一种高压避雷器内部电流和温湿度测量装置及方法与流程

本发明属于输变电技术领域，尤其涉及一种基于无线传感技术的高压避雷器内部电流和温湿度测量装置及方法。

背景技术：

在我国输变电技术领域，往往将330kv～750kv电压等级的避雷器称为超高压避雷器，而将1000kv及以上为电压等级的交流和±800kv的直流避雷器称为特高压避雷器。超特高压避雷器均由多节元件组成，其中330kvmoa由2节元件组成，500kvmoa通常由3节元件组成，750kvmoa由4节元件组成，1000kvmoa则由4节或5节组成。

为了改善避雷器的电压分布均匀性，保证moa的可靠运行，避雷器的顶部均带有均压环；在500kv及以上电压等级避雷器还会在内部增加陶瓷电容器辅助均压；1000kvmoa由于容量的要求采用四柱并联结构。

目前相关行业标准dl/t596、国网标准qgdw1168中要求每年雷雨季节前对避雷器进行带电测试，测量其全电流及阻性电流，同时定期巡视避雷器的运行监测器，并记录运行检测器的电流表读数，对其数据进行季度或半年的纵向比较。此种方式对66kv及以下电压等级的避雷器可及时有效发现上述缺陷。但是对于220kv及以上结构的超特高压避雷器，仍然采用以往的在避雷器底部进行检测避雷器全电流和阻性电流的方式，经过调查发现国内变电站运行的避雷器，屡次出现利用传统带电检测仪器未发现异常时，避雷器突然出现热崩溃导致爆炸的事故。

因此，对于高电压等级、多节数的避雷器采用目前的带电检测仪器无法从根本上发现避雷器的绝缘缺陷。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的不足之处，本发明提供了一种高压避雷器内部电流和温湿度测量装置及方法。其目的是为了提供一种结构简单，操作便利的测量装置，以实现提高超特高压避雷器的内部缺陷及缺陷位置的诊断能力，实现超特高压避雷器内部故障有效识别和定位，提升高压避雷器安全运行水平的发明目的。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种高压避雷器内部电流和温湿度测量装置，包括避雷器，在避雷器内部电阻片当中置有测量探头，在避雷器的外部连接有监测主机。

进一步的，所述测量探头的形状与避雷器电阻片的形状一致。

进一步的，所述测量探头内置到避雷器中各节的中上部，串联在电阻片当中，进行无线组网。

进一步的，所述测量探头为圆形结构，由圆形片状上下端盖和中部金属外壳围成的环状结构构成测量探头的外壳；上下端盖为导电板；上下导电板粘接在金属外壳的上下端，构成封闭的圆柱形壳体。

进一步的，所述测量探头的内部由金属外壳、导电板、电流导引棒、电路模块、柔性无线天线及导引端构成；其中，电路模块电流测量模块外壳内部，同时将电流测量模块外壳固定连接到金属外壳的内壁上；馈线的另一端通过金属外壳上的小孔引出，与粘接在金属外壳外侧的柔性无线天线相连接；两个导引棒均是一端焊接在导电板上，另一端连接电路模块的电流输入端；导引端设在上下端盖上，与电流导引棒相连接。

进一步的，所述电流测量模块外壳由工程塑料构成；所述金属外壳为铝合金材料制成。

进一步的，所述上下端盖均由导电板构成，导电板向外一侧为铜箔层，导电板内部是由绝缘材料电木板构成，铜箔层和绝缘材料电木板通过压接方式连接在一起。

进一步的，所述电流测量模块外壳内的导线中连接有电流互感器，电流互感器的二次侧连接到电流测量模块中，电流测量模块通过导线依次与中央处理器和无线通信模块相连接；中央处理器的另一端导线连接温湿度测量模块，通过uart进行数字通信。

进一步的，所述电流测量模块由滤波电路和放大电路组成，将引入的电流进行高次滤波和放大，输出到中央处理器，中央处理器内部集成ad转换模块，将电流模拟信号转换为数字信号进行处理，通过快速傅立叶算法将泄漏电流的基波和三次谐波测量出来，并通过无线通信模块发送出数据结果。

