邵洪平 李學(xué)騰

摘要：安裝避雷器是防止雷擊事件最有效、最便捷的方式。據(jù)調(diào)查，絕大部分的避雷器所采用的材料是氧化鋅。在長(zhǎng)期的使用過程中，有必要對(duì)氧化鋅避雷器的各項(xiàng)物理參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，以確保氧化鋅避雷器能夠正常工作。在金屬氧化鋅避雷器（MOA）的眾多物理參數(shù)中，其阻性電流大小能夠最直觀地反應(yīng)設(shè)備的狀態(tài)。在傳統(tǒng)的測(cè)量方式中，由于電壓和電流檢測(cè)儀器是一體的，因此每次檢測(cè)時(shí)需要進(jìn)行接線。每一次接線都存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，且檢測(cè)耗時(shí)耗力。同時(shí)，由于變電站的氧化鋅避雷器數(shù)量眾多，電壓互感器二次端子箱和避雷器的距離相對(duì)較遠(yuǎn)，部分測(cè)試設(shè)備體積較大，接線繁瑣，往往需要較多工作人員配合完成帶電測(cè)試，導(dǎo)致測(cè)試工作效率低，工作強(qiáng)度大。鑒于此，筆者擬研制一種便攜式多功能檢測(cè)裝置。目的在于能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)避雷器的泄露電流以及阻性電流等參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的檢查，同時(shí)嚴(yán)格控制其大小，使其便于攜帶。

關(guān)鍵詞：避雷器;測(cè)試裝置;應(yīng)用研究

前言

通過對(duì)市場(chǎng)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，市面上并無類似便攜式氧化鋅避雷器測(cè)試裝置的產(chǎn)品，然而實(shí)際的電力生產(chǎn)過程中卻需要用到類似的設(shè)備?？紤]到現(xiàn)代電力行業(yè)的發(fā)展需求，筆者決定對(duì)此類測(cè)試裝置進(jìn)行研究，朝著小型化方向發(fā)展，在填補(bǔ)市場(chǎng)空白的同時(shí)也為電力行業(yè)節(jié)約人力物力，推動(dòng)推動(dòng)行業(yè)進(jìn)步。

1測(cè)試裝置的功能原理與使用

以測(cè)試過程為順序，介紹有關(guān)接地連接、地線電流檢測(cè)、電弧偵測(cè)等測(cè)試的原理與使用。

1.1啟動(dòng)測(cè)試

設(shè)備在測(cè)試模式下，核對(duì)測(cè)試條件、被測(cè)件連接正確后，按下START鍵即可啟動(dòng)測(cè)試。

1.2電壓上升

有些被測(cè)件特性對(duì)電壓的突變比較敏感，需要使用此功能。設(shè)備開始輸出時(shí)輸出電壓為零，開始電壓輸出時(shí)，設(shè)備會(huì)以0.1S為單位控制輸出電壓上步進(jìn)升，步進(jìn)升壓值根據(jù)測(cè)試電壓和電壓上升時(shí)間確定（ΔV=V/（10*S））。如果關(guān)閉電壓上升時(shí)間（RISE OFF）默認(rèn)電壓上升時(shí)間為0.1秒。

1.3高壓測(cè)試

對(duì)被測(cè)件進(jìn)行高壓測(cè)試。此時(shí)應(yīng)該可以保證測(cè)試電路正確，測(cè)試結(jié)果不會(huì)受一些特殊的附帶參數(shù)影響，是測(cè)試需要的實(shí)際耐壓電流。

1.4電流超限與電弧偵測(cè)（ARC）功能

電流超限分類：電流下限、電流上限、電流量程超限、電弧偵測(cè)。

⑴電流下限判斷（LOW）：一般做為測(cè)試低端斷開判斷使用。當(dāng)設(shè)備測(cè)試設(shè)備時(shí)，設(shè)備肯定會(huì)有一定的漏電流，當(dāng)設(shè)備測(cè)試的漏電流小于下限設(shè)定電流值時(shí)認(rèn)為測(cè)試失?。]有連接設(shè)備），如果被測(cè)元件本身漏電流很小則必須關(guān)閉此功能。

