一种避雷器电位分布及温度分布无线快速检测系统及方法与流程

本发明属于电力行业避雷器投运前健康状况及均压检测技术领域，尤其涉及一种避雷器电位分布及温度分布无线快速检测系统及方法，适用于对避雷器投运前健康状况及均压情况进行快速检测。

背景技术：

近年来，电力系统高度重视电网中已大量应用的避雷器的运行性能。交流无间隙金属氧化物避雷器，以下简称避雷器。由于具有优异的电气性能，自80年代开始在系统得到广泛的应用，取代了传统的碳化硅(sic)避雷器。

避雷器的电位分布是否合理直接关系到整支避雷器的运行寿命。它的芯体是由几片乃至上百片阀片串联而成的阀片柱，由于阀片柱对地杂散电容的作用，在无均压措施的情况下，阀片柱的电位分布是很不均匀的。上部阀片较下部阀片承受的电位高得多，其老化速度也快，甚至发生热崩溃，使整支避雷器的老化速度加快。随着避雷器电压等级的升高，其高度也越来越高，避雷器电位分布的不均匀程度也越来越严重。

国网辽宁电力科学研究院在上世纪80年代首次提出了用光纤-电流法测量避雷器的电位分布，解决了无法测量避雷器电位分布的难题，并编入gb11032-1989版标准中，此方法一直沿用至今。光纤-电流法以光纤方式进行有线数据传输，其不足在于一套光接受机接受测量点位有限、扩展性不强、光缆铺设工作量大、测量探头内电池寿命短等；测试人员在对若干只测试点进行测试时只能反复查看单一通道波形、难度高。由于切换测试通道需要时间，此时若电网波动，会导致阀片的分布电位测试结果随之波动，造成数据的不一致。频繁更换测量探头电池工作量大。同时将测量探头的测试数据以光纤为媒介传出避雷器外，光纤极易损坏，需要破坏避雷器的结构以便引出光纤。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的技术问题，本发明提供了一种避雷器电位分布及温度分布无线快速检测系统及方法，其目的是实现对避雷器阀片分布电位进行同步检测，提高测量数据准确度，化简检测过程，杜绝以光纤有线方式对高压设备进行测试带来的触电可能性，增加了测试人员与高压设备的距离，保障了人身安全。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种避雷器电位分布及温度分布无线快速检测系统，包括测试探头、无线接收机及远端计算机三部分构成；其中，在避雷器外套内部设有避雷器阀片，测试探头间隔插入在两组避雷器阀片之间，用来完成对各个高度的避雷器阀片的分布电位的测试；各个测试探头与无线接收机通过无线连接，无线接收机通过usb线与远端计算机相连接。

所述避雷器阀片设有四十组。

所述测试探头的上方为金属外壳，测试探头的下方设有单面金属板，单面金属板连接在金属外壳下方；内部导线的一端分别连接至金属外壳以及单面金属板，内部导线的另一端分别连接至采样电阻的两端；过压保护元件的两端分别与采样电阻的两端相连接，同时，采样电阻的两端连接到模拟数字转换器的两个模拟输入端；热敏电阻的温度敏感部分通过孔伸出，满足安装时热敏电阻和避雷器内部的避雷器阀片相互接触；热敏电阻的输出端和模拟数字转换器的输入端相连接；模拟数字转换器的输出端与核心处理器相连接，可充电锂电池与核心处理器相连接并提供系统的工作电源，核心处理器的输出端与无线通信模块的输入端相连接，无线通信模块的信号输出端与天线相连接。

所述测试探头通过内部导线将避雷器的泄露电流i接入到测试探头内部，通过采样电阻完成电流电位变换，实现对泄漏电流的i/u转换；测试探头的上方开有孔，将一热敏电阻安装于孔的出口位置，满足热敏电阻和避雷器内部的避雷器阀片相互接触，以实现避雷器阀片的温度的实时测试；无线通信模块经天线传输到750kv避雷器外套外的无线接收机，无线接收机连接远端计算机。