进一步的，一种高压避雷器内部电流和温湿度测量方法，利用谐波分析法测量出避雷器泄漏电流的基波，计算公式如下：

考虑信号中包含有高次谐波及噪声的情况，将信号x(t)表示为：

上式中：xk表示k次信号的采样值，nωt表示采样点、角频率与t时刻的乘积，表示第k次信号相角差，n(t)表示t时刻信号分量，k表示第k个信号频谱；

根据三角函数的正交性，得：

上式中：ak表示k次信号含量余弦峰值，bk表示k次信号含量正弦峰值，x(t)表示t时刻信号采样值，表示k次谐波值与k次谐波相角的余弦值乘积，表示k次谐波值与k次谐波相角的正弦值乘积；

以上是针对时间连续信号，对于采样后的离散信号，将积分表示成离散形式：

上式中，n是一个周期中的采样点数，akk次信号含量余弦峰值，bk表示k次信号含量正弦峰值，x(n)表示第n个采样点的峰值，kn表示第k次频谱乘以采样点数n。

本发明具有以下有益效果及优点：

本发明提供了一种结构简单，操作便利的测量装置，其主要包括以下优点：

①在高压避雷器领域，尤其是超特高压避雷器，在内部测量绝缘参数的变化是更直接获取避雷器运行状态的手段，本发明内部测量避雷器的泄漏电流、温度湿度等重要参数的测量探头，能够承受上下电阻片的压力，并通过无线方式进行远传，达到了获取避雷器内部参数的目的。

②本发明的测量探头能够长期放置，可承受避雷器受到雷击或操作过电压时，产生的大电流冲击，也能够在避雷器正常运行时，准确测量出当前测点位置的泄漏电流、和外套内的温湿度。

③各测点通过lora-wan的规约进行自组网，优点在于探头串联放置在避雷器的内部电阻片中，其外部有较厚的瓷套或合成套，zigbee、nb-iot等无线通信无法可靠的与外部主机进行通信，通过lora-wan的通信方式，可以自组网、跳频的方式保证通信的可靠性。

本发明高压避雷器内部温湿度测量方法,在220kv及以上等级的高压避雷器中，外部由瓷套或硅橡胶合成套构成密封和绝缘，内部主要是电阻片串联构成。

本发明是一种能够在避雷器内部测量外套内的电流和温湿度的方法，把每节避雷器顶部的泄漏电流、三次谐波和温湿度测量出来，通过无线传感网络，对各测点进行组网，利用lora-wan无线传输方式把数据发送到后台。

本发明还涉及了避雷器内部各节点的温湿度和电流的测量方法和物联网融合技术，能够长时间放置在避雷器内部，可承受雷击或操作过电压，通过无线传感器网络，形成各节点的组网运行，提高通信的可靠性，最终穿透避雷器外套把测量结果传送到外部终端。

本发明装置及方法可以提高超特高压避雷器的内部缺陷及缺陷位置的诊断能力，实现超特高压避雷器内部故障有效识别和定位，提升高压避雷器安全运行水平。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明避雷器内部温湿度测量系统运行示意图；

图2是本发明中测量探头结构原理图；

图3是本发明中测量探头内部电路原理图。

图中：

避雷器1，测量探头2，主机3，金属外壳4，导电板5，电流导引棒6，电路模块7，柔性无线天线8，导引端9，电流测量模块10，中央处理器11，温湿度测量模块12，无线通信模块13，电流互感器14，电流测量模块外壳15。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面将结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面参照图1-图3描述本发明一些实施例的技术方案。

