本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)量測(cè)和在線監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種交直流避雷器實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
避雷器是電力電纜防止雷電等損壞時(shí)經(jīng)常采用的一種重要設(shè)備，是雷電保護(hù)系統(tǒng)中最為廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)設(shè)備之一。避雷器也稱(chēng)為過(guò)電壓保護(hù)器，不僅可以限制雷擊等過(guò)電流的續(xù)流幅值，也可以限制續(xù)流時(shí)間。避雷器具有非線性特性，在正常電壓下，其具有高阻特性，僅允許幾十微安的泄漏電流通過(guò)；在雷電及操作過(guò)電壓下，避雷器呈現(xiàn)低阻特性，允許上千安培電流通過(guò)，從而可以有效的限制被保護(hù)設(shè)備兩端的電壓，起到過(guò)電壓保護(hù)作用。為保護(hù)交直流輸變電設(shè)備的絕緣，避雷器通常連接在線纜和大地之間，與保護(hù)設(shè)備并聯(lián)。避雷器的正常工作，對(duì)于電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行具有重要意義。制作避雷器的非線性材料在長(zhǎng)期運(yùn)行中，受到外界光、熱、雨水、污穢和電流沖擊等因素的影響，會(huì)逐漸劣化，最終失去正常限壓能力，嚴(yán)重者，甚至?xí)l(fā)生爆炸，從而破壞被保護(hù)設(shè)備的絕緣。考慮到長(zhǎng)期戶(hù)外工作的嚴(yán)苛運(yùn)行條件,對(duì)避雷器的運(yùn)行工況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并在避雷器達(dá)到運(yùn)行極限前及時(shí)更換，可有效保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。
當(dāng)前避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的老化程度主要依靠三種評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)：（1）避雷器動(dòng)作次數(shù)（2）避雷器放電能量；（3）避雷器泄漏電流大小和泄漏電流諧波幅值。為測(cè)量避雷器動(dòng)作次數(shù)，需要準(zhǔn)確判斷放電電流是否達(dá)到閾值并進(jìn)行計(jì)數(shù)；為測(cè)量避雷器放電能量，需要準(zhǔn)確測(cè)量過(guò)電壓放電過(guò)程中流經(jīng)避雷器的大電流波形；為測(cè)量泄漏電流大小及其諧波幅值，需要準(zhǔn)確測(cè)量低電壓下避雷器的泄漏電流波形。
當(dāng)前對(duì)避雷器的主要監(jiān)測(cè)手段是依靠串聯(lián)侵入式安裝的電磁計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，采樣電阻測(cè)量電流。該監(jiān)測(cè)手段有三方面缺點(diǎn)：（1）侵入式安裝影響避雷器正常運(yùn)行的性能；（2）兩種裝置分別安裝，需要占用大量體積；（3）難以測(cè)量直流電流，從而無(wú)法評(píng)估直流避雷器泄漏電流水平?？紤]到避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)傳感器的超高要求（需測(cè)量小至10ua~1ma的泄漏電流，大至10ka~100ka的沖擊電流，需測(cè)量電流頻率范圍從直流到1mhz），需要研制一種非侵入式安裝、高集成度、且能夠滿足避雷器監(jiān)測(cè)需求的高性能傳感系統(tǒng)。
