一种金属氧化物避雷器在线监测装置及其监测方法
【专利摘要】本发明公开了一种金属氧化物避雷器在线监测装置及其监测方法，包括：主控芯片，采集泄漏电流信号和电压信号的数据采集模块，接收数据采集模块的数据并计算出阻性电流传送到主控芯片的后台算法处理模块，交互连接于主控芯片的人机交互组件；数据采集模块包括：用于测量金属氧化物避雷器避雷器两端的电压以及金属氧化物避雷器避雷器的泄露电流的电压电流测量模块，接收电压电流测量模块的信号并进行滤波处理的滤波模块，接收滤波模块的信号并进行AD转换的AD转换模块。本发明提供一种金属氧化物避雷器在线监测装置及其监测方法，本发明充分考虑电压中的谐波对阻性电流提取的影响，可以很好的减小由于谐波电压对阻性电流提取的干扰，提高在线监测的效率与准确性。
【专利说明】
-种金属氧化物避雷器在线监测装置及其监测方法
技术领域
[0001] 本发明设及电气设备测试技术领域，特别是一种金属氧化物避雷器在线监测装置 及其监测方法。
【背景技术】
[0002] 金属氧化物避雷器避雷器(M0A)具有非线性特性好、通流量大、保护性能优越等优 良特性，是电力系统继电保护的主要装置。M0A长期在线工作受到热破坏、暂态、谐态过电压 冲击W及内部潮湿等因素的影响，加速金属氧化物避雷器避雷器的老化劣化，导致避雷器 损坏，最终使避雷器丧失保护作用。因此对运行中的避雷器进行监测是电力系统安全可靠 运行的重要保证。国内外许多研究成果指出，M0A老化、内部受潮W及绝缘性能不良时，泄漏 电流会增加，其中阻性电流分量增加明显，因此阻性电流是监测避雷器运行状态的重要参 量。
[0003] 经典的容性电流补偿法不能去除容性电流中的谐波分量，运样的谐波分量会混入 阻性电流中，导致该算法的阻性电流产生误差，从而影响阻性电流的提取精度，容易造成对 金属氧化物避雷器状态的误判。
【发明内容】
[0004] 为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种金属氧化物避雷器在线监测 装置及其监测方法，本发明充分考虑电压中的谐波对阻性电流提取的影响，可W很好的减 小由于谐波电压对阻性电流提取的干扰，提高在线监测的效率与准确性。
[0005] 为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
[0006] -种金属氧化物避雷器在线监测装置，包括:主控忍片，采集泄漏电流信号和电压 信号的数据采集模块，接收数据采集模块的数据并计算出阻性电流传送到主控忍片的后台 算法处理模块，交互连接于主控忍片的人机交互组件;数据采集模块包括：用于测量金属氧 化物避雷器避雷器两端的电压W及金属氧化物避雷器避雷器的泄露电流的电压电流测量 模块，接收电压电流测量模块的信号并进行滤波处理的滤波模块，接收滤波模块的信号并 进行AD转换的AD转换模块。
[0007] 前述的一种金属氧化物避雷器在线监测装置，人机交互组件组成有:连接于主控 忍片的GPRS模块，连接于GPRS模块的PC机，连接于PC机的显示模块。
[000引前述的一种金属氧化物避雷器在线监测装置，后台算法处理模块包括：电压信号 读取模块，用于对电压信号进行90°移相的移相器，接收并检测移相器传递来的电压信号的 波形检测器，用于对读取的电压信号进行FFT分析FFT模块，泄漏电流读取模块，连接于电压 信号读取模块、泄漏电流读取模块的过零检测器，连接于FFT模块和过零检测器并计算出晶 介电容值C和电容补偿系数G的G、C计算模块，连接于波形检测器和G、C计算模块的乘法器， 连接于乘法器和泄露电流模块的减法器。
[0009]前述的一种金属氧化物避雷器在线监测装置的监测方法包括如下步骤：
[0010] (1)获取金属氧化物避雷器避雷器的初始电压uW及初始泄漏电流ix;
[0011] (2)将初始电压信号进行FFT分析，得到基波电压幅值m、3次谐波电压幅值U3W及 频率W;
[0012] (3)将初始电压和泄露电流通过过零检测器，找到初始电压为零时刻对应的泄漏 电流ix(to);
[001引（4)将步骤2、3所得到的基波电压幅值山、3次谐波电压幅值U3、频率W、泄漏电流ix (to)带入式(1)得到晶介电容值C，