实施例1

本发明是一种高压避雷器内部电流和温湿度测量装置，如图1所示，图1是本发明避雷器内部温湿度测量系统运行示意图。

本发明测量装置基于无线传感技术，主要是安装在高压避雷器中使用，避雷器节作为一个单元串接组成整只避雷器，每节避雷器内部都是有电阻片和金属垫块串接组成，本发明所提供的测量探头能够长期放置在避雷器内部电阻片当中，本发明装置的外观结构通用于500kv～1000kv避雷器电阻片，可以完全替换电阻片或垫块。抽取一个垫块，把测量探头内置到高压避雷器中各节的中上部进行无线组网，并具有测量避雷器内部的泄漏电流、温湿度的功能。在测量探头不工作的情况下，以休眠状态为主，供电方式采用避雷器运行中的泄漏电流取电，取电原理不在本发明范围之内。在避雷器外部放置有监测主机3通过220ac供电，主机3定时通过广播命令唤醒各探头，使其工作一次，测量当前的泄漏电流和温湿度，定时无线读取避雷器测量探头所测量、计算出来的数据结果，发送到后台系统，这样更直接的获得避雷器的运行状态，保证避雷器安全稳定的运行。

其中，主机3上带有环形钢带，通过抱箍的方式与避雷器的底座连接，环抱在避雷器底部圆钢柱上。

本发明测量探头具有以下特点：

一是与500kv～1000kv避雷器电阻片结构一致的测量探头外形，能够承受避雷器电阻片的压力；

二是测量探头能够在接收到启动命令后，准确测量出当前泄漏电流的方法，并能够获得当前的温湿度；

三是各测量探头具有低功耗组网的功能，利用lora-wan的组网方式，达到无线穿透力强、抗干扰、低功耗的目的。

实施例2

本发明又提供了一种实施例，是一种基于无线传感技术的高压避雷器内部电流和温湿度测量装置。

500kv及以上电压等级的避雷器都是三节以上连接构成，本实施例以750kv四节避雷器为例，将测量探头2安装在每节避雷器1的顶部，串联在电阻片当中，每个测量探头2可以承受100kg的压力，通过天线把数据传输到避雷器底部安装的主机3当中，主机3的电源由220ac供电，利用内部的增强功率无线模块与各探头之间互相通信。

如图2所示，图2是本发明中测量探头结构原理图。

本发明中测量探头2的外形大小同避雷器电阻片一致，为圆柱形结构，由圆形片状上下端盖和中部金属外壳4围成的圆形结构构成测量探头的外壳，能够起到压力支撑和电磁屏蔽的作用。

所述金属外壳4为铝合金材料制成。

所述上下端盖为导电板5，是由pcb电路板加工制作而成，表面铺铜外露，端盖整体粘接在金属外壳的上下端，构成封闭的圆柱形壳体。导电板5粘接到金属外壳4的上下端。

所述测量探头2的整体结构见图2，内部由金属外壳4、导电板5、电流导引棒6、电流测量模块外壳15、电路模块7、柔性无线天线8、导引端9组成。

其中，导引棒6通过焊接方式，一端连接在导电板5上，另一端通过电流测量模块外壳15与其内部的电路模块7的电流输入端相连接。电路模块7通过左右两个螺丝连接在电流测量模块外壳15内部，同时将电流测量模块外壳15固定连接到金属外壳4的内壁上。

所述柔性无线天线8粘接在壳体外侧，天线馈线的另一端连接电路模块7中的无线模块输入端。

所述上下端盖均是由导电板5构成，导电板5向外一侧外露部分为铜箔层，起到与上下电阻片接触导电的作用。导电板5内部是由绝缘材料电木板构成，铜箔层和绝缘材料电木板通过压接方式连接到一起。

上下两个导引棒6可以通过导电板5把流过测量探头2上下的电流引入到电路板中。

导引端9是端盖中所加工的一个焊点，这个焊点是与端盖外侧铺铜部分连接的，电流导引棒6是通过焊接到导引端9，这样电流导引棒6可以把端盖的电流引入。

所述电流导引棒6通过上下的导电板5中的导引端9把避雷器内部的泄漏电流引入到测量探头2的内部，与电路模块7连接，这样电路模块7里的采集电路就可以采集探头所在位置的避雷器泄漏电流。电路模块7内部的无线模块通过馈线与柔性无线天线8连接，柔性无线天线8粘贴在金属外壳4上，可以发送或接受数据。

