绝缘子闪络电流的监测方法和监测装置与流程

本发明涉及高压输电领域，特别是涉及一种绝缘子闪络电流的监测方法和监测装置。

背景技术：

合成绝缘子在我国高压和超高压、特高压输电中应用广泛，高压和超高压、特高压输电线路穿越地区地形复杂、环境恶劣，当发生雷电闪络、污闪、断裂、鸟害及其不明原因闪络等事故时，绝缘子闪络造成的局部绝缘损伤往往没有明显的破坏痕迹，巡线工作十分艰苦，并且花费大量的时间。

闪络瞬间流过绝缘子表面的电流中包含了与闪络类型有关的重要信息，对绝缘子闪络瞬间的电流波形进行监测是开展后续闪络原因的分析及机理研究，采取有效的措施预防闪络以及提高输电可靠性等工作的重要基础。而目前尚无对绝缘子闪络瞬间的电流波形实时监测的方法及装置。

技术实现要素：

基于此，有必要针对现有输电系统无法对绝缘子闪络瞬间的电流波形进行实时监测的问题，提供一种可以对绝缘子闪络瞬间的电流波形进行实时监测的绝缘子闪络电流的监测方法和监测装置。

一种绝缘子闪络电流的监测方法，包括步骤：

采集绝缘子的电流信号，并将电流信号转换为电压信号；

将电压信号进行处理，得到输出信号；

对输出信号进行连续采样，当输出信号的幅值超过预设值时，保存幅值超过预设值的输出信号的波形。

一种绝缘子闪络电流的监测装置，包括：

电流采集模块，用于采集绝缘子的电流信号，并将电流信号转换为电压信号；

信号调理模块，用于对电压信号进行处理，得到输出信号；

波形捕捉模块，用于对输出信号进行连续采样，当输出信号的幅值超过预设值时，保存幅值超过预设值的输出信号的波形。

上述绝缘子闪络电流的监测方法和监测装置，首先采集绝缘子电流信号，并将绝缘子电流信号转换为电压信号，再将电压信号进行处理，得到输出信号，对该输出信号进行连续采样，当该输出信号的幅值超过预设值时，保存该幅值超过预设值的输出信号的波形。这样就可以得到闪络瞬间流过绝缘子表面的电流波形，进而实现对闪络类型有关的特征量的提取，以及实现对闪络原因的分析及机理研究，这对于采取有效的措施预防闪络以及提高输电可靠性具有重要意义。

附图说明

图1为一个实施例中绝缘子闪络电流的监测方法的流程示意图；

图2为一个实施例中绝缘子闪络电流的监测方法中罗氏线圈的实物图；

图3为一个实施例中绝缘子闪络电流的监测方法中罗氏线圈的外形示意图；

图4为一个实施例中绝缘子闪络电流的监测方法中罗氏线圈的等效电路图；

图5为一个实施例中绝缘子闪络电流的监测方法中跟随滤波电路的电路原理图；

图6为一个实施例中绝缘子闪络电流的监测方法中单端转差分电路的电路原理图；

图7为一个实施例中绝缘子闪络电流的监测装置的结构示意图。

具体实施方式

在一个实施例中，如图1所示，一种绝缘子闪络电流的监测方法，包括如下步骤：

步骤S100，采集绝缘子的电流信号，并将电流信号转换为电压信号。

绝缘子是一种特殊的绝缘控件，能够在架空输电线路中起到重要作用，绝缘子早期多用于电线杆，慢慢发展于高型高压电线连接塔的一端挂了很多盘状的绝缘体，它是为了增加爬电距离的，通常由玻璃或陶瓷制成。采集绝缘子的电流信号，并将电流信号转换为电压信号可以通过在绝缘子表面安装电流传感器实现。

电流传感器是一种检测装置，能感受到被测电流的信息，并将检测感受到的信息，按一定规律变换成符合一定标准需要的电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。具体的，电流传感器可以采用罗氏线圈，罗氏线圈又叫电流测量线圈、微分电流传感器，是一个均匀缠绕在非铁磁性材料上的环形线圈。罗氏线圈不含铁磁性材料，无磁滞效应，相位误差几乎为零，且没有磁饱和，因而可以测量范围从数安培到数百数千培的电流；此外，其结构简单，并且和被测电流之间没有直接的电路联系，响应频带宽在0.1Hz至1MHz之间，与带铁芯的传统互感器相比，罗氏线圈具有测量范围宽，精度高，稳定可靠，响应频带宽，且同时具有测量和继电保护功能，其体积小、重量轻、安全且符合环保要求。基于罗氏线圈具有电流可实时测量、响应速度快、不会饱和、几乎没有相位误差的特点，其可应用于继电保护，可控硅整流，变频调速，电阻焊等信号严重畸变的场合。进一步地，罗氏线圈可采用直径为120mm的柔性空心罗氏线圈，它属于无源自积分类型，具有外形柔性开环无芯结构，方便安装且无需供电布线。该线圈的参数：灵敏度为0.0002V/A，最大电流为120kA，最大有效值电流为1kA，最低频率为3dB/0.2Hz，最高频率3dB/20MHz，使用温度0-65度，传输阻抗50Ω，其实物图如图2所示，外形示意图如图3所示。

