一种输电线路避雷器低功耗无线读取装置的研制

一种输电线路避雷器低功耗无线读取装置的研制

商凯  姚睿  杨柳辉  黄燕夫、陈晓波  黄柠

广东电网有限责任公司河源供电局 广东河源 517000

摘要：本文阐述了输电线路中确保电网安稳运行的一种主要装备避雷器，以及目前存在的问题，并分析了问题存在的原因，针对性地提出改进方案。介绍了一款新型的适用于输电线路在线监测的避雷器，对此设备的功能、技术亮点、组成以及制作作了详细介绍。

关键词：避雷器、输电线路、漏电流

引言

避雷器是确保电网系统安稳运行的一种主要装备,平常也被叫做过电压限制器或者过电压保护器。当前电网系统中最常用的避雷器是氧化锌避雷器,可以利用自身优秀的非线性伏安特性,将流入电网系统的过电压进行大幅度削弱,确保电力设备的稳定运行。但是,避雷器通常被安置在露天环境中,在运行过程中长时间受到工频电压和恶劣环境的影响,避雷器阀片必然会呈现出一种老化或者受潮现象,导致避雷器的保护能力下降,使得电网运行在一种不可控的状态,严重时会造成电网大范围停电事故。因此,及时的监测避雷器运行状态和评估避雷器健康情况是非常有必要的。

传统方式是采用现场查看避雷器装置读数的方式，工作效率低，同时也存在一定安全隐患；虽然近些年一些避雷器数据读取装置出现，此类装置需要4G信号覆盖传输，不适应于山区、信号差位置应用，而山区更易发生雷击跳闸，对于避雷器健康状态的读取更为重要，而且高功耗费用成本高，不适合推广应用。

针对现有问题，研制一款通过LORA低功耗、远距离无线数据读取装置，无需4G信号覆盖，即可本地化无线读取避雷器数据，真正解决实际工作需求。

存在的问题

通过研究传统避雷器的使用方式和安装位置等等，了解到现阶段传统避雷器存在以下问题和局限性。

1. 传统避雷器一般被安置在露天环境中，时间久了避雷器阀片会老化或者受潮，导致避雷器保护能力下降。
2. 查看避雷器装置读数都是现场查看，工作效率低且存在安全隐患。
3. 使用4G信号进行传输装置信息，不适用用山区信号差的地方，对地形位置具有局限性。
4. 功耗一般都比较高，使得电源和结构成本增加，不适合推广应用。

问题分析

针对以上问题，具体分析其出现的原因，为接下来的解决措施提供思路和方法。

1. 由于我国地域辽阔，输电线路经过的区域面积也广阔，覆盖的区域也种类繁多，而避雷器一般都安装在露天环境中，长久经受风吹雨打和日光直射，容易受到磨损老化，使得避雷器的保护能力下降，使电网的运行变得不可控和电力运输状态变得不确定，严重时会造成大规模的停电事故。
2. 目前，很多避雷器都只是将输电线路的参数进行采集和直接显示，并没有将监测的数据上传到终端或者一些移动设备进行查看，当查看数据时，需要定时安排人员去查看数据，一旦数据不正常了没被发现，很容易引起危险，此外，长期现场查看也会导致人工成本的增加，对查看数据人员也存在潜在安全危险。
3. 对于一些在偏远地区、山区等信号不好的地方，尽管使用了4G信号进行传输，但由于信号强度低，数据容易丢失。
4. 避雷器需要一直不停的检测输电线路情况，同时还需要显示检测出来的数据，因此不能实现低功耗的目的。

解决措施

通过此前对传统避雷器的研究分析以及对存在问题的剖析，研发一种输电线路避雷器低功耗无线读取装置，解决上述问题。

1. 使用传感器监测输电线路的漏电流电压，将检测的数据存入Flash当中，不怕数据的丢失，当需要发送数据时，从Flash中调取数据发送，不需要人工再去现场查看数据，安全便捷，杜绝安全隐患。
2. 针对4G信号覆盖不全，导致一些偏远山区数据不能及时发送和数据丢失的情况，采用LoRa低功耗无线发送技术，传输距离远，且数据不容易丢失。
3. 定时检测数据，每10s对漏电流进行检测，并将检测的数据存入Flash芯片中，其他时间进入休眠，当有宽电流雷击时，进入中断，累加雷击次数，极大的降低了功耗。