所述测试探头的电路连接关系如下：系统电源的正极与滤波电容的正极连接，系统电源的地与滤波电容的地连接，滤波电容的正极经过电阻r1接到参考源的ca引脚，参考源的an引脚与电源地相连接；参考源的ca引脚与电容c2的一端及信号输出连接，电容c2的另一端与电源地相连接；量程切换与采样电阻包括r2、r5、r7三只采样电阻，以上三者的一端同时与信号输出连接，另一端与sw的右侧的三个引脚分别连接，通过sw选择接入三只采样电阻之一，sw的左侧的三个引脚同时与信号输入连接；信号输入与过压保护中dw1的正极相连接，信号输出与过压保护中dw2的正极相连接，dw1和dw2的负极相连接；过压保护的dw1的正极与低通滤波电路的c6的一端连接，过压保护的dw2的正极与低通滤波电路的c6的另一端连接；c6的一端与r8的一端连接，r8的另一端与c7的一端连接；c6的另一端与c7的另一端连接；c7的两端分别和cpu24的pa1/adc1，pa2/adc2连接；cpu的pa4/adc4引脚与测温电路的三极管q1的基级相连接，三极管q1的发射级接地，集电极与一定值电阻r14的一端相连接，r14的另一端同时连接至cpu的pa3/adc3，以及热敏电阻r13的一端；热敏电阻r13的另一端与系统电源正极相连接；cpu的avcc引脚同时连接到l1，c5的一端；l1的另一端与系统电源正极相连接，c5的另一端与系统电源地连接；cpu的pc2/tck与led指示电路的r11的一端连接，r11的另一端与红色发光二极管的负极连接，红色发光二极管的正极连接到系统电源的正极；cpu的pc3/tms与led指示电路的r10的一端连接，r10的另一端与绿色发光二极管的负极连接，绿色发光二极管的正极连接到系统电源的正极；cpu的pb5/mosi与无线通信模块的m0引脚相连接，cpu的pb6/miso与无线通信模块的m1引脚相连接，cpu的pd0/rxd与无线通信模块的txd引脚相连接，cpu的pd2/int0与无线通信模块的aux引脚相连接，无线通信模块的vcc引脚与系统电源的正极相连接，无线通信模块的gnd引脚与系统电源地连接。

所述led指示电路包括红蓝双色led组成。

一种避雷器电位分布及温度分布无线快速检测方法，包括以下步骤：

步骤1：测试探头上电，程序开始运行；

步骤2：完成各个定时器及寄存器的初始化；

步骤3：各个测试探头等待主机发出的无线唤醒指令，如果没有唤醒指令，则继续休眠模式，并继续等待主机发出的无线唤醒指令，以节省电量；

步骤4：各个测试探头同时接受到主机发出的无线查询指令；

步骤5：各个测试探头同时对测试到的信号以0.1ms的采样间隔进行连续的模拟数字转换；

步骤6：如果没有完成5000次的模拟数字转换，则继续步骤5；

步骤7：将5000次的模拟数字转换结果，即25个工频周波采集点对时间取积分，得到当前测试探头对应阀片该段时间的分布电位有效值；

步骤8：获取当前测试探头对应阀片的温度值；

步骤9：以上步骤5-步骤8同时开始，同时结束，为了避免各个测试探头同时发送数据造成的数据冲突，以测试探头号乘以500ms的延迟时间向外发送测试探头号、分布电压值、温度值；

步骤10：为了方便后续数据的提取，将本次采集的结果写入核心处理器的内部flash；

步骤11：测试探头再次进入睡眠模式，以达到低功耗的效果。

所述测试探头通过内部导线将避雷器的泄露电流i接入到测试探头内部，通过采样电阻完成电流电位变换，从而实现对泄漏电流的i/u转换；核心处理器通过对泄漏电流i进行对时间的积分采样，实现泄露电流有效值的运算；将测试探头上的方孔内设置的热敏电阻和避雷器内部的避雷器阀片相互接触，以实现避雷器阀片的温度的实时测试，根据热敏电阻的阻值分度表进行测试点温度的查询；同时对测试探头内部的可充电锂电池的电量进行检测；以上测试过程在无线接收机发出查询指令时启动，其余时间整机进入低功耗模式；测试到的分布电位有效值、避雷器阀片温度值及可充电锂电池的电量信息由无线通信模块经天线传输到750kv避雷器外套外，并由系统的无线接收机完成对四十只测试探头的同步采集数据的接收，并显示在远端计算机的显示屏上。