图4为罗氏线圈的等效电路图，其中，L、C、r分别为罗氏线圈的自感、分布电容和自阻；R_a为采样电阻，U_s为采样电压，如果罗氏线圈为自积分型线圈，则R_a为积分电阻；E(t)为线圈感应出来的电压源，i₁(t)为待测量的电流，i₂(t)为感应出来的电流，E(t)的表达式为：

$E\left(t\right)=LM\frac{{\mathrm{di}}_1\left(t\right)}{dt}---\left(1\right)$

式(1)中L和M分别是罗氏线圈的自感和互感，可通过测量确定，也可通过公式计算。若线圈中心半径为r₀，骨架横断面的面积为S，线圈总圈数为N，真空磁导率为μ₀，制作的柔性罗氏线圈为圆形，则有M＝μ₀NS/2πr₀，L＝NM。实际使用线圈测量时，LCR测试仪可以将自感L测出来，而M则可通过计算得出。

根据电路有：

$E\left(t\right)=L\frac{{\mathrm{di}}_2\left(t\right)}{dt}+(r+R_a)i_2---\left(2\right)$

若则式(2)可以简化为：

$E\left(t\right)=L\frac{{\mathrm{di}}_2\left(t\right)}{dt}---\left(3\right)$

由式(1)和式(3)可得：

$i_1\left(t\right)=\frac{{\mathrm{LU}}_s}{{\mathrm{MR}}_a}$

由上式可知，原边电流正比于线圈输出。

步骤S200，对电压信号进行处理，得到输出信号。

具体而言，对电压信号进行处理，得到输出信号的步骤可以包括：将电压信号通过跟随滤波电路进行处理，得到第一输出信号以及将第一输出信号通过单端转差分电路进行处理，得到输出信号。

跟随滤波电路如图5所示，AD8034的第一引脚通过电阻R5与AD8034的第五引脚连接，AD8034的第一引脚与AD8034的第二引脚连接，AD8034的第七引脚与AD8034的第六引脚连接，AD8034的第五引脚通过电阻R6接地，AD8034的第五引脚通过电容C4接地，AD8034的第三引脚与电流传感器的输出连接。AD8034不仅具有FET(Field Effect Transistor，场效应晶体管)输入放大器高输入阻抗以及在电路设计时几乎不必考虑输入偏置电流的优异特性，此外，还具备低功耗、低噪声、低失真和宽电源电压的特性。单端转差分电路如图6所示，跟随滤波电路的输出通过电阻R11与ADA4940-1的第八引脚连接，且通过电阻R12接地，ADA4940-1的第八引脚通过电阻与ADA4940-1的第五引脚连接，ADA4940-1的第一引脚通过电阻R17与ADA4940-1的第四引脚连接，ADA4940-1的第一引脚通过电阻R18接地。ADA4940-1是低噪声、低失真、超低功耗的差分放大器，非常适合驱动分辨率最高为18位、DC至1MHz的低功耗、高分辨率、高性能SAR型和Σ-Δ型模数转换器，静态电流仅为1.25mA，可调输出共模电平使ADA4940-1能够与多个模数转换器的输入共模电压相匹配，其内部共模反馈环路也可提供出色的输出平衡，并能抑制偶数阶谐波失真产物。

步骤S300，对输出信号进行连续采样，当输出信号的幅值超过预设值时，保存幅值超过预设值的输出信号的波形。

具体而言，对输出信号进行连续采样，当输出信号的幅值超过预设值时，保存幅值超过预设值的输出信号的波形的步骤可以包括：对输出信号进行连续采样；当输出信号的幅值超过预设值时，记录幅值超过预设值的输出信号的波形；读取已记录的幅值超过预设值的输出信号的波形，得到波形数据并存储。

进一步地，可以采用14位高速管线型模数转换器在FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)的控制下对输出信号进行采样，当输出信号的幅值小于设置的触发电平的时候，不做任何处理；一旦输出信号的幅值超过触发电平，且判断出具有明显地上升沿或下降沿的时候，开始记录指定长度的波形数据，并通知CPU(Central Processing Unit，中央处理器)来读取数据，CPU使用中断来感知FPGA的输入，当有波形被捕捉后，通过CPU与FPGA之间的接口将波形数据读出，并保存于非易失性存储器中，等待发送出去。

上述绝缘子闪络电流的监测方法，首先采集绝缘子电流信号，并将绝缘子电流信号转换为电压信号，再将电压信号进行处理，得到输出信号，对该输出信号进行连续采样，当该输出信号的幅值超过预设值时，保存该幅值超过预设值的输出信号的波形。这样就可以得到闪络瞬间流过绝缘子表面的电流波形，进而实现对闪络类型有关的特征量的提取，以及实现对闪络原因的分析及机理研究，这对于采取有效的措施预防闪络，提高输电可靠性具有重要意义。

