊的信號(hào)并進(jìn)行濾波處理的濾波模塊，接收濾波模塊的信號(hào)并 進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換的AD轉(zhuǎn)換模塊。
[0007] 前述的一種金屬氧化物避雷器在線監(jiān)測(cè)裝置，人機(jī)交互組件組成有:連接于主控 忍片的GPRS模塊，連接于GPRS模塊的PC機(jī)，連接于PC機(jī)的顯示模塊。
[000引前述的一種金屬氧化物避雷器在線監(jiān)測(cè)裝置，后臺(tái)算法處理模塊包括：電壓信號(hào) 讀取模塊，用于對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行90°移相的移相器，接收并檢測(cè)移相器傳遞來的電壓信號(hào)的 波形檢測(cè)器，用于對(duì)讀取的電壓信號(hào)進(jìn)行FFT分析FFT模塊，泄漏電流讀取模塊，連接于電壓 信號(hào)讀取模塊、泄漏電流讀取模塊的過零檢測(cè)器，連接于FFT模塊和過零檢測(cè)器并計(jì)算出晶 介電容值C和電容補(bǔ)償系數(shù)G的G、C計(jì)算模塊，連接于波形檢測(cè)器和G、C計(jì)算模塊的乘法器， 連接于乘法器和泄露電流模塊的減法器。
[0009]前述的一種金屬氧化物避雷器在線監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)方法包括如下步驟：
[0010] (1)獲取金屬氧化物避雷器避雷器的初始電壓uW及初始泄漏電流ix;
[0011] (2)將初始電壓信號(hào)進(jìn)行FFT分析，得到基波電壓幅值m、3次諧波電壓幅值U3W及 頻率W;
[0012] (3)將初始電壓和泄露電流通過過零檢測(cè)器，找到初始電壓為零時(shí)刻對(duì)應(yīng)的泄漏 電流ix(to);
[001引（4)將步驟2、3所得到的基波電壓幅值山、3次諧波電壓幅值U3、頻率W、泄漏電流ix (to)帶入式(1)得到晶介電容值C，
[0014]
[001引（5)將步驟2、4所得到的基波電壓幅值山、3次諧波電壓幅值U3、頻率W、晶介電容值C 帶入式(2)得到電容補(bǔ)償系數(shù)G，
[0016]
[0017] (6)將初始電壓信號(hào)通過移相器逆時(shí)針移相90°，通過波形檢測(cè)得到移相后的電壓 Usf ；
[001引（7)將步驟5、6所得到的電容補(bǔ)償系數(shù)G、電壓Usf通過乘法器相乘；
[0019] (8)將步驟1所獲取的泄漏電流ixW及步驟7所得到的結(jié)果通過減法器相減，得到 阻性電流分量iR;
[0020] (9)將步驟8所得到的阻性電流分量iR上傳至主控忍片，通過主控忍片將數(shù)據(jù)傳送 至顯示模塊W及GPRS模塊；
[0021] (lO)GPRS模塊將步驟9所得到的數(shù)據(jù)傳送至PC機(jī)。
[0022] 本發(fā)明的有益之處在于:本發(fā)明提供一種金屬氧化物避雷器在線監(jiān)測(cè)裝置及其監(jiān) 測(cè)方法，可W實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬氧化物避雷器的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)本發(fā)明的方法考慮了諧波電 壓對(duì)容性電流補(bǔ)償法的影響，可W很好的減小由于諧波電壓對(duì)阻性電流提取的干擾，提高 了提取的準(zhǔn)確性，從而減小由于諧波干擾造成的對(duì)金屬氧化物避雷器實(shí)際情況的誤判，裝 置結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單，方法簡(jiǎn)單可行，在實(shí)際監(jiān)測(cè)中具有很高的實(shí)用價(jià)值，節(jié)約成本，經(jīng)濟(jì)高效。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖2為本發(fā)明后臺(tái)算法處理模塊一種實(shí)施例的示意圖；
[0025] 圖3為本發(fā)明一種實(shí)施例的等效模型圖；
[0026] 圖4為本發(fā)明提取阻性電流與實(shí)際阻性電流對(duì)比效果圖；
【具體實(shí)施方式】
[0027] W下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作具體的介紹。