输电线路避雷器低功耗无线读取装置技术优势

整套设备实现低功耗。正常情况下所有元器件处于休眠状态，每隔10s在定时中断内检测泄漏电流，宽电流雷击电流传感器会一直检测电流，一旦检测到，主控芯片进入中断，对雷击次数进行累加。此外，收到需要发送数据的信号，主控芯片便会通过LoRa发送此前传感器监测的数据，整个过程一直是处于低功耗状态。

整个避雷器材质耐风吹，耐日照，防护等级高。避雷器外壳采用铝合金材质，尽管在恶劣环境中，也能使用足够的年限。安装方式为螺丝紧固，而安装位置则根据现场实际情况选择光照、探测设备最优的位置，以实现监测、位置固定和安装便利的优点。

采用LoRa技术进行发送数据。LoRa是一种基于扩频技术的远距离无线传输技术，属于诸多LPWAN通信技术的一种，具有低功耗、覆盖范围广、穿透性强的特点，非常适合这种在环境恶劣的场景使用。当主机需要接收数据时，向主控芯片发送请求，主控芯片便将数据通过LoRa发送至主机。

具有时钟和数据存储功能。在避雷器监测电流时，当检测到有泄露电流时，连同大电流雷击次数和小电流漏电值以及时间一同被存入Flash芯片中。在后续数据发送过程中连同时间一起发送出去，在今后查看数据时，能够直观的显示监测数据的时间，非常方便今后的数据统计。

输电线路避雷器低功耗无线读取装置

各部件的作用

太阳能板：光能转换成电能，为整个设备供电或者为电池充电。

电源模块：接收并存储太阳能板转换的电能，再为整个设备供电。

Flash芯片：存储传感器采集的数据和相应时刻的时间。

主控单元：控制其他模块单元有序进行工作，控制数据接收和发送。

LoRa模块：负责将传感器采集的数据发送至主机中端。

RTC模块：记录传感器采集数据时刻的时间并一起存储到Flash。

传感器模块：负责监测大电流雷击和小电流漏电并把结果传给主控单元。

电源模块的设计

原理介绍

当有太阳照射太阳能板时，太阳能板将光能转换成电能，再通过充电芯片给电池充电和给负载供电，如果电池充满电量，充电芯片便直接给负载供电。当没有太阳照射太阳能板时，电池直接给负载供电。

传感器单元设计

原理介绍

传感器模块主要使用的是零磁通电流传感器，其基本原理如上图所示，原边电流Ip流过传感器产生一个磁通量，会被次级绕组的副边电流Is所抵消。任何残留未抵消的磁通都会被传感器内部的三个环形绕线磁芯（N1，N2，N3）所检测出来。

 其中N1和N磁芯主要检测DC直流部分的剩磁。N3主要负责交流的检测。振荡器驱动检测DC的两个磁芯，使其反向达到饱和。如果剩余DC磁通量为零，峰值瞬时检测的结果是不同方向的N1与N2电流是相等的。如果不为零，其差分分量与剩余DC磁通量成正比。当增加检测交流的N3，其产生的二次侧电流将会使磁通抵消为零。其功率放大器主要把电流Is转换输入到二次绕组Ns中，其产生的磁通将根据绕至的匝数被放大N倍，通过边界电阻，就可以把电流转换成电压。再通过精密的运算放大器放大其电压信号为用户直接接入仪器等直接使用。
当被测电流超过一定频率之后，功率放大器不再工作，仅作为回路的连通。此时的零磁通电流传感器仅作为一个无源的电流互感器。零磁通电流传感器的带宽上限由传感器头和线缆的杂闪电感和电容有关系。当零磁通电流传感器为电流型输出时，其二次侧的电流直接作为传感器的输出，不包含边界电阻和精密的运算放大器。