所述测试探头的工作过程是将系统电源接通后，由滤波电容对电源进行滤波，并对测试探头各个模块进行供电；参考源为能产生不随电池消耗及温度影响的固定1.23v电压，作为信号输入的基准；量程切换与采样电阻串联于信号输入及信号输出之间，对流过测试探头的泄露电流进行采样，并实现i/u变换；通过调节拨码sw，实现不同测试量程的切换；转换产生的电位信号由过压保护实现输入动态信号的量程保护，低通滤波电路能滤除测试信号中的高频分量；将该差分信号连接至cpu的两个模拟输入端进行分布电位的测试；测温电路由热敏电阻和一定值电阻相互串联；当外界温度变化时，引起了热敏电阻的电阻值的变化；根据热敏电阻的阻值分度表由cpu进行测试点温度的查询；led指示电路由红蓝双色led组成；当系统的电池电量过低时，红灯闪烁；当系统的电池电量正常时，蓝灯闪烁；测试探头测试到的温度信息及分布电位信息通过无线通信模块发出，并由无线接收机接收，远端计算机处理，显示。

本发明的优点及效果是：

1、采用了无线方式代替了传统光纤进行测试数据的传输，可以进行测试点数的无限扩展，不受现场有线方式接收机检测点数量及检测距离的限制，大幅缩短调试和维护时间，保障了避雷器的安全稳定运行，可拓展于难以引出测量光纤的gis用罐式避雷器的电位分布及温度分布测量。

2、无线通信模块采用工业lora扩频通信方式，保证了无线数据的通信质量。解决了光纤极易损坏，检测作业前期准备工作量大的弊端，提升了检测效率。

3、杜绝了以有线方式对高压设备进行测试带来的触电可能性，增加了测试人员与高压设备的距离，保障了人身安全。

4、对分布电位进行同步采集，各测试点的测试结果与施加的电流值同步时间小于1ms，避免了电网波动导致的数据的不一致性，提高了测试数据的准确度。其实用性强，针对性强，具有很好的应用价值。

5、采用超低功耗设计，在一次充电后，可连续工作数月，避免反复更换电池的负担，缩短了系统的维护周期。

附图说明

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细的说明，但不受本实施例所限。

图1是本发明检测系统结构示意图；

图2是本发明中测试探头内部示意图；

图3是本发明中测试探头电路图；

图4是本发明中探头检测流程示意图；

图5是本发明的测试结果图。

图1中：750kv避雷器外套1，测试探头2，避雷器阀片3，无线接收机4，远端计算机5，内部导线6，过压保护元件7，采样电阻8，模拟数字转换器9，热敏电阻10，孔11，核心处理器12，可充电锂电池13，无线通信模块14，天线15，金属外壳16，单面金属板17，系统电源18，滤波电容19，参考源20，量程切换与采样电阻21，过压保护22，低通滤波电路23，cpu24，测温电路25，led指示电路26，无线通信模块27。

具体实施方式

本发明是一种避雷器电位分布及温度分布无线快速检测系统及方法，是通过自主设计的避雷器电位分布及温度分布无线快速检测系统实现的。本发明一种避雷器电位分布及温度分布无线快速检测系统具体结构是由测试探头2，无线接收机4，远端计算机5三部分构成，如图1所示。其中，测试探头2含无线模块。750kv避雷器外套1内部设有四十组避雷器阀片3，测试探头2间隔插入在避雷器阀片3之间，用来完成对各个高度的避雷器阀片3的分布电位的测试。750kv避雷器外套1内部的各个测试探头2与无线接收机4通过无线连接，无线接收机4通过usb线与远端计算机5相连接。