馈线的一端连接电路模块7中的无线模块输入端，馈线的另一端通过金属外壳4壳体上开的小孔引出，与柔性无线天线8相连接，

如图3所示，图3是本发明中测量探头内部的电路原理图。

在导电板5上下两端的电流导引棒6分别与内部的电流测量模块外壳15内的导线上下两端相连接，导线中连接有电流互感器14，电流互感器14的二次侧连接到电流测量模块10中，电流测量模块10通过导线依次与中央处理器11和无线通信模块13相连接；中央处理器11的另一端导线连接温湿度测量模块12。

其中，所述电流测量模块外壳15由工程塑料构成，电流导引棒6把电流引入到电流测量模块10中，上下两个电流导引棒6形成通路。

所述电流互感器14为穿心式电流互感器，设计的匝数比为500：1能够测量0.1ma～20ma的电流值，电流互感器14穿在上下两个电流导引棒6之间的导线中，感应避雷器的泄漏电流。

所述电流测量模块10中由滤波电路和放大电路组成，把引入的电流进行高次滤波和放大，然后输出到中央处理器11，中央处理器11内部集成了ad转换模块，把电流模拟信号转换为数字信号进行处理，通过快速傅立叶算法把泄漏电流的基波和三次谐波测量出来，并通过无线通信模块13发送出数据结果。温湿度测量模块12采用瑞士sensirion公司的sht35温湿度传感器芯片，温湿度测量模块12与电路中的中央处理器11通过uart进行数字通信，温湿度测量模块12使用sensirion的cmosens技术，高集成度电容式测湿元件和能隙式测温元件，具有功耗低、反应快、抗干扰能力强的优点。无线通信模块13利用lora-wan的方式进行通信，能够与其他测量探头的无线模块进行自组网，形成lora传输网络，把主机和测量探头的通信利用无线网络连接起来，进行数据交换。

实施例3

本发明又提供了一种实施例，一种基于无线传感技术的高压避雷器内部电流和温湿度测量方法，是利用一种基于无线传感技术的高压避雷器内部电流和温湿度测量装置进行测量的方法。

由于避雷器具有非线性特性，其泄漏电流是非正弦波，其中含有高次谐波。利用谐波分析法测量出避雷器泄漏电流的基波，优点在于通过软件算法滤除高次谐波，更精确的获得影响避雷器寿命的电流参数，提升判断moa的运行工况的准确性。本发明方法具体包括以下：

利用谐波分析法测量出避雷器泄漏电流的基波，具体计算公式如下：

考虑信号中包含有高次谐波及噪声的情况，可将信号x(t)表示为：

上式中：xk表示k次信号的采样值，nωt表示采样点、角频率与t时刻的乘积，表示第k次信号相角差，n(t)表示t时刻信号分量，k表示第k个信号频谱。

根据三角函数的正交性，得：

上式中：ak表示k次信号含量余弦峰值，bk表示k次信号含量正弦峰值，x(t)表示t时刻信号采样值，表示k次谐波值与k次谐波相角的余弦值乘积，表示k次谐波值与k次谐波相角的正弦值乘积。

以上是针对时间连续信号，对于采样后的离散信号，可以将积分表示成离散形式：

上式中，n是一个周期中的采样点数，akk次信号含量余弦峰值，bk表示k次信号含量正弦峰值，x(n)表示第n个采样点的峰值，kn表示第k次频谱乘以采样点数n。

考虑到系统中的高次谐波含量较小，偶次谐波含量极少。通过以上公式，dft变换只分解奇次谐波，且在频域内硬件电路已经滤除大于7次的奇次谐波。由此可以计算出电流基波的幅值。进行如此处理后，使计算方法符合iec60099-5标准，保证了避雷器泄漏电流提取算法的精度。

dft指离散傅里叶变换，能够高效的在电流总波形里分解出基波和各次谐波，离散时间非周期傅里叶变换和离散时间周期性傅里叶变换，鉴于计算机主要处理离散周期性信号，因此更适用于数字处理器计算。

在本发明中，术语“连接”、“固定”应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的描述中，需要理解的是，指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。