在一个实施例中，绝缘子闪络电流的监测方法，对输出信号进行连续采样，当输出信号的幅值超过预设值时，保存幅值超过预设值的输出信号的波形的步骤之后还包括发送已保存的输出信号的波形。

已保存输出信号的波形的发送以及接收可以通过无线通信模块实现，无线通信模块广泛地运用在车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制、无线232数据通信、无线485/422数据通信、数字音频、数字图像传输等领域中。无线通信模块具有通信功能，即支持GPRS(General Packet Radio Service，通用分组无线服务技术)和短消息双通道传输数据以及支持多中心数据通信；具有采集功能，即采集串口设备数据，如串口仪表、采集器、PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)等；还具有远程管理功能，即支持远程参数设置和程序升级。采用无线通信方式，减少了布线工作，使得整个监测更简单方便，有效地减轻了巡线人员的工作强度。

具体而言，无线通信模块可以采用一款功耗为100mW的低功耗无线串口模块，其采用透明传输方式，工作在148-173.5MHz频段，默认170MHz，TTL(Transistor-Transistor Logic，逻辑门电路)电平输出，兼容3.3V与5V的I/O(Input/Output，输入/输出)口电压，穿透绕射力强，具备空中唤醒功能。该模块具有软件前向纠错算法，其编码效率较高，纠错能力强，在突发干扰的情况下，能主动纠正被干扰的数据包，大大提高可靠性和传输距离，在没有前向纠错的情况下，这种数据包只能被丢弃，具有数据加密和压缩功能，模块在空中传输的数据，具有随机性，通过严密的加解密算法，使得数据截获失去意义，而数据压缩功能有概率减小传输时间，减小受干扰的概率，提高可靠性和传输效率。

在一个实施例中，绝缘子闪络电流的监测方法，采集绝缘子电流信号，并将电流信号转换为电压信号的步骤之后还包括采集输电线路杆塔周围的环境参数，环境参数包括气压和温湿度。

杆塔周围的温度、湿度和气压等环境信息，作为分析闪络现象的有力数据支撑，可以为后续的数据分析提供参考。因此，可以通过气压传感器采集气压，通过温湿度传感器采集温湿度信息，并将这些环境参数与对应的闪络电流关联存储，为后续研究分析闪络原因提供参考。

在一个实施例中，一种绝缘子闪络电流的监测装置，包括：

电流采集模块100，用于采集绝缘子的电流信号，并将电流信号转换为电压信号。

信号调理模块200，用于对电压信号进行处理，得到输出信号。

信号调理模块包括：第一调理单元，用于将电压信号通过跟随和滤波电路进行处理，得到第一输出信号；

第二调理单元，用于将第一输出信号通过单端转差分电路进行处理，得到输出信号。

波形捕捉模块300，用于对输出信号进行连续采样，当输出信号的幅值超过预设值时，保存幅值超过预设值的输出信号的波形。

波形捕捉模块包括：信号采样单元，用于对输出信号进行连续采样；

波形筛选单元，用于当输出信号的幅值超过预设值时，记录幅值超过预设值的输出信号的波形；

波形存储单元，用于读取已记录的幅值超过预设值的输出信号的波形，得到波形数据并存储。

上述绝缘子闪络电流的监测装置，首先采集绝缘子电流信号，并将绝缘子电流信号转换为电压信号，再将电压信号进行处理，得到输出信号，对该输出信号进行连续采样，当该输出信号的幅值超过预设值时，保存该幅值超过预设值的输出信号的波形。这样就可以得到闪络瞬间流过绝缘子表面的电流波形，进而实现对闪络类型有关的特征量的提取，以及实现对闪络原因的分析及机理研究，这对于采取有效的措施预防闪络，提高输电可靠性具有重要意义。

在一个实施例中，绝缘子闪络电流的监测装置还包括波形发送模块，用于发送已保存的输出信号的波形。

在一个实施例中，绝缘子闪络电流的监测装置还包括环境参数采集模块，用于采集输电线路杆塔周围的环境参数，环境参数包括气压和温湿度。

在一个具体实施例中，绝缘子闪络电流监测装置分为两部分：塔上机和手持机，塔上机安装在杆塔端完成数据采集，手持机是用于下载塔上机中所存的数据。通过在杆塔端安装有传感器和数据采集功能的塔上机，当发生闪络放电现象时，塔上机将采集闪络发生时放电电流相关数据，并将数据保存至本地，然后巡线人员通过手持机设备以无线传输的方式向塔上机发送数据传输指令，将杆塔端保存的数据下载至手持机端并保存，以供后续分析研究。采取以无线传输方式将采集到的数据由塔上机传输至手持机，有效的减轻了巡线人员的工作强度，同时结合塔上机的温湿度传感器以及气压传感器，记录闪络放电现象发生时的环境参数，以此作为分析闪络现象的有力数据支撑，从而有效预防和检测闪络事故。该监测装置的电流检测范围是10kA-100kA，记录长度是1000μs，垂直分辨率14bit，采样率20MS/s，无线通信距离≥200m。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。