⑵電流上限判斷（HIGH）：最常用的測(cè)試電流超限判斷。當(dāng)設(shè)備測(cè)試設(shè)備時(shí)，設(shè)備肯定會(huì)有一定的漏電流，當(dāng)設(shè)備測(cè)試的漏電流大于上限設(shè)定電流值時(shí)，認(rèn)為設(shè)備耐壓不夠測(cè)試失敗。

⑶電流量程超限：電流采樣判斷較慢， 絕緣崩潰時(shí)電流變化較快采樣電路無法及時(shí)作出反映，而電流峰值已經(jīng)超過了上限電流所在的電流量程的測(cè)試范圍，則會(huì)觸發(fā)此類超限判斷。由于電流超限后無法采集數(shù)據(jù)，此時(shí)的輸出結(jié)果為合格時(shí)的最后一次測(cè)試結(jié)果，超限時(shí)判斷顯示（RANG FAIL）。

⑷電弧偵測(cè)（ARC）：是面向元件測(cè)量的一個(gè)很實(shí)用的功能，它測(cè)試的是高壓測(cè)試回路中有局部電路瞬間打火引起的電流突變。由于疊加在正常的測(cè)試電流上，突變時(shí)間較短，以上的普通電流檢測(cè)電路無法響應(yīng)電流變化作出合適的判斷。電弧偵測(cè)電路濾除了正常電流值，只處理高速的電流脈沖變化。由于低通濾波和電弧的大小本身帶有隨機(jī)性，此功能只能大概估計(jì)局部打火的程度。由于電流超限后無法采集數(shù)據(jù)，此時(shí)的輸出結(jié)果為合格時(shí)的最后一次測(cè)試結(jié)果。

電流超限判斷和電弧偵測(cè)的頻率響應(yīng)比對(duì)（見上圖2）：①圖中A區(qū)：為電流采樣顯示電路頻響，因?yàn)橐獮V除電源頻率的紋波，采樣分析響應(yīng)速率大概為0.1S級(jí)別。②圖中B區(qū)：電流快速響應(yīng)電路。它只濾除高頻干擾的信號(hào)，可以很快的響應(yīng)過流峰值信號(hào)。由于沒有濾波不能做高精度比對(duì)，只能做超量程判斷，響應(yīng)速率大概為1mS級(jí)別。③圖中C區(qū)：電弧偵測(cè)電路。電弧偵測(cè)電路只采樣電流中發(fā)生突變的幅值，如果測(cè)試電流沒有發(fā)生突變，即使是電流超限了電弧偵測(cè)電路也不會(huì)有響應(yīng)， 響應(yīng)速率大概為0.1mS級(jí)別。注：交流的測(cè)試頻率為50/60Hz。

1.5不合格判斷

如果測(cè)試結(jié)果超出測(cè)試項(xiàng)目設(shè)定的條件，或者瞬間電流超過設(shè)備可以承受的最大輸出電流，設(shè)備都會(huì)判斷被測(cè)件不合格。 并立即停止當(dāng)前測(cè)試，切斷電壓輸出，進(jìn)入測(cè)試結(jié)果不合格的處理程序。

1.6 測(cè)試結(jié)果處理

如果測(cè)試過程出現(xiàn)超限，設(shè)備會(huì)顯示不合格判斷（FAIL）， 不合格指示燈亮。

測(cè)試時(shí)間結(jié)束后測(cè)試結(jié)果判斷為（PASS）。顯示合格判斷（PASS），合格指示燈亮。（合格判斷處理模式受SYSTEM的PASS HOLD 控制）。會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)移到下一個(gè)測(cè)試項(xiàng)目，或者退回測(cè)試等待狀態(tài)。