[0014]
[001引（5)将步骤2、4所得到的基波电压幅值山、3次谐波电压幅值U3、频率W、晶介电容值C 带入式(2)得到电容补偿系数G，
[0016]
[0017] (6)将初始电压信号通过移相器逆时针移相90°，通过波形检测得到移相后的电压 Usf ；
[001引（7)将步骤5、6所得到的电容补偿系数G、电压Usf通过乘法器相乘；
[0019] (8)将步骤1所获取的泄漏电流ixW及步骤7所得到的结果通过减法器相减，得到 阻性电流分量iR;
[0020] (9)将步骤8所得到的阻性电流分量iR上传至主控忍片，通过主控忍片将数据传送 至显示模块W及GPRS模块；
[0021] (lO)GPRS模块将步骤9所得到的数据传送至PC机。
[0022] 本发明的有益之处在于:本发明提供一种金属氧化物避雷器在线监测装置及其监 测方法，可W实现对金属氧化物避雷器的在线实时监测，同时本发明的方法考虑了谐波电 压对容性电流补偿法的影响，可W很好的减小由于谐波电压对阻性电流提取的干扰，提高 了提取的准确性，从而减小由于谐波干扰造成的对金属氧化物避雷器实际情况的误判，装 置结构原理简单，方法简单可行，在实际监测中具有很高的实用价值，节约成本，经济高效。
【附图说明】
[0023] 图1为本发明一种实施例的结构示意图；
[0024] 图2为本发明后台算法处理模块一种实施例的示意图；
[0025] 图3为本发明一种实施例的等效模型图；
[0026] 图4为本发明提取阻性电流与实际阻性电流对比效果图；
【具体实施方式】
[0027] W下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
[0028] -种金属氧化物避雷器在线监测装置，包括:主控忍片，采集泄漏电流信号和电压 信号的数据采集模块，接收数据采集模块的数据并计算出阻性电流传送到主控忍片的后台 算法处理模块，交互连接于主控忍片的人机交互组件;数据采集模块包括：用于测量金属氧 化物避雷器避雷器两端的电压W及金属氧化物避雷器避雷器的泄露电流的电压电流测量 模块，接收电压电流测量模块的信号并进行滤波处理的滤波模块，接收滤波模块的信号并 进行AD转换的AD转换模块。
[0029] 人机交互组件组成有:连接于主控忍片的GPRS模块，连接于GPRS模块的PC机，连接 于PC机的显示模块。
[0030] 后台算法处理模块包括：电压信号读取模块，用于对电压信号进行90°移相的移相 器，接收并检测移相器传递来的电压信号的波形检测器，用于对读取的电压信号进行FFT分 析FFT模块，泄漏电流读取模块，连接于电压信号读取模块、泄漏电流读取模块的过零检测 器，连接于FFT模块和过零检测器并计算出晶介电容值C和电容补偿系数G的G、C计算模块， 连接于波形检测器和G、C计算模块的乘法器，连接于乘法器和泄露电流模块的减法器。后台 算法处理模块的运行步骤是:先通过电压电流读取模块读取主控忍片中的电压W及泄露电 流，再通过FFT模块对读取的电压信号进行FFT分析，再通过过零检测器对读取的电压、泄露 电流进行过零检测得到的ix(t〇)、W、山、U3，G、C模块用得到的ix(t〇)、W、山、U3计算晶介电容值 C、电容补偿系数G;移相器对电压信号进行90°移相，波形检测器检测移相后的电压信号，使 用乘法器将移相后的电压与G相乘;使用减法器将泄露电流与移相器所得结果相减，从而得 到阻性电流。
[0031] 本发明的方法考虑了谐波电压对容性电流补偿法的影响，可W很好的减小由于谐 波电压对阻性电流提取的干扰，提高了提取的准确性，从而减小由于谐波干扰造成的对金 属氧化物避雷器实际情况的误判;金属氧化物避雷器在线监测装置的监测方法包括如下步 骤：
[0032] (1)获取金属氧化物避雷器避雷器的初始电压uW及初始泄漏电流ix;
[0033] (2)将初始电压信号进行FFT分析，得到基波电压幅值m、3次谐波电压幅值U3W及 频率W;
[0034] (3)将初始电压和泄露电流通过过零检测器，找到初始电压为零时刻对应的泄漏 电流ix(to);