如图2所示，本发明测试探头硬件连接关系如下：

测试探头2包括内部导线6、过压保护元件7、采样电阻8、模拟数字转换器9、热敏电阻10、孔11、核心处理器12、可充电锂电池13、无线通信模块14、天线15、金属外壳16及单面金属板17。其中，测试探头2的上方为金属外壳16，测试探头2的下方设置单面金属板17，并固定在金属外壳16下方。内部导线6的一端分别连接至金属外壳16以及单面金属板17，内部导线6的另一端分别连接至采样电阻8的两端。过压保护元件7的两端分别与采样电阻8的两端相连接，同时，采样电阻8的两端连接到模拟数字转换器9的两个模拟输入端。热敏电阻10的温度敏感部分通过孔11伸出1mm，满足安装时热敏电阻10和避雷器内部的避雷器阀片3相互接触。热敏电阻10的输出端和模拟数字转换器9的输入端相连接。模拟数字转换器9的输出端与核心处理器12相连接，可充电锂电池13与核心处理器12相连接并提供系统的工作电源，核心处理器12的输出端与无线通信模块14的输入端相连接，无线通信模块14的信号输出端与天线15相连接。

所述测试探头2通过内部导线6将避雷器的泄露电流i接入到测试探头2内部，通过采样电阻8完成电流电位变换，从而实现对泄漏电流的i/u转换。核心处理器12通过对泄漏电流i进行对时间的积分采样，实现泄露电流有效值的运算。将测试探头2的上方开一直径3mm的孔11，同时将一热敏电阻10安装于孔的出口位置，满足安装时热敏电阻10和避雷器内部的避雷器阀片3相互接触，以实现避雷器阀片的温度的实时测试，根据热敏电阻的阻值分度表进行测试点温度的查询；同时对测试探头2内部的可充电锂电池13的电量进行检测。以上测试过程在无线接收机4发出查询指令时启动，其余时间整机进入低功耗模式。测试到的分布电位有效值、避雷器阀片温度值及可充电锂电池13的电量信息由无线通信模块14经天线15传输到750kv避雷器外套1外，并由系统的无线接收机4完成对四十只测试探头2的同步采集数据的接收，并显示在远端计算机5的显示屏上。

其中，测试探头2能够实现对避雷器电位分布及各个避雷器阀片3温度的准确测试。采用超低功耗设计，可充电锂电池13在一次充电后，可连续工作数月，缩短了系统的维护周期。无线通信模块14采用工业lora扩频通信方式，保证了无线数据的通信质量。远端计算机5可实现采集数据的实时显示，波形展现，历史数据查询等诸多功能，方便测试人员进行测试结果的分析。

如图3所示，本发明利用一种避雷器电位分布及温度分布无线快速检测系统进行检测的方法，本发明测试探头电路图的结构如下：

系统电源18的正极与滤波电容19的正极连接，系统电源18的地与滤波电容19的地连接，滤波电容19的正极经过电阻r1接到参考源20的ca引脚，参考源20的an引脚与电源地相连接。参考源20的ca引脚与电容c2的一端及信号输出连接，电容c2的另一端与电源地相连接。量程切换与采样电阻21包括r2、r5、r7三只采样电阻，以上三者的一端同时与信号输出连接，另一端与sw的右侧的三个引脚分别连接，通过sw选择接入三只采样电阻之一，sw的左侧的三个引脚同时与信号输入连接。信号输入与过压保护22中dw1的正极相连接，信号输出与过压保护22中dw2的正极相连接，dw1和dw2的负极相连接。过压保护22的dw1的正极与低通滤波电路23的c6的一端连接，过压保护22的dw2的正极与低通滤波电路23的c6的另一端连接。c6的一端与r8的一端连接，r8的另一端与c7的一端连接。c6的另一端与c7的另一端连接。c7的两端分别和cpu24的pa1/adc1，pa2/adc2连接。cpu24的pa4/adc4引脚与测温电路25的三极管q1的基级相连接，三极管q1的发射级接地，集电极与一定值电阻r14的一端相连接，r14的另一端同时连接至cpu24的pa3/adc3，以及热敏电阻r13的一端。热敏电阻r13的另一端与系统电源正极相连接。cpu24的avcc引脚同时连接到l1，c5的一端。l1的另一端与系统电源正极相连接，c5的另一端与系统电源地连接。cpu24的pc2/tck与led指示电路26的r11的一端连接，r11的另一端与红色发光二极管的负极连接，红色发光二极管的正极连接到系统电源18的正极。cpu24的pc3/tms与led指示电路26的r10的一端连接，r10的另一端与绿色发光二极管的负极连接，绿色发光二极管的正极连接到系统电源18的正极。cpu24的pb5/mosi与无线通信模块27的m0引脚相连接，cpu24的pb6/miso与无线通信模块27的m1引脚相连接，cpu24的pd0/rxd与无线通信模块27的txd引脚相连接，cpu24的pd2/int0与无线通信模块27的aux引脚相连接，无线通信模块27的vcc引脚与系统电源18的正极相连接，无线通信模块27的gnd引脚与系统电源地连接。