從此狀態(tài)開始到下一個(gè)項(xiàng)目開始高壓?jiǎn)?dòng)前，操作人員可以用軟件查詢測(cè)試數(shù)據(jù)和結(jié)果。

1.7 STOP（停止測(cè)量）

在整個(gè)測(cè)試過程中的任意狀態(tài)按下STOP鍵，設(shè)備自動(dòng)結(jié)束測(cè)試，結(jié)束測(cè)試時(shí)不會(huì)有任何測(cè)試結(jié)果判斷輸出。但是測(cè)試結(jié)束狀態(tài)，操作人員可以用軟件查詢按STOP前設(shè)備測(cè)試到的數(shù)據(jù)。

檢測(cè)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電壓互感器上的電壓進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，而且需要測(cè)量避雷器阻性電流時(shí)，它還能夠配合電流檢測(cè)裝置共同用于檢測(cè)工作的開展。按照設(shè)計(jì)，電流檢測(cè)裝置以及電壓檢測(cè)裝置是分開的，前者體積小而，可以隨時(shí)攜帶，而后者雖然不像前者一樣輕便，但勝在只需要安裝一次，無需重復(fù)拆卸。在進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)候，有關(guān)工作人員只需要將電流檢測(cè)裝置帶到現(xiàn)場(chǎng)，與安裝好的電壓檢測(cè)裝置一起進(jìn)行檢測(cè)裝置即可。在正式進(jìn)行測(cè)量任務(wù)時(shí)，首先由電流檢測(cè)裝置將測(cè)量命令發(fā)送給電壓基礎(chǔ)裝置。當(dāng)電壓檢測(cè)裝置接收到傳來的指令后，開始進(jìn)行測(cè)量工作。當(dāng)電壓檢測(cè)裝置測(cè)量測(cè)量任務(wù)完成后，再將所測(cè)得的數(shù)據(jù)通過無線通信信號(hào)傳輸回電流檢測(cè)裝置。電流檢測(cè)裝置將測(cè)量數(shù)據(jù)一并發(fā)送到計(jì)算機(jī)計(jì)算電壓電流基波分量的相差，進(jìn)而得到MOA的阻性電流。

2 目前存在的問題

氧化鋅保險(xiǎn)器的用途主要分三種：首先是保護(hù)戶內(nèi)外電壓互感器的二次側(cè)，主要是防止高電壓竄入二次回路，導(dǎo)致電壓突然升高而對(duì)用戶以及用電設(shè)備造成損傷，威脅生命健康與財(cái)產(chǎn)安全;其次是用于電力變壓器的低壓側(cè)，用來防范發(fā)生擊穿的時(shí)候低壓側(cè)的電壓突然升高;最后是用于保護(hù)其他用電設(shè)備。氧化鋅保險(xiǎn)器實(shí)際上是電壓能量的吸收器，在正常工作的時(shí)候，加入電壓超過限制，設(shè)備便會(huì)通過氧化鋅保險(xiǎn)器泄放掉大量的能量，以此來限制電壓，進(jìn)而起到保護(hù)用電設(shè)備的作用。

而如何檢驗(yàn)氧化鋅保險(xiǎn)器，使其能夠在擊穿的時(shí)候短路，其他情況下開路，成了一個(gè)難題。筆者將研制一種針對(duì)氧化鋅保險(xiǎn)器的測(cè)試裝置，可對(duì)氧化鋅保險(xiǎn)器實(shí)現(xiàn)智能檢測(cè)同時(shí)兼有絕緣電阻、絕緣耐壓的的測(cè)試功能，體積小，輕便易攜帶。

3目前能解決的主要問題

目前已經(jīng)攻克的問題以及解決方式如下：

⑴數(shù)據(jù)的記錄問題：開發(fā)出嵌入式系統(tǒng)軟件，可通過程序控制，實(shí)現(xiàn)智能設(shè)置、記錄、存儲(chǔ)、分析、圖形化、查詢、打印。