[0035] (4)将步骤2、3所得到的基波电压幅值m、3次谐波电压幅值U3、频率W、泄漏电流ix (to)带入式(1)得到晶介电容值C，
[0036]
[0037] (5)将步骤2、4所得到的基波电压幅值m、3次谐波电压幅值U3、频率W、晶介电容值C 带入式(2)得到电容补偿系数G，
[00；3 引
[0039] (6)将初始电压信号通过移相器逆时针移相90°，通过波形检测得到移相后的电压 Usf ；
[0040] (7)将步骤5、6所得到的电容补偿系数G、电压Us述过乘法器相乘；
[0041] (8)将步骤1所获取的泄漏电流ixW及步骤7所得到的结果通过减法器相减，得到 阻性电流分量iR;
[0042] (9)将步骤8所得到的阻性电流分量iR上传至主控忍片，通过主控忍片将数据传送 至显示模块W及GPRS模块；
[00创 （lO)GPRS模块将步骤9所得到的数据传送至PC机。
[0044] 需要说明的是:金属氧化物避雷器在线监测装置的监测方法中的公式（1)(2)的推 导过程为:金属氧化物避雷器在正常工作时，流过避雷器内部的工频电流非常小，避雷器处 于小电流区。在小电流区，M0A模型可W简化地等效为如图3所述的由电容与非线性电阻并 联的模型。图3中，ix为避雷器泄漏电流，iR为非线性电阻产生的阻性电流，i。为电容产生容 性电流，U为避雷器两端的电压。避雷器泄漏电流ix为阻性电流iR与容性电流ic之和。
[0045] 经典的容性电流补偿法原理是将泄漏电流ix中的容性电流分量ic补偿掉，从而的 到阻性电流iR，其原理可W用式(3)表示：
[0046]
[0047] 当容性电流补偿掉时，ix-Gusf即为阻性电流，可得 [004引 iR=ix-Gusf (4)
[0049]设电网中含有3次谐波电压，作用在M0A上的电压可W表示为：
[0化0] u =山 sin(wt)+U3sin(3wt)巧）
[0051] m和U3分别为基波和3次谐波的幅值。
[0052] 容性电流为：
[0化3]
[0054] 阻性电流为：
[0055] 1R= lRisinwt+lR3sin3wt (7)
[0056] Iri和Ir3分别为MOA阻性电流的基波电流和3次谐波电流幅值。
[0057] 将(5)、（6)、（7)代入(3)式，可W求得补偿系数G为：
[0化引
[0059] 此时，由式(4)可得到谐波电压下的阻性电流值，
[0060]
[0061] 将式(9)与式(7)相比较，可W知道在电网电压加入谐波后，电网中的谐波电压会 对阻性电流产生影响，考虑了谐波电压的补偿系数G如式(8)所示可W看出不仅与基波电压 有关还和电压频率W及3次谐波电压幅值相关。
[0062] 当在避雷器两端的电压过零时，流过避雷器的阻性电流iR为零，此时流过避雷器 的全电流ix与金属氧化物避雷器阀片的容性电流分量相等。在含有3次谐波的电压时，全电 流ix可W表示为：
[0063]
[0064] 设在to时刻，加载在金属氧化物避雷两端的电网电压瞬时值为零，此时可W电压 可由下式表示：
[00化] u(to)=山 sinwto+U3sin3wto = 0 (11)
[0066] 进一步地可W得到在电压过零情况下金属氧化物避雷的全电流ix(to)的值：
[0067] ix(to) = iR(to)+wc(山 coswto+3u3cos3wto) (12)
[0068] 根据电压过零时的特点，由式（12)可W得到电压过零情况下金属氧化物避雷器阀 片上的晶介电容值：
[0069]
[0070] 由于M0A阀片的晶介电容可W近似的认为不变，因此可W认为式（13)所得的电容 值即为M0A的晶介电容值。
[0071] 将式(13)带入(8)式中可W得到含有电压谐波下的补偿系邀
[0072] 并利用式(4)求得谐波电压下的阻性电流值。
