文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.175108
中文引用格式： 李佳奇，劉碧琦，李斌，等. MOA電位分布及溫度分布無線采集系統的設計[J].電子技術應用，2018，44(8)：60-63.
英文引用格式： Li Jiaqi，Liu Biqi，Li Bin，et al. Design of MOA potential distribution and temperature distribution wireless acquisition system[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(8)：60-63.
0 引言
交流無間隙金屬氧化物避雷器(以下簡稱MOA)是一種限制過電壓以保護電氣設備免受高瞬態過電壓危害的電器設備，其具有良好的電氣特性，近年來逐步取代了傳統的碳化硅避雷器。MOA的電位分布是否均勻決定了整只MOA的運行壽命，其芯體內部通常是若干只電阻片相互串聯構成的電阻片柱。由于存在對地雜散電容，如不采取均壓措施，MOA內部的電位分布呈現不均勻狀態，承受高電位的電阻片較承受低電位的電阻片加快了老化速度，嚴重時出現熱崩潰，使得整只MOA提前報廢，因此有必要對MOA采取均壓措施以延長其運行年限[1-3]。
為了提升MOA電位分布的測試效率及精度，設計并研制了一種基于無線采集技術的MOA電位分布及溫度分布裝置，滿足了MOA電阻片分布電位及分布溫度進行同步檢測，簡化檢測的前期準備工作，保障了人身安全。
1 系統設計原理
MOA在運行電壓下，其內部的每一只電阻片都等效為一只容性器件。在采樣探頭的阻抗遠小于MOA電阻片阻抗的前提下，若將采樣探頭串接于MOA電阻片中，則對整只MOA的電位分布情況的影響可以忽略[4-5]。采樣探頭的尺寸與MOA電阻片一致，則可將其放置在MOA電阻片柱的任意測試點；同時設計無線通信模塊放置于測試探頭內部，利用計算機控制測試基站與各個采樣探頭進行通信，實現了整只MOA在投運前各個測試電阻片的分布電位及分布溫度的檢測，為下一步進行均壓調整提供參考依據[6]。
采樣探頭外殼為同MOA電阻片尺寸一致的鋁制結構，采樣探頭下方粘貼單面導電電極，利用軟質銅線將MOA的泄漏電流引入至采樣探頭內部電路，通過采樣電阻轉換為電壓信號并連接至模擬數字轉換器。采樣探頭上方引出和MOA電阻片接觸的熱敏電阻以實現MOA電阻片溫度測試，采樣探頭內部示意圖如圖1所示。
2 系統硬件設計
2.1 信號調理電路設計
由于MOA在運行電壓下其電阻片的等效電阻值在百兆歐級別，可通過串聯歐姆級電阻的方式實現MOA內部電阻片泄漏電流的I/U轉換。為提高測試精度，設計一量程選擇電路sw，從而可以任意選擇采樣探頭中的I/U轉換采樣電阻為R1、R2、R3之一，以達到探頭的測試量程滿足不同電壓等級MOA的測試范圍。為了實現交流正負信號的測試，采用基準源電路產生1.23 V的基準電壓，提升了系統的零基準電平。兩只穩壓管對接構成雙向穩壓電路，可對輸入信號幅度起到鉗位，在產生涌流時保護后續AD電路。C4、R9、C5構成無源低通濾波電路以消除測試信號中的毛刺。調理后的信號連接至CPU的ADC3、ADC4通道以進行模擬數字轉換。信號調理電路如圖2所示。
2.2 系統鋰電池電壓采集電路設計
為了實現調理后的各模擬量的準確采集，選擇具有10位模擬數字轉換精度的AVR處理器。由于測試探頭為鋰電池供電，電壓并不固定，故在測試電位分布及溫度采集之前應先確定系統的電池電壓Vbat。雖然AVR內部集成了2.56 V的基準源，但此基準源的溫漂較大，且不同批次的CPU由于制造工藝的不同導致內部的基準電壓相差較大。若根據信號調理電路中穩定的1.23 V基準源作為系統的基準源，則可以較好地提高系統的AD轉換準確度。首先設計R10、R11兩只1%精度的等值電阻對鋰電池電壓進行二分壓，從而可以確定系統鋰電池電壓為：
式中，Vref為萬用表讀取到的基準源電壓值，ADbat為CPU讀取到的R10、R11抽頭處AD值，ADref為CPU讀取到的基準源AD值。
2.3 MOA電位分布采集與溫度采集電路設計
引入R4，即NTC-MF52型熱敏電阻，實現溫度的測試。其與10 kΩ電阻R5構成串聯結構，當MOA被測溫度變化時，引起R4電阻值的變化。通過測試R4、R5中心抽頭的電壓Vtemp，可反推出R4對應的電阻值。先確定Vtemp：