⑵移動(dòng)電源的問題：研制出一套以程序控制的多電壓組合波形電源的發(fā)生器。

⑶數(shù)據(jù)顯示以及交互界面的問題：通過設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了彩色液晶操作顯示，外形的設(shè)計(jì)往便攜方向靠攏，操作界面在設(shè)計(jì)的時(shí)候也考慮人性化的問題。

⑷網(wǎng)絡(luò)問題：可以切換網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)使用，在線狀態(tài)以及離線狀態(tài)均可正常使用。

⑸匹配性問題：一機(jī)可兼容多種功能，實(shí)現(xiàn)效率最大化。

4研究措施

首先通過各種方式搜尋市面上的類似產(chǎn)品，然而并無所獲。再考慮到電力生產(chǎn)需要用到這類設(shè)備，因此結(jié)合現(xiàn)代電力發(fā)展的需求，對(duì)市面上的各類有關(guān)設(shè)備進(jìn)行綜合的比較分析，整理相關(guān)的資料，并根據(jù)現(xiàn)有的科學(xué)理論進(jìn)行設(shè)計(jì)。

對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，有目的性的觀察以及記錄某些方面的數(shù)據(jù)，再逐步整合，結(jié)合實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的現(xiàn)象來確定導(dǎo)致現(xiàn)象發(fā)生的條件，最后得出相應(yīng)的因果關(guān)系。這么做的目的是想要搞清各個(gè)自變量與因變量之間的關(guān)系，為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)中想要達(dá)到的各種功能做好理論準(zhǔn)備。

5技術(shù)要點(diǎn)以及創(chuàng)新點(diǎn)

通過不斷地試驗(yàn)，總結(jié)歸納實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)以及結(jié)論，目前本測(cè)試裝置的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)以及創(chuàng)新點(diǎn)主要如下：

⑴通過本系統(tǒng)高精度準(zhǔn)確的測(cè)試保險(xiǎn)器擊穿放電電壓，擊穿電流等參數(shù);過電壓通過后，產(chǎn)品迅速恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)（絕緣狀態(tài)）。對(duì)保險(xiǎn)器進(jìn)行程控測(cè)試及智能分析。

⑵使用程控多波形系統(tǒng)對(duì)保險(xiǎn)器壽命作智能預(yù)計(jì)及量化考核。

⑶使用程控多波形系統(tǒng)可應(yīng)用于多種類型、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)的保險(xiǎn)器。

⑷程控多電壓、多電流、多波形擊分析系統(tǒng)，硬件以多電壓組合波形電源發(fā)生器為基礎(chǔ)，軟件具備智能設(shè)置、記錄、存儲(chǔ)、分析、圖形化等。

⑸裝置可具備絕緣耐壓測(cè)試和絕緣電阻測(cè)試等多種功能。

6 MOA便攜式檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

新型擊穿保險(xiǎn)測(cè)試儀可以提供5kVAC/12mA耐壓、6kVDC/5mA耐壓、絕緣電阻測(cè)試。設(shè)備的原理結(jié)構(gòu)：高壓模塊是一個(gè)DA基準(zhǔn)、可控正弦發(fā)生器、AB類功放、40～600Hz高壓變壓器升壓，輸出電壓閉環(huán)控制。

DA基準(zhǔn)：保證輸出電壓幅值可控。

可控正弦發(fā)生器：在交流輸出時(shí)可以設(shè)定工作在50或60Hz，不再受線電壓限制;

線性功放：電壓波形的失真度小，控制簡(jiǎn)單可靠性高。

40～600Hz高壓變壓器升壓：針對(duì)DC和絕緣電阻測(cè)試的電源紋波大的問題，測(cè)試設(shè)備產(chǎn)生600Hz交流電源，整流后形成直流電壓做為電源，保證了直流電源紋波輸出較小。