[0073] 使用本发明所用的方法所得到的阻性电流和实际阻性电流的效果对比图如图4所 示。图4显示，本发明所提取的阻性电流与金属氧化物避雷器的实际阻性电流有很好的一致 性，说明本方法可W很好地实现对金属氧化物避雷器的在线监测。通过分析图4可W得到， 金属氧化物避雷器的全电流W及阻性电流数值较为稳定，波形具有周期性和对称性，符合 M0A的实际运行情况。图4中的实际阻性电流与本文方法提取的阻性电流波形图大部分区域 较为一致，在电流过零时刻本文提取的电流波形有较小的抖动，可能是由于电网电压中含 有少量的高次谐波W及金属氧化物避雷器自身的非线性原件产生的自身内部谐波的影响， 本发明为简化计算忽略了数量较小的电网高次谐波的影响，但总的阻性曲线一致性较高， 满足了实际监测过程的需要。
[0074] 本发明提供一种金属氧化物避雷器在线监测装置及其监测方法，可W实现对金属 氧化物避雷器的在线实时监测，同时本发明的方法考虑了谐波电压对容性电流补偿法的影 响，可W很好的减小由于谐波电压对阻性电流提取的干扰，提高了提取的准确性，从而减小 由于谐波干扰造成的对金属氧化物避雷器实际情况的误判，装置结构原理简单，方法简单 可行，在实际监测中具有很高的实用价值，节约成本，经济高效。
[0075] W上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该 了解，上述实施例不W任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的 技术方案，均落在本发明的保护范围内。
【主权项】
1. 一种金属氧化物避雷器在线监测装置，其特征在于，包括:主控芯片，采集泄漏电流 信号和电压信号的数据采集模块，接收上述数据采集模块的数据并计算出阻性电流传送到 上述主控芯片的后台算法处理模块，交互连接于上述主控芯片的人机交互组件；上述数据 采集模块包括：用于测量金属氧化物避雷器避雷器两端的电压以及金属氧化物避雷器避雷 器的泄露电流的电压电流测量模块，接收上述电压电流测量模块的信号并进行滤波处理的 滤波模块， 接收上述滤波模块的信号并进行AD转换的AD转换模块。2. 根据权利要求1所述的一种金属氧化物避雷器在线监测装置，其特征在于，上述人机 交互组件组成有:连接于上述主控芯片的GPRS模块，连接于上述GPRS模块的PC机，连接于上 述PC机的显示模块。3. 根据权利要求1所述的一种金属氧化物避雷器在线监测装置，其特征在于，上述后台 算法处理模块包括：电压信号读取模块，用于对电压信号进行90°移相的移相器，接收并检 测上述移相器传递来的电压信号的波形检测器，用于对读取的电压信号进行FFT分析FFT模 块，泄漏电流读取模块，连接于上述电压信号读取模块、泄漏电流读取模块的过零检测器， 连接于上述FFT模块和过零检测器并计算出晶介电容值C和电容补偿系数G的G、C计算模块， 连接于上述波形检测器和G、C计算模块的乘法器，连接于上述乘法器和泄露电流模块的减 法器。4. 根据权利要求1所述的一种金属氧化物避雷器在线监测装置的监测方法，其特征在 于，包括如下步骤： (1) 获取金属氧化物避雷器避雷器的初始电压u以及初始泄漏电流ix; (2) 将初始电压信号进行FFT分析，得到基波电压幅值m、3次谐波电压幅值u3以及频率 W； (3) 将初始电压和泄露电流通过过零检测器，找到初始电压为零时刻对应的泄漏电流ix (to)； (4) 将步骤2、3所得到的基波电压幅值m、3次谐波电压幅值u3、频率w、泄漏电流ix(t〇)带 入式(1)得到晶介电容值C，(5) 将步骤2、4所得到的基波电压幅值m、3次谐波电压幅值u3、频率w、晶介电容值C带入 式(2)得到电容补偿系数G，(6) 将初始电压信号通过移相器逆时针移相90°，通过波形检测得到移相后的电压usf; (7) 将步骤5、6所得到的电容补偿系数G、电压usf通过乘法器相乘； (8) 将步骤1所获取的泄漏电流ix以及步骤7所得到的结果通过减法器相减，得到阻性电 流分量iR; (9) 将步骤8所得到的阻性电流分量iR上传至主控芯片，通过主控芯片将数据传送至显 示模块以及GPRS模块； (10 )GPRS模块将步骤9所得到的数据传送至PC机。
【文档编号】G01R31/00GK106066437SQ201610539054
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年7月8日
【发明人】行鸿彦, 何贵先
【申请人】南京信息工程大学