[0028] -種金屬氧化物避雷器在線監(jiān)測(cè)裝置，包括:主控忍片，采集泄漏電流信號(hào)和電壓 信號(hào)的數(shù)據(jù)采集模塊，接收數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)并計(jì)算出阻性電流傳送到主控忍片的后臺(tái) 算法處理模塊，交互連接于主控忍片的人機(jī)交互組件;數(shù)據(jù)采集模塊包括：用于測(cè)量金屬氧 化物避雷器避雷器兩端的電壓W及金屬氧化物避雷器避雷器的泄露電流的電壓電流測(cè)量 模塊，接收電壓電流測(cè)量模塊的信號(hào)并進(jìn)行濾波處理的濾波模塊，接收濾波模塊的信號(hào)并 進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換的AD轉(zhuǎn)換模塊。
[0029] 人機(jī)交互組件組成有:連接于主控忍片的GPRS模塊，連接于GPRS模塊的PC機(jī)，連接 于PC機(jī)的顯示模塊。
[0030] 后臺(tái)算法處理模塊包括：電壓信號(hào)讀取模塊，用于對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行90°移相的移相 器，接收并檢測(cè)移相器傳遞來的電壓信號(hào)的波形檢測(cè)器，用于對(duì)讀取的電壓信號(hào)進(jìn)行FFT分 析FFT模塊，泄漏電流讀取模塊，連接于電壓信號(hào)讀取模塊、泄漏電流讀取模塊的過零檢測(cè) 器，連接于FFT模塊和過零檢測(cè)器并計(jì)算出晶介電容值C和電容補(bǔ)償系數(shù)G的G、C計(jì)算模塊， 連接于波形檢測(cè)器和G、C計(jì)算模塊的乘法器，連接于乘法器和泄露電流模塊的減法器。后臺(tái) 算法處理模塊的運(yùn)行步驟是:先通過電壓電流讀取模塊讀取主控忍片中的電壓W及泄露電 流，再通過FFT模塊對(duì)讀取的電壓信號(hào)進(jìn)行FFT分析，再通過過零檢測(cè)器對(duì)讀取的電壓、泄露 電流進(jìn)行過零檢測(cè)得到的ix(t〇)、W、山、U3，G、C模塊用得到的ix(t〇)、W、山、U3計(jì)算晶介電容值 C、電容補(bǔ)償系數(shù)G;移相器對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行90°移相，波形檢測(cè)器檢測(cè)移相后的電壓信號(hào)，使 用乘法器將移相后的電壓與G相乘;使用減法器將泄露電流與移相器所得結(jié)果相減，從而得 到阻性電流。
[0031] 本發(fā)明的方法考慮了諧波電壓對(duì)容性電流補(bǔ)償法的影響，可W很好的減小由于諧 波電壓對(duì)阻性電流提取的干擾，提高了提取的準(zhǔn)確性，從而減小由于諧波干擾造成的對(duì)金 屬氧化物避雷器實(shí)際情況的誤判;金屬氧化物避雷器在線監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)方法包括如下步 驟：
[0032] (1)獲取金屬氧化物避雷器避雷器的初始電壓uW及初始泄漏電流ix;
[0033] (2)將初始電壓信號(hào)進(jìn)行FFT分析，得到基波電壓幅值m、3次諧波電壓幅值U3W及 頻率W;
[0034] (3)將初始電壓和泄露電流通過過零檢測(cè)器，找到初始電壓為零時(shí)刻對(duì)應(yīng)的泄漏 電流ix(to);
[0035] (4)將步驟2、3所得到的基波電壓幅值m、3次諧波電壓幅值U3、頻率W、泄漏電流ix (to)帶入式(1)得到晶介電容值C，
[0036]
[0037] (5)將步驟2、4所得到的基波電壓幅值m、3次諧波電壓幅值U3、頻率W、晶介電容值C 帶入式(2)得到電容補(bǔ)償系數(shù)G，
[00；3 引
[0039] (6)將初始電壓信號(hào)通過移相器逆時(shí)針移相90°，通過波形檢測(cè)得到移相后的電壓 Usf ；
[0040] (7)將步驟5、6所得到的電容補(bǔ)償系數(shù)G、電壓Us述過乘法器相乘；
[0041] (8)將步驟1所獲取的泄漏電流ixW及步驟7所得到的結(jié)果通過減法器相減，得到 阻性電流分量iR;
[0042] (9)將步驟8所得到的阻性電流分量iR上傳至主控忍片，通過主控忍片將數(shù)據(jù)傳送 至顯示模塊W及GPRS模塊；
[00創(chuàng) （lO)GPRS模塊將步驟9所得到的數(shù)據(jù)傳送至PC機(jī)。
[0044] 需要說明的是:金屬氧化物避雷器在線監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)方法中的公式（1)(2)的推 導(dǎo)過程為:金屬氧化物避雷器在正常工作時(shí)，流過避雷器內(nèi)部的工頻電流非常小，避雷器處 于小電流區(qū)。在小電流區(qū)，M0A模型可W簡(jiǎn)化地等效為如圖3所述的由電容與非線性電阻并 聯(lián)的模型。圖3中，ix為避雷器泄漏電流，iR為非線性電阻產(chǎn)生的阻性電流，i。為電容產(chǎn)生容 性電流，U為避雷器兩端的電壓。避雷器泄漏電流ix為阻性電流iR與容性電流ic之和。