就避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的配套通訊裝置而言，考慮到避雷器在電力系統(tǒng)中廣泛分布（變電站間距離通常長(zhǎng)達(dá)上百千米距離），工作人員無(wú)法進(jìn)行頻繁的定期實(shí)地維護(hù)，采用線纜進(jìn)行避雷器狀態(tài)信號(hào)傳輸又耗資巨大。因此尋找一種低功耗、高穩(wěn)定性、抗干擾能力強(qiáng)、且傳輸范圍廣的無(wú)線通訊裝置對(duì)于避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)傳輸具有重要意義。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種采用霍爾傳感器與羅氏線圈組合的交直流避雷器實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)裝置。其中霍爾傳感器非侵入式安裝，集成度高、精度高、量程小、帶寬低，可用于監(jiān)測(cè)10ua~1ma的泄漏電流；羅氏線圈非侵入式安裝，集成度高、精度低、量程大、帶寬高，可用于監(jiān)測(cè)10ka~100ka的沖擊電流。二者能夠?qū)崿F(xiàn)有效互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)交直流避雷器的泄漏電流波形及沖擊電流波形的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)波形傳輸給信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行分析計(jì)算（利用泄漏電流波形計(jì)算泄漏電流大小及泄漏電流諧波幅值，利用沖擊電流波形計(jì)算避雷器放電能量），配合具有傳輸距離遠(yuǎn)（15千米）、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)的lora無(wú)線通訊模塊，將避雷器狀態(tài)信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)變電站無(wú)人值守式智能化監(jiān)控。
本發(fā)明是通過(guò)如下的技術(shù)方案來(lái)解決上述技術(shù)問(wèn)題的：一種交直流避雷器實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)裝置，包括羅氏線圈、霍爾傳感器、帶平行開(kāi)口的磁環(huán)、信號(hào)處理系統(tǒng)以及屏蔽絕緣保護(hù)盒，所述的羅氏線圈、霍爾傳感器、帶平行開(kāi)口的磁環(huán)、信號(hào)處理系統(tǒng)均設(shè)于屏蔽絕緣保護(hù)盒內(nèi)，在所述帶平行開(kāi)口的磁環(huán)中心對(duì)應(yīng)的屏蔽絕緣保護(hù)盒上設(shè)有通孔，避雷器的接地引出導(dǎo)線穿過(guò)屏蔽絕緣保護(hù)盒上的通孔；所述的帶平行開(kāi)口的磁環(huán)環(huán)繞避雷器的接地引出導(dǎo)線設(shè)置，所述的羅氏線圈環(huán)繞帶平行開(kāi)口的磁環(huán)設(shè)置，所述霍爾傳感器置于帶平行開(kāi)口的磁環(huán)的開(kāi)口處，其敏感軸方向沿帶平行開(kāi)口的磁環(huán)的切向方向；所述羅氏線圈包括線圈本體和羅氏線圈積分器，所述線圈本體和羅氏線圈積分器連接，所述羅氏線圈積分器與信號(hào)處理系統(tǒng)連接；所述霍爾傳感器與信號(hào)處理系統(tǒng)連接，所述信號(hào)處理系統(tǒng)與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)連接；
所述霍爾傳感器包括霍爾元件以及半導(dǎo)體襯底，所述霍爾元件設(shè)在所述半導(dǎo)體襯底的表面，所述霍爾元件具有正方形形狀，所述正方形霍爾元件的每個(gè)頂點(diǎn)處設(shè)有霍爾電壓輸出端子；所述正方形霍爾元件的每個(gè)頂點(diǎn)處設(shè)有控制電流輸入端子對(duì)，且所述控制電流輸入端子對(duì)以一定距離與對(duì)應(yīng)霍爾電壓輸出端子間隔設(shè)置并在對(duì)應(yīng)霍爾電壓輸出端子的兩側(cè)，以便防止所述控制電流輸入端子與所述霍爾電壓輸出端子之間的電連接。
進(jìn)一步的，所述霍爾元件為坡莫合金導(dǎo)磁體，所述坡莫合金導(dǎo)磁體各成分及其質(zhì)量百分含量為：ni：80.5%，mo：5.2%，nb：2.06%，ti：1.8%，其余為fe和雜質(zhì)。
進(jìn)一步的，所述交直流避雷器實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)裝置還包括消磁校準(zhǔn)線圈，所述消磁校準(zhǔn)線圈采用雙導(dǎo)線絞合后均勻地纏繞在所述帶平行開(kāi)口的磁環(huán)上，所述消磁校準(zhǔn)線圈的兩根引出線分別與所述信號(hào)處理系統(tǒng)連接，以抑制外部干擾。