主控单元

主控单元主要负责接收传感器监测输电线路产生的数据，再通过SPI通讯方式将数据存入Flash芯片当中。当需要发送数据时，读取Flash里面的数据，再控制LoRa模块将数据发送出去。

其他模块设计

Flash芯片：此Flash主要用来存储传感器监测输电线路的数据，并将相应时刻的时间一起存储。此芯片是一款最小2.3V或2.5V串行接口顺序访问闪存，非常适合各种数字语音、图像、程序代码和数据存储应用。还支持RapidS串行接口，用于需要非常高速操作的应用。它的17,301,504位内存被组织成4,096页，每页512字节或528字节。除了主存储器，还包含两个SRAM缓冲区，每个512/528字节。当主存中的页面被重新编程时，缓冲区允许接收数据。两个缓冲区之间的交错可以显著提高系统写入连续数据流的能力。此外，SRAM缓冲区可以用作额外的系统暂存存储器，E2PROM仿真(位或字节的可变性)可以通过一个自包含的三步读-修改-写操作轻松处理。与传统的通过多个地址线和并行接口随机访问的闪存不同，它使用串行接口顺序访问其数据。简单的顺序访问大大减少了有效引脚数，简化了硬件布局，提高了系统可靠性，最大限度地减少了开关噪声，并减小了封装尺寸。

RTC模块：RTC里面的各个寄存器存储了相应的时间，记录了传感器监测输电线路采集数据时刻的时间。有I2C接口和温度补偿功能的新型实时时钟芯片，内部集成32.768KHz温度补偿晶体振荡器，可用于各种需要高精度时钟的场合。通过设置相应补偿的控制位，可以实现不同间隔的温度补偿功能，从而大大提高了时钟的精度。芯片可设置四种不同的时段进行温度补偿，默认设置是2S补偿。该芯片采用C-MOS工艺生产，具有极低的功能消耗，可长期使用电池供电。

LoRa模块：此模块主要是将传感器监测输电线路采集的数据和时间发送至主机终端，由于LoRa信号的特性，信号强度高，穿透性强，发送距离长，使得避雷器装置在一些偏远山区和4G信号覆盖不全的地方也能将采集的数据发送出去。此芯片是1GHz以下频段无线收发芯片，其非常适合远距离无线应用。这芯片的接收电流只需要4.2毫安，也非常适合要求长电池寿命的应用。且最大发射功率可达+15dBm，的最大发射功率可达22dBm。支持 LoRa®调制和 (G)FSK 调制。

各模块选型和特性

（1）电池

基于大部分设备的供电通用性考虑，电池选用12.8V磷酸铁锂电池，其主要指标如下：

额定电压：12.8V

充电电流：≤15A

充电温度：-10℃～+50℃

持续放电电流：不低于10A

放电温度：-25℃～+70℃

保护功能：具备过充过放保护

主电池容量：60Ah

备用电池容量：15Ah

（2）太阳能板

太阳能板选型，充分考虑了电池、太阳能充放电控制器的指标性能，其开路电压、输出功率不能超出太阳能充放电控制器的工作范围，同时也要满足电池对充电功率的需求。本设计需用了18V/140W的太阳能板，其主要参数如下：

最大功率：140W

正负公差：±3%

开路电压：24.19V

工作电压：20.16V

工作电流：6.94A3

短路电流：7.5A

组件转换率：18.6%

系统耐压：DC1000V

工作温度：-40 ～ +85℃

（3）RTC模块

在本输电线路避雷器低功耗无线读取装置中，RTC模块选用的型号为RX_8025T,因其内部集成32.768KHz温度补偿晶体振荡器，可用于各种需要高精度时钟的场合。通过设置相应补偿的控制位，可以实现不同间隔的温度补偿功能，从而大大提高了时钟的精度。其参数如下：

1.内置高稳定度的32.768KHz的DTCXO(数字温度补偿晶体振荡器)

2.支持I2C总线的高速模式(400K)

3.定时报警功能(可设定:天，日期，小时，分钟)

4.固定周期定时中断功能。

5.时间更新中断功能。

6.32.768KHz频率输出(具有使能OE功能)

7.闰年自动调整功能。(2000到2099)

8.宽范围接口电压:2.2V到5.5V

9.宽范围的时间保持电压:1.8V到5.5V

10.低电流功耗:0.8uA/3V(Typ.)