由此，根據熱敏電阻的R4的阻值分度表進行測試點溫度的確定。同時，程序中設定模擬通道進行對時間的積分采樣，實現被測模擬量有效值的運算。以上測試過程在測試基站發出查詢指令時，各測試探頭內CPU控制三極管Q1導通并啟動測試程序，其余時間CPU控制Q1截止，系統進入低功耗模式。測試到的MOA泄漏電流有效值、溫度值及可充電鋰電池的電量以數據包的形式由無線通信模塊傳出到MOA外，并由測試基站完成各測試探頭采集數據的接收。測試探頭內部電路圖如圖3所示。
2.4 無線數據傳輸模塊
綜合考慮傳輸距離以及傳輸速度，采用了ESP8266無線WIFI 芯片實現采樣數據的無線收發。該芯片內核為32位系統SOC，很好地兼顧了系統的便攜性與傳輸速度。無線數據傳輸模塊和測試探頭內部CPU以串行方式通信。
3 系統程序設計
3.1 采樣探頭部分程序設計
采樣探頭以星型拓撲方式構成，各采樣探頭在工作時首先確定CPU內部各個寄存器的初始值，進入休眠模式并偵聽測試基站是否發出無線喚醒指令以節省電池電量[7]。一旦全部采樣探頭同時偵聽到測試基站發出的無線喚醒指令則啟動主程序，并對本機測試到的各個模擬量以0.1 ms的間隔進行連續采樣。當進行10 000次的AD轉換，即50個工頻信號對時間取積分的采樣，計算出采樣探頭相鄰的MOA的分布電位真有效值，之后進行當前采樣探頭相鄰的MOA的溫度及探頭剩余電量的采樣。同時規定每只探頭以Ts的延遲時間與測試基站進行測試結果的數據包發送。其中：
式中，Ts為各探頭自完成測試到開始發送數據包的延時，N為探頭編號。
當完成數據發送后，各探頭重新進入睡眠狀態，偵聽測試基站下次發出的無線喚醒指令，以節約鋰電池電能。采樣探頭測試流程圖如圖4所示。
3.2 上位機處理與分析
上位機處理分析采用可視化DELPHI編程實現，后臺鏈接至ACCESS數據庫，可滿足采樣率設定，結果統計與歷史查詢，方便測試人員對MOA電位分布、溫度分布情況進行分析。
4 應用
4.1 采樣探頭安裝設計
750 kV等級的MOA分為4節，其中每節內部由43只MOA電阻片組成。與MOA電阻片結構相同的多只采樣探頭與MOA電阻片間隔串接。MOA內部采樣探頭安裝示意圖如圖5所示。
4.2 試品
試驗用MOA型號為YH20W1-648/1491，由4節構成。MOA總高度為7.6 m，構架高度為4.8 m。雙層均壓環上環外徑為800 mm，中環外徑為1 100 mm，下環外徑為2 400 mm，罩入深度為1 360 mm。
4.3 采樣探頭布置
MOA電阻片為172片，直徑為136 mm，厚度為20 mm。每節設置9個采樣探頭，共計36點。設置上數第一節上法蘭為測點1，向下至上數第一節下法蘭依次是測試點2至9；上數第二節上法蘭為測點10，向下至上數第二節下法蘭依次是測試點11至18，以此類推至上數第四節下法蘭，共設置36個采樣點。
4.4 試驗結果
對750 kVMOA，其相電壓為：
對單只MOA施加433 kV工頻電壓并在計算機界面完成各參數設定后，由計算機控制測試基站發出喚醒指令，則各采樣探頭同時對當前MOA電阻片被測點的分布電位、溫度情況及電池電量進行測試，并根據式(4)分時將各被測點的測試結果發送至測試基站。每10 s完成一輪采集并更新計算機界面顯示結果。以同步方式進行MOA的分布電位采集，有效地避免了電網波動造成的數據失真，大幅提高了采集數據結果的準確度。測量數據見表1。
4.5 分析與計算
MOA電位分布不均勻系數為：
通過計算分析，滿足750 kV電壓等級MOA規程規定的不均勻系數小于10%的要求。
5 結論
以無線采集方式進行MOA電位分布及溫度分布測試，利用同步采集方式，增加了測試準確度，大幅減少了測試的前期準備工作，該方法是對以光纖作為數據傳輸通道的高壓設備測試儀器進行改進。該系統維護費用低，有優良的使用價值與應用前景。
參考文獻
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作者信息:
李佳奇1，劉碧琦2，李 斌1，耿莉娜1，馬一菱1，王 帥1
（1.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽110006；
2.國網遼寧省電力有限公司信息通信分公司，遼寧 沈陽110006）