輸出電壓閉環(huán)控制：保證負(fù)載調(diào)整率很小，測(cè)試數(shù)據(jù)可靠。

在實(shí)際進(jìn)行測(cè)量作業(yè)時(shí)，如果待測(cè)避雷器存在電流泄露，如果將電流鉗夾住避雷器下端所連接的雷擊計(jì)數(shù)器，那么由于相對(duì)于計(jì)數(shù)器的電阻而言電流鉗的電阻要小得多，所以電流會(huì)選擇電阻較小的通路也就是電阻鉗。電流就全部順著電流鉗引入到測(cè)量設(shè)備中了。而當(dāng)測(cè)量設(shè)備采集到電流之后，電流會(huì)進(jìn)一步輸入到前級(jí)放大器中。測(cè)量鉗直接連接的裝置是保護(hù)裝置，這是為了避免由于引入的電流過大而對(duì)檢查設(shè)備造成損壞。而當(dāng)引入的電流過小時(shí)，往往測(cè)量的準(zhǔn)確度達(dá)不到要求，因此采用放大器進(jìn)行放大，將電流值控制在既不會(huì)對(duì)設(shè)備造成損害也能夠達(dá)到測(cè)量要求的范圍內(nèi)。

7 電壓監(jiān)測(cè)裝置電路設(shè)計(jì)

電壓檢測(cè)裝備是預(yù)先安裝在待測(cè)部位上的。其整體的結(jié)構(gòu)實(shí)際上和電流檢測(cè)裝置類似具有相似性。都是采用了微控制單元作為控制器，采用無相差放大器來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行放大處理。同時(shí)也具有GPS來實(shí)現(xiàn)同步測(cè)量，具有無線通信模塊來進(jìn)行信號(hào)通信，具有存儲(chǔ)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。需要重點(diǎn)介紹的是，在電壓檢測(cè)種植的無線通信模塊中可以通過撥碼開關(guān)切換裝置的通訊地址，這樣的功能在于當(dāng)電流檢測(cè)裝置傳遞檢測(cè)命令時(shí)能夠正確的識(shí)別待測(cè)電壓設(shè)備，而不會(huì)出現(xiàn)多個(gè)電壓檢測(cè)裝置共同接受到信號(hào)的情況。當(dāng)互感器接收到電壓信號(hào)后，便會(huì)將其接入空氣開關(guān)，然后測(cè)量電阻將會(huì)把它變成電流信號(hào)，交由MCU內(nèi)部的其他模塊進(jìn)行采樣計(jì)算。計(jì)算的最終結(jié)果將會(huì)以無線通信的方式發(fā)給電流檢測(cè)設(shè)備，最后通過比較避雷器電壓電流信號(hào)的相位差計(jì)算出阻性電流。

8結(jié)語

金屬氧化鋅避雷器逐漸成為了避雷器家族中使用最廣泛的一個(gè)類別，其檢測(cè)工作是進(jìn)行日常維護(hù)和保養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。筆者通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)市場(chǎng)上并無類似便攜式氧化鋅避雷器多功能智能測(cè)試裝置的產(chǎn)品，考慮到電力生產(chǎn)中需要用到類似的產(chǎn)品，便進(jìn)行了相對(duì)應(yīng)的研究。在本文中筆者詳細(xì)介紹了一種便攜式MOA 阻性電流測(cè)量系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)便攜這一特性的主要思路是將電壓測(cè)量裝備和電流測(cè)量準(zhǔn)備分離，后者作為攜帶的部分，前者作為固定設(shè)備。這樣不僅可以將裝置分離實(shí)現(xiàn)便攜，而且還能夠避免每次測(cè)量工作時(shí)的接線環(huán)節(jié)。相對(duì)于傳統(tǒng)的方式更加高效、安全，經(jīng)過檢驗(yàn)其檢測(cè)效果良好值得大范圍推廣。

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作者簡(jiǎn)介：邵洪平（1968-），男，高級(jí)技師，云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司三級(jí)技能專家;

李學(xué)騰（1993-），男，助理工程師，云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司大理供電局變電修試所技術(shù)員。