（4）Flash模块

在本输电线路避雷器低功耗无线读取装置中，Flash芯片选用的型号为AT45DB161E,因其存储容量大，访问速度高，还有两个SRAM缓冲区，可以用来当作临时缓冲区，也可以用来判断数据是否读取错误，其具体参数如下：

1. 存储器类型：DataFlash
2. 存储容量：2M（4096页 * 528字节）
3. 存取速度：85MHz
4. 接口：SPI，Rapids
5. 供电电压：2.5V ~ 3.6V
6. 工作温度：-40℃ ~ 85℃
7. 封装/外壳: 8-SOIC（0.209"，5.30mm 宽）

（5）LoRa模块

在本项目中，为了实现低功耗，发送数据这一模块选用LoRa模块，选用的芯片为SX1268，其是一款远距离、低功耗的无线收发器，是一款性能高的物联网无线收发器，具备特殊的LoRa调制方式，在一定程度上增加了通信距离，其具体参数如下：

1. 工作频段：150-960MHz
2. 最高接收灵敏度：-148dBm（LoRa调制下）
3. 最大发射功率：+22dBm
4. 最低接收电流：4.2mA
5. 通讯接口：SPI
6. 封装：4*4mm、24脚QFN封装
7. 传输速率：几百到几十Kbps
8. 调制方式：扩频技术，线性调制扩频的一个变种，具有前向纠错能力

结构设计

系统结构由太阳能板、储能箱、安装支架和传感器四大类组成，其中储能箱采用不锈钢304材质，防水可达等级IP66；安装支架采用热镀锌钢材，保证 结构强度同时做到较高防腐等级。

如上图，输电线路避雷器低功耗无线读取装置尺寸长宽高尺寸为199*133.3*219mm，图中蓝色为太阳能充电板。

安装说明

（1）三脚架预固定

如上图所示，先把三个三脚架按照上图样式用螺丝固定在输电架的角钢上，三脚架离避雷器的距离请根据现场实际情况选定，固定螺丝先带一下，先不锁紧，等输电线路避雷器低功耗无线读取装置定好位置后再锁紧。

（2）延伸钢管的固定

如上图所示，用两个304U型螺栓螺丝把延伸钢管固定在三角架上。

（3）输电线路避雷器低功耗无线读取装置的固定

根据现场实际情况把输电线路避雷器低功耗无线读取装置调到合适的位置和角度用螺丝和U型卡板固定在延伸钢管上，具体参照上图具体方式。

（4）把避雷器信号线穿进装置的感应孔

如图所示，把信号线穿进感应孔。

（5）调整位置并紧锁螺丝

把装置调整到合适的位置（角度、太阳能板接受光照的合适位置等）就紧固所有螺丝。

结束语

本文所述的输电线路避雷器低功耗无线读取装置，在此前避雷器的基础上，实现了一个传感器同时检测宽电流雷击电流和漏电流大小两个参数，LoRa低功耗无线发送数据，数据存储等功能，改变了之前人工读取数据，功耗高，续航时间短等问题。同时，本文对输电线路避雷器低功耗无线读取装置的技术优势、模块选型和特性、结构设计和安装做了系列介绍，让读者对此避雷器有了更清晰的认识。最后，希望本输电线路避雷器低功耗无线读取装置能够在输电线路在线监测行业中得到广泛的应用，为在线监测的稳定运行提供有力保障，为国家电力事业的发展贡献一份力量。

参考文献：《输电避雷器装置》、《架空输电线路设计规范》