進(jìn)一步的，所述信號(hào)處理系統(tǒng)包括信號(hào)放大模塊、濾波模塊、邏輯分析模塊、時(shí)鐘模塊、電源模塊、信號(hào)傳輸模塊和消磁校準(zhǔn)模塊；所述的信號(hào)放大模塊、濾波模塊、邏輯分析模塊和信號(hào)傳輸模塊依次連接；所述電源模塊分別與所述的信號(hào)放大模塊、濾波模塊、時(shí)鐘模塊和消磁校準(zhǔn)模塊連接，所述時(shí)鐘模塊分別與邏輯分析模塊和信號(hào)傳輸模塊連接；所述的羅氏線圈積分器和霍爾傳感器分別與信號(hào)放大模塊連接，所述消磁校準(zhǔn)線圈的兩根引出線分別與消磁校準(zhǔn)模塊連接。
進(jìn)一步的，所述的信號(hào)放大模塊采用儀表放大器，共模抑制能力強(qiáng)，且具有差分輸出。
進(jìn)一步的，所述的濾波模塊采用低通濾波器，將高于1mhz的干擾信號(hào)濾除，電力系統(tǒng)雷擊電流最高頻率不超過(guò)1mhz。
進(jìn)一步的，所述的信號(hào)傳輸模塊采用lora無(wú)線通訊模塊，所述lora無(wú)線通訊模塊與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)連接。
進(jìn)一步的，所述的屏蔽絕緣保護(hù)盒外殼為雙層結(jié)構(gòu)，外層采用高電導(dǎo)率的銅屏蔽層，且銅屏蔽層的表面噴涂有絕緣漆，既能抑制外界干擾電場(chǎng)，又有絕緣保護(hù)作用；內(nèi)層采用高磁導(dǎo)率的坡莫合金屏蔽層，抑制外界干擾磁場(chǎng)，所述內(nèi)層和外層之間填充有聚四氟乙烯，其屏蔽效能高達(dá)60db；所述屏蔽絕緣保護(hù)盒為所述的交直流避雷器實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)裝置提供屏蔽、機(jī)械保護(hù)和絕緣保護(hù)功能。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所提供的交直流避雷器實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)裝置，采用霍爾傳感器與羅氏線圈實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)監(jiān)測(cè)避雷器的接地引出導(dǎo)線的電流信號(hào)，并將監(jiān)測(cè)到的信號(hào)傳輸給信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行分析計(jì)算，最后通過(guò)lora無(wú)線通訊模塊將計(jì)算結(jié)果傳輸給遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了避雷器無(wú)人值守式智能化監(jiān)控，保證電力系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行；所述的霍爾傳感器和羅氏線圈均采用非侵入式安裝，不僅不會(huì)影響避雷器正常運(yùn)行的性能，而且互補(bǔ)監(jiān)測(cè)能夠測(cè)量到直流電流，實(shí)現(xiàn)了避雷器的泄漏電流波形及沖擊電流波形的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)；所述的交直流避雷器實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)裝置集成度高、精確度高、可監(jiān)測(cè)范圍廣，有效提高了避雷器正常運(yùn)行的性能，滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需求。
附圖說(shuō)明
為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
圖1是本發(fā)明一種交直流避雷器實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
其中：1-避雷器的接地引出導(dǎo)線，2-帶平行開(kāi)口的磁環(huán)，3-霍爾傳感器，4-消磁校準(zhǔn)線圈，5-線圈本體，6-羅氏線圈積分器，7-信號(hào)處理系統(tǒng)，8-信號(hào)放大模塊，9-濾波模塊，10-邏輯分析模塊，11-lora無(wú)線通訊模塊，12-時(shí)鐘模塊，13-電源模塊，14-消磁校準(zhǔn)模塊，15-屏蔽絕緣保護(hù)盒，16-屏蔽絕緣保護(hù)盒上的通孔。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
