智能电网传感器防雷外文翻译资料

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智能电网传感器防雷

Celio Fonseca Barbosalowast;, Flaacute;vio Eduardo Nallin

Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicaccedil; otilde;es – CPqD, Campinas, Brazil

摘要：本文主要介绍电力传输线传感器中实施的保护措施，该保护措施使传感器与电磁环境兼容，重点突出雷电对传感器的作用。本文包含对传感器的描述和通过外部接口耦合到设备的雷电浪涌的仿真结果两个部分。研究表明，在天线端口安装一个高通滤波器可以保护射频电路；将分压器与低通滤波器组合使用可以保护电压测量电路。此外，对电流测量电路的保护，可以通过安装浪涌保护器来实现。

关键词：传感器；智能电网；雷电；电子设备；通信；配电线路

1. 引言

如果想实现多个智能电网的功能，就需要了解相关电网的信息，例如电网中的电压、电流、交换设备的状态等。电网中的电子设备会受到一些恶劣环境的影响，如温度变化、雨水、机械振动、电磁干扰等。闪电产生的电磁场不仅会干扰电子设备，甚至会对电子设备造成损害。这种电磁场可以利用文献中的公式计算出来（例如[2-7]），本文中会用到文献中的部分公式来对智能电网中传感器的防雷原理进行定义。文献[8]提出了一种初步解决方案，文本通过改进天线模型（包含传感器机箱屏蔽）和考虑雷电磁场感应来改善该方案。本文第一部分描述传感器，其余部分描述外部接口中实施的保护措施。

1. 传感器的描述

2.1总体概述

由于传感器是为了测量架空配电线路中导体的电压和电流。因此它具有电场和磁场两种传感器，分别提供与线电压、电流成比例的信号。传感器通过无线电将这些信号发送到安装在几百米范围内的集中器单元中。集中器会处理由多个传感器传过来的数据，其中包括了GPS（全球定位系统）接收器的时间戳，然后集中器再向操作控制中心发送信息。这些信息可被不同的应用程序使用。在特殊情况下，这些信息被专业软件用于检测和定位包含具有高阻抗特性的故障在内的电网故障。由于传感器中存在对电磁场敏感的接口，因此本文致力于传感器防雷。

如图1所示，传感器底盘是一个80mmtimes;125mmtimes;57mm的铝盒，铝盒壁厚3mm。它还有一个L型支架，插在配电线路的绝缘底座下面。安装传感器是十分简单的，只需要拧开部分绝缘支架螺母，然后将传感器插入并且将螺母拧回去即可。假如需要的话，可以在带电线路上进行安装。图2是一组安装在三相配电线路（13.8 kV）中的传感器，它由三个传感器组成，这组传感器可以测量三相电压和电流。集中器（图中未显示出来）位于距离传感器50m远的杆上。

图1、传感器近视图 图2、安装三相配电线路中的一组传感器

2.2、电压传感器

图3为没有底盘的传感器的示意图。图3中屋顶状的结构是电场天线（EFA），它负责向传感器印刷线路板（PCB）提供电压信号。图3底部的矩形结构是PCB。传感器安装在绝缘底座上面，EFA位于横臂的水平面上（见图2）。在这种情况下，导线和EFA之间存在着电容。电容连接在EFA和参考地之间，形成了一个电容分压器，该分压器提供一个低压信号，低压信号经过整流和调节后，会被传输给微处理器的模数（AD）转换器。

2.3、电流传感器

在图3中，EFA下面的是一对带有两个线圈的卷轴，这对卷轴构成了磁场天线（MFA）。线电流激励产生的的磁场与线圈耦合会产生一个信号，该信号经过整流、调节后传输给AD转换器。给传感器供电的是两个1.2V，2Ah的镍氢电池（位于PCB上方的圆筒），它们可使得传感器无需充电便能运行5年。传感器在待机模式下的功耗非常低，仅为96 W。为了扩展传感器的自主性，专门设计了一种从线路的磁场中收集能量为电池充电的特殊电路。

图3、传感器示意图

3、射频电路的保护

该传感器的射频（RF）电路基于一个工作频段为433 MHz的无线电收发器，这种无线电收发器在初步的测试中证明是非常可靠的。但是，这种收发器的天线连接处会在低频率时呈现高阻抗，这很容易遭受雷电电磁场的破坏。实际上，以往在这个领域遭受失败就是因为借鉴了许多的具有类似特性的无线电收发器的经验的缘故。

由于射频天线是垂直极化的，因此垂直电场可以作为评估传感器保护性能的相关分量。 由Rusck [2]提出并由Barbosa和Paulino [4]修改的表达式可以计算出这种感应垂直电场：

Estep=， （1）

其中是电流幅值，=337Omega;是空间阻抗，是回击速度，是距离，是相对回击速度，t是时间，是洛伦兹收缩因子的平方。式（1）考虑了梯级通道中的基极电流，传输线（TL）回击模式和理想的地面电导率。值得一提的是，根据Rubinstein[3]的观点，有限的地面电导率对近距离的垂直电场几乎没有影响。

当雷击点与传感器之间的距离=50m时，回击速度=150m/mu;s（即= 0.5），通道中的基极电流值为单位电流值（=10kA），激励单位阶跃电流的垂直电场Estep（t）值可由式（1）计算得出。由任意电流波形产生的电场，可以通过将产生该电场的的阶跃波形卷积[9]计算出来：