[0045] 經(jīng)典的容性電流補(bǔ)償法原理是將泄漏電流ix中的容性電流分量ic補(bǔ)償?shù)?，從而?到阻性電流iR，其原理可W用式(3)表示：
[0046]
[0047] 當(dāng)容性電流補(bǔ)償?shù)魰r(shí)，ix-Gusf即為阻性電流，可得 [004引 iR=ix-Gusf (4)
[0049]設(shè)電網(wǎng)中含有3次諧波電壓，作用在M0A上的電壓可W表示為：
[0化0] u =山 sin(wt)+U3sin(3wt)巧）
[0051] m和U3分別為基波和3次諧波的幅值。
[0052] 容性電流為：
[0化3]
[0054] 阻性電流為：
[0055] 1R= lRisinwt+lR3sin3wt (7)
[0056] Iri和Ir3分別為MOA阻性電流的基波電流和3次諧波電流幅值。
[0057] 將(5)、（6)、（7)代入(3)式，可W求得補(bǔ)償系數(shù)G為：
[0化引
[0059] 此時(shí)，由式(4)可得到諧波電壓下的阻性電流值，
[0060]
[0061] 將式(9)與式(7)相比較，可W知道在電網(wǎng)電壓加入諧波后，電網(wǎng)中的諧波電壓會(huì) 對(duì)阻性電流產(chǎn)生影響，考慮了諧波電壓的補(bǔ)償系數(shù)G如式(8)所示可W看出不僅與基波電壓 有關(guān)還和電壓頻率W及3次諧波電壓幅值相關(guān)。
[0062] 當(dāng)在避雷器兩端的電壓過零時(shí)，流過避雷器的阻性電流iR為零，此時(shí)流過避雷器 的全電流ix與金屬氧化物避雷器閥片的容性電流分量相等。在含有3次諧波的電壓時(shí)，全電 流ix可W表示為：
[0063]
[0064] 設(shè)在to時(shí)刻，加載在金屬氧化物避雷兩端的電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值為零，此時(shí)可W電壓 可由下式表示：
[00化] u(to)=山 sinwto+U3sin3wto = 0 (11)
[0066] 進(jìn)一步地可W得到在電壓過零情況下金屬氧化物避雷的全電流ix(to)的值：
[0067] ix(to) = iR(to)+wc(山 coswto+3u3cos3wto) (12)
[0068] 根據(jù)電壓過零時(shí)的特點(diǎn)，由式（12)可W得到電壓過零情況下金屬氧化物避雷器閥 片上的晶介電容值：
[0069]
[0070] 由于M0A閥片的晶介電容可W近似的認(rèn)為不變，因此可W認(rèn)為式（13)所得的電容 值即為M0A的晶介電容值。
[0071] 將式(13)帶入(8)式中可W得到含有電壓諧波下的補(bǔ)償系邀
[0072] 并利用式(4)求得諧波電壓下的阻性電流值。
[0073] 使用本發(fā)明所用的方法所得到的阻性電流和實(shí)際阻性電流的效果對(duì)比圖如圖4所 示。圖4顯示，本發(fā)明所提取的阻性電流與金屬氧化物避雷器的實(shí)際阻性電流有很好的一致 性，說明本方法可W很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬氧化物避雷器的在線監(jiān)測(cè)。通過分析圖4可W得到， 金屬氧化物避雷器的全電流W及阻性電流數(shù)值較為穩(wěn)定，波形具有周期性和對(duì)稱性，符合 M0A的實(shí)際運(yùn)行情況。圖4中的實(shí)際阻性電流與本文方法提取的阻性電流波形圖大部分區(qū)域 較為一致，在電流過零時(shí)刻本文提取的電流波形有較小的抖動(dòng)，可能是由于電網(wǎng)電壓中含 有少量的高次諧波W及金屬氧化物避雷器自身的非線性原件產(chǎn)生的自身內(nèi)部諧波的影響， 本發(fā)明為簡(jiǎn)化計(jì)算忽略了數(shù)量較小的電網(wǎng)高次諧波的影響，但總的阻性曲線一致性較高， 滿足了實(shí)際監(jiān)測(cè)過程的需要。
[0074] 本發(fā)明提供一種金屬氧化物避雷器在線監(jiān)測(cè)裝置及其監(jiān)測(cè)方法，可W實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬 氧化物避雷器的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)本發(fā)明的方法考慮了諧波電壓對(duì)容性電流補(bǔ)償法的影 響，可W很好的減小由于諧波電壓對(duì)阻性電流提取的干擾，提高了提取的準(zhǔn)確性，從而減小 由于諧波干擾造成的對(duì)金屬氧化物避雷器實(shí)際情況的誤判，裝置結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單，方法簡(jiǎn)單 可行，在實(shí)際監(jiān)測(cè)中具有很高的實(shí)用價(jià)值，節(jié)約成本，經(jīng)濟(jì)高效。