如圖1所示，本發(fā)明所提供的交直流避雷器實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)裝置，包括羅氏線圈、霍爾傳感器3、帶平行開(kāi)口的磁環(huán)2、信號(hào)處理系統(tǒng)7以及屏蔽絕緣保護(hù)盒15，所述的羅氏線圈、霍爾傳感器3、帶平行開(kāi)口的磁環(huán)2、信號(hào)處理系統(tǒng)7均設(shè)于屏蔽絕緣保護(hù)盒15內(nèi)，在所述帶平行開(kāi)口的磁環(huán)2中心對(duì)應(yīng)的屏蔽絕緣保護(hù)盒15上設(shè)有通孔16，避雷器的接地引出導(dǎo)線1穿過(guò)屏蔽絕緣保護(hù)盒15上的通孔16；所述的帶平行開(kāi)口的磁環(huán)2環(huán)繞避雷器的接地引出導(dǎo)線1設(shè)置，所述的羅氏線圈環(huán)繞帶平行開(kāi)口的磁環(huán)2設(shè)置，所述霍爾傳感器3置于帶平行開(kāi)口的磁環(huán)2的開(kāi)口處，其敏感軸方向沿帶平行開(kāi)口的磁環(huán)2的切向方向；所述羅氏線圈包括線圈本體5和羅氏線圈積分器6，所述線圈本體5和羅氏線圈積分器6連接，所述羅氏線圈積分器6與信號(hào)處理系統(tǒng)7連接；所述霍爾傳感器3與信號(hào)處理系統(tǒng)7連接，所述信號(hào)處理系統(tǒng)7與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)連接；
所述霍爾傳感器3包括霍爾元件以及半導(dǎo)體襯底，所述霍爾元件設(shè)在所述半導(dǎo)體襯底的表面，所述霍爾元件具有正方形形狀，所述正方形霍爾元件的每個(gè)頂點(diǎn)處設(shè)有霍爾電壓輸出端子；所述正方形霍爾元件的每個(gè)頂點(diǎn)處設(shè)有控制電流輸入端子對(duì)，且所述控制電流輸入端子對(duì)以一定距離與對(duì)應(yīng)霍爾電壓輸出端子間隔設(shè)置并在對(duì)應(yīng)霍爾電壓輸出端子的兩側(cè)，以便防止所述控制電流輸入端子與所述霍爾電壓輸出端子之間的電連接。
所述交直流避雷器實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)裝置還包括消磁校準(zhǔn)線圈4，所述消磁校準(zhǔn)線圈4采用雙導(dǎo)線絞合后均勻地纏繞在所述帶平行開(kāi)口的磁環(huán)2上，所述消磁校準(zhǔn)線圈4的兩根引出線分別與所述信號(hào)處理系統(tǒng)7連接。
所述信號(hào)處理系統(tǒng)7包括信號(hào)放大模塊8、濾波模塊9、邏輯分析模塊10、時(shí)鐘模塊12、電源模塊13、信號(hào)傳輸模塊和消磁校準(zhǔn)模塊14；所述的信號(hào)放大模塊8、濾波模塊9、邏輯分析模塊10和信號(hào)傳輸模塊依次連接；所述電源模塊13分別與所述的信號(hào)放大模塊8、濾波模塊9、時(shí)鐘模塊12和消磁校準(zhǔn)模塊14連接，所述時(shí)鐘模塊12分別與邏輯分析模塊10和信號(hào)傳輸模塊連接；所述的羅氏線圈積分器6和霍爾傳感器3分別與信號(hào)放大模塊8連接，所述消磁校準(zhǔn)線圈4的兩根引出線分別與消磁校準(zhǔn)模塊14連接。
所述的羅氏線圈，用于探測(cè)沖擊電流波形，其電流測(cè)量范圍為100a-100ka，頻率范圍為1hz到100mhz；所述的霍爾傳感器3，用于探測(cè)泄漏電流波形，電流測(cè)量范圍為10ua-1ma，頻率范圍為直流到1mhz；所述的消磁校準(zhǔn)線圈4，用于定期為霍爾傳感器3進(jìn)行消磁和校準(zhǔn)，消磁校準(zhǔn)模塊14在邏輯分析模塊10的定期（每天一次）觸發(fā)下，利用電磁諧振原理在消磁校準(zhǔn)線圈4中產(chǎn)生高達(dá)10a的衰減振蕩電流，能有效消除帶平行開(kāi)口的磁環(huán)2中的偏磁電流，保證霍爾傳感器3測(cè)量結(jié)果的可靠性。