具体工作过程如下：

测试探头的系统电源18接通后，由滤波电容19对电源进行滤波，并对测试探头各个模块进行供电。参考源20为能够产生不随电池消耗及温度影响的固定1.23v电压，作为信号输入的基准。量程切换与采样电阻21串联于信号输入及信号输出之间，对流过测试探头的泄露电流进行采样，并实现i/u变换。通过调节拨码sw，实现不同测试量程的切换。转换产生的电位信号由过压保护22实现输入动态信号的量程保护，低通滤波电路23能滤除测试信号中的高频分量。将该差分信号连接至cpu24的两个模拟输入端进行分布电位的测试。测温电路25由热敏电阻和一定值电阻相互串联。当外界温度变化时，引起了热敏电阻的电阻值的变化。根据热敏电阻的阻值分度表由cpu24进行测试点温度的查询。led指示电路26由红蓝双色led组成。当系统的电池电量过低时，红灯闪烁；当系统的电池电量正常时，蓝灯闪烁；测试探头测试到的温度信息及分布电位信息通过无线通信模块27发出，并由无线接收机4接收，远端计算机5处理，显示。

如图4所示，本发明利用一种避雷器电位分布及温度分布无线快速检测系统进行检测的方法，测试探头部分的测试过程包括以下步骤：

步骤1：测试探头上电，程序开始运行。

步骤2：完成各个定时器及寄存器的初始化。

步骤3：各个测试探头等待主机发出的无线唤醒指令，如果没有唤醒指令，则继续休眠模式，并继续等待主机发出的无线唤醒指令，以节省电量。

步骤4：各个测试探头同时接受到主机发出的无线查询指令。

步骤5：各个测试探头同时对测试到的信号以0.1ms的采样间隔进行连续的模拟数字转换。

步骤6：如果没有完成5000次的模拟数字转换，则继续步骤5。

步骤7：将5000次的模拟数字转换结果，即25个工频周波采集点对时间取积分，得到当前测试探头对应阀片该段时间的分布电位有效值。

步骤8：获取当前测试探头对应阀片的温度值。

步骤9：以上步骤5-步骤8同时开始，同时结束，为了避免各个测试探头同时发送数据造成的数据冲突，以测试探头号乘以500ms的延迟时间向外发送测试探头号、分布电压值、温度值。

步骤10：为了方便后续数据的提取，将本次采集的结果写入核心处理器的内部flash。

步骤11：测试探头再次进入睡眠模式，以达到低功耗的效果。

本发明计算机的测试结果图如图5所示。

本发明的检测原理是：通过设计一盒避雷器外形一致的测试探头，多组测试探头和避雷器内部的被试阀片间隔串联接入，以无线方式实现对各个阀片的分布电位及分布温度进行检测的目的。具体测试原理是，避雷器阀片在正常运行电压下，可等效为若干只电容相互串接，对于单一阀片而言可等效为一只容性元器件。当在阀片中串联接入一只采样电阻，且该采样电阻的阻抗小于避雷器内部阀片的阻抗10个数量级以上，因而采样电阻的接入不会造成整只避雷器的电位分布情况的改变。采用串联采样电阻原理的分布电位测试探头，其结构和避雷器内部的被试阀片相同，可灵活安置于避雷器内部，将无线数传芯片设计于测试探头内并和接收机进行无线通信，完成测试结果的无线传输，达到快速实现避雷器投运前分布电位及分布温度的检测，满足避雷器健康状况，为后续进行均压决策提供参考数据的目的。