[0075] W上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該 了解，上述實(shí)施例不W任何形式限制本發(fā)明，凡采用等同替換或等效變換的方式所獲得的 技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種金屬氧化物避雷器在線監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，包括:主控芯片，采集泄漏電流 信號(hào)和電壓信號(hào)的數(shù)據(jù)采集模塊，接收上述數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)并計(jì)算出阻性電流傳送到 上述主控芯片的后臺(tái)算法處理模塊，交互連接于上述主控芯片的人機(jī)交互組件；上述數(shù)據(jù) 采集模塊包括：用于測(cè)量金屬氧化物避雷器避雷器兩端的電壓以及金屬氧化物避雷器避雷 器的泄露電流的電壓電流測(cè)量模塊，接收上述電壓電流測(cè)量模塊的信號(hào)并進(jìn)行濾波處理的 濾波模塊， 接收上述濾波模塊的信號(hào)并進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換的AD轉(zhuǎn)換模塊。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬氧化物避雷器在線監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，上述人機(jī) 交互組件組成有:連接于上述主控芯片的GPRS模塊，連接于上述GPRS模塊的PC機(jī)，連接于上 述PC機(jī)的顯示模塊。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬氧化物避雷器在線監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，上述后臺(tái) 算法處理模塊包括：電壓信號(hào)讀取模塊，用于對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行90°移相的移相器，接收并檢 測(cè)上述移相器傳遞來的電壓信號(hào)的波形檢測(cè)器，用于對(duì)讀取的電壓信號(hào)進(jìn)行FFT分析FFT模 塊，泄漏電流讀取模塊，連接于上述電壓信號(hào)讀取模塊、泄漏電流讀取模塊的過零檢測(cè)器， 連接于上述FFT模塊和過零檢測(cè)器并計(jì)算出晶介電容值C和電容補(bǔ)償系數(shù)G的G、C計(jì)算模塊， 連接于上述波形檢測(cè)器和G、C計(jì)算模塊的乘法器，連接于上述乘法器和泄露電流模塊的減 法器。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬氧化物避雷器在線監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)方法，其特征在 于，包括如下步驟： (1) 獲取金屬氧化物避雷器避雷器的初始電壓u以及初始泄漏電流ix; (2) 將初始電壓信號(hào)進(jìn)行FFT分析，得到基波電壓幅值m、3次諧波電壓幅值u3以及頻率 W； (3) 將初始電壓和泄露電流通過過零檢測(cè)器，找到初始電壓為零時(shí)刻對(duì)應(yīng)的泄漏電流ix (to)； (4) 將步驟2、3所得到的基波電壓幅值m、3次諧波電壓幅值u3、頻率w、泄漏電流ix(t〇)帶 入式(1)得到晶介電容值C，(5) 將步驟2、4所得到的基波電壓幅值m、3次諧波電壓幅值u3、頻率w、晶介電容值C帶入 式(2)得到電容補(bǔ)償系數(shù)G，(6) 將初始電壓信號(hào)通過移相器逆時(shí)針移相90°，通過波形檢測(cè)得到移相后的電壓usf; (7) 將步驟5、6所得到的電容補(bǔ)償系數(shù)G、電壓usf通過乘法器相乘； (8) 將步驟1所獲取的泄漏電流ix以及步驟7所得到的結(jié)果通過減法器相減，得到阻性電 流分量iR; (9) 將步驟8所得到的阻性電流分量iR上傳至主控芯片，通過主控芯片將數(shù)據(jù)傳送至顯 示模塊以及GPRS模塊； (10 )GPRS模塊將步驟9所得到的數(shù)據(jù)傳送至PC機(jī)。
【文檔編號(hào)】G01R31/00GK106066437SQ201610539054
【公開日】2016年11月2日
【申請(qǐng)日】2016年7月8日
【發(fā)明人】行鴻彥, 何貴先
【申請(qǐng)人】南京信息工程大學(xué)