所述的信號(hào)放大模塊8，用于對(duì)霍爾傳感器3以及羅氏線圈的輸出信號(hào)進(jìn)行放大；所述濾波模塊9，用于對(duì)信號(hào)放大模塊8的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波；所述邏輯分析模塊10，一方面將濾波模塊9的輸出信號(hào)與參考值進(jìn)行比較，判斷避雷器是否動(dòng)作，另一方面用于實(shí)時(shí)分析避雷器的泄漏電流大小、泄漏電流諧波幅值和沖擊電流能量；所述時(shí)鐘模塊12，用于為邏輯分析模塊10提供時(shí)鐘信號(hào)，為lora無(wú)線通訊模塊11在定時(shí)發(fā)送方式時(shí)提供時(shí)鐘信號(hào)；所述信號(hào)傳輸模塊，用于將邏輯分析模塊10處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)；所述的電源模塊13，用于為整個(gè)信號(hào)處理系統(tǒng)7提供電源，采用長(zhǎng)壽命電池（工作時(shí)間大于10年），其壽命需保證遠(yuǎn)大于避雷器壽命，其供電電壓為5v。
當(dāng)避雷器的接地引出導(dǎo)線1中有電流流過(guò)時(shí)，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)被帶平行開(kāi)口的磁環(huán)2放大，并在磁環(huán)2平行開(kāi)口處產(chǎn)生均勻的切向磁場(chǎng)；當(dāng)流過(guò)的電流為小電流或泄漏電流時(shí)，羅氏線圈的測(cè)量精度較低，此時(shí)被測(cè)量的信號(hào)經(jīng)過(guò)霍爾傳感器3后傳輸給信號(hào)放大模塊8；當(dāng)流過(guò)的電流為大電流或沖擊電流時(shí)，霍爾傳感器3達(dá)到飽和，此時(shí)羅氏線圈的線圈本體5的輸出電壓與被測(cè)電流的微分成正比，經(jīng)過(guò)羅氏線圈積分器6后，得到與被測(cè)電流成正比的輸出電壓，將輸出電壓傳輸給信號(hào)放大模塊8。
信號(hào)放大模塊8將其輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后傳輸給濾波模塊9，濾波模塊9將高于1mhz的干擾信號(hào)濾除之后，輸出0-5v范圍內(nèi)的輸出信號(hào)給邏輯分析模塊10進(jìn)行處理；邏輯分析模塊10完成以下分析處理過(guò)程：
（1）將濾波模塊9的輸出信號(hào)與參考值進(jìn)行比較，判斷避雷器是否動(dòng)作，記錄避雷器動(dòng)作次數(shù)；
（2）判斷霍爾傳感器3是否達(dá)到飽和，如果達(dá)到飽和，說(shuō)明避雷器動(dòng)作，再次記錄避雷器動(dòng)作次數(shù)，將此動(dòng)作次數(shù)與（1）中的避雷器動(dòng)作次數(shù)進(jìn)行比較核驗(yàn)；
（3）在小電流或泄漏電流的情況下，分析霍爾傳感器3的輸出結(jié)果，計(jì)算泄漏電流有效值、泄漏電流諧波幅值和泄漏電流容性分量等關(guān)鍵指標(biāo)；
（4）在大電流或沖擊電流的情況下，分析羅氏線圈的輸出電壓，估算避雷器導(dǎo)通時(shí)的沖擊電流能量；
所述邏輯分析模塊10將分析處理后的結(jié)果發(fā)送給lora無(wú)線通訊模塊11，lora無(wú)線通訊模塊11將處理結(jié)果按照傳輸協(xié)議發(fā)送給遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。
所述lora無(wú)線通訊模塊11的傳輸距離可達(dá)15km，且耗電量低，適合對(duì)傳輸速率要求不高的遠(yuǎn)距離低功耗傳輸場(chǎng)合。所述的lora無(wú)線通訊模塊11采用兩種方式發(fā)送數(shù)據(jù)：
（1）定時(shí)發(fā)送：設(shè)定發(fā)送間隔時(shí)間（例如：一天一次），定時(shí)喚醒發(fā)送一次數(shù)據(jù)，該方法可使監(jiān)測(cè)人員在遠(yuǎn)距離獲得避雷器運(yùn)行的日常數(shù)據(jù)，有利于了解避雷器性能變化趨勢(shì)；
（2）觸發(fā)發(fā)送：只在邏輯分析模塊10檢測(cè)到避雷器已達(dá)到或接近使用壽命時(shí)喚醒lora無(wú)線通訊模塊11連續(xù)發(fā)送警告數(shù)據(jù)，該方式在平時(shí)極大地節(jié)省能量，有效保證異常情況下的數(shù)據(jù)能夠可靠發(fā)送并被監(jiān)測(cè)人員及時(shí)獲取。
以上所揭露的僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或變型，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。