（2）

其中是电流变化率除以1kA。在这项研究中，假设了一个后继雷击的波形，由于它的变化率大，因此它可能比首次雷击产生的感应电动势更高。该波形是由IEC 62305-1 [10]提出，其表达式为：

， （3）

参数=50kA，=10kA，=0.993，=0.454mu;s，=143mu;s。

阶跃电流场与电流变化率卷积可以得出到达传感器的闪电垂直电场。如图4所示，垂直电场的峰值可达110 kV / m。

将天线的有效长度乘以雷击产生的垂直电磁场可得到天线上产生的电压。电路仿真软件可以估测出施加在收发器输入端的电压，天线可以用[11]中所述的等效电路表示。图5所示的就是用于这种计算的等效电路，其中开关S的左边表示的是天线，右边表示的是收发器输入电路。开关S一直处于打开状态，电压是施加在收发器输入端的电压，值得一提的是，相对于闪电电磁场，天线电阻和天线电感的影响可以忽略不计，因此它们在等效电路中被移除了。

图4、后继雷击的垂直电场 图5、RF天线与收发器输入端口的等效电路图

通过元件的数据表和测量获得了以下参数：=1pF，=50pF，=50Omega;。该天线是一个433 MHz的小型偶极子，其有效长度为41 mm。图6显示的是闪电发生时，闪电附近的接收器端口的冲击电压。其峰值接近90V，图7所示的实验证明该电压会损坏射频电路，实验中使用（1.2/50mu;s）脉冲发生器在天线的输入端施加90V电压。有趣的是，我们观察到图6显示的电压波形与脉冲发生器波形差别并不大，与ITU-T K.44 [12]一样，我们总共用进行了10次测试，每种极性各测试5次。 测试后，传感器无法传输信息，这说明RF接口已经被损坏了。

图6、由雷电引发的接收器端口冲击电压 图7、验证RF天线抗干扰能力的测试装置

为了提高无线电收发器对雷电的抗干扰能力，我们在RF电路中安装了高通滤波器。该滤波器由PCB的轨道中插入的并联电感构建而成，PCB位于收发器和天线接口之间。图5所示的L即为这种电感。这是一种表面贴装（SMD）电感，其电感为1mu;H，最大连续电流为650mA，最大工作频率为700MHz。

图8所示的是考虑了高通滤波器以后的，由雷电引起的端口电压，图5中的开关S表示的就是这个电压。可以看出电感可以使电压峰值降低三个量级。这使得电压波形也比之前的电压波形短，并且完全不会损害收发器。仿真实验还表明了电感所承受到的电流在10毫安左右时会被限制，该值远低于电感的额定值。

图8、考虑高通滤波器以后，雷电引起的端口冲击电压

图7所示的实验证明，高通滤波器可以提高传感器的抗干扰能力，实验中引入了无源电路来模拟滤波器动作，按照[12]的试验步骤施加浪涌后，传感器正常工作。

4、电压传感器的保护

如第2节所述，电压传感器连接在电源线上。这会将施加在电源线上的过电压传导至传感器线路。本部分旨在评估可耦合到电场传感器的最大电压，并且确定传感器所需的保护措施。

我们在实验室使用不同直径的导体测量电源线与EFA之间的电容，电容值大约为0.5pF。基于上述结果，在分压器的副臂中插入一个2.2nF的电容，其比值为1/4400。在正常的操作中，当导线与大地之间的电压为8kV时，对应的输入端电压为1.82V。这可以通过高压试验来测试验证，这种试验应尽可能的接近真实情况。天线配电结构的脉冲绝缘水平约为110kA，分压器施加在PCB上的最大电压峰值为25V。该电压可能会损坏饱和电压约为1.2V的传感器的AD转换器。因此，需在分压器与AD转换器之间增加一个低通滤波器来削弱施加在EFA上的冲击电压的影响。图9显示的是用于处理EFA捕获的信号的电路图。图中各元件的值如下：=0.5pF，=2.2nF，=10nF，=100kOmega;，=500kOmega;。假设输入电压为标准的1.2/50mu;s波形[13]电压，，，组成的低通滤波器能对其进行有效的滤波。图10所示的是施加在AD转换器上的电压。其峰值保持在1V以下，该电压在AD转换器的有效范围内。因此，分压器与低通滤波器组合可以保护EFA电路，使其免受雷电浪涌的损害。值得一提的是，附近绝缘子中的闪络引起的开路电压波形都将被低通滤波器衰减，衰减方式比1.2/50mu;s波形更加有效。

图9、EFA与传感器的AD转换器之间的电路 图10、AD电压转换器上的雷电冲击电压

5、电流传感器的保护

如第2节所述，电流传感器旨在提供与电流成比例的直流电压。由两个线圈组成的磁场天线（MFA）可以实现其功能，该线圈会与线电流产生的磁场耦合。每个线圈有10000匝，其横截面积为200平方毫米。借助层压钢芯，在频率为工频时，MFA与导线之间的互感为30mu;H，这意味着在导体中的100A的工频电流（例如60Hz）会在MFA的输出端产生1.1Vrms的电压。

如果导线遭受到冲击电流，很大的电流变化率可能会导致MFA输出端出现很高的冲击电压。在高频时，钢的导磁系数会明显的下降[14]，因此，可以认为钢芯是不存在的。如[15]中所述，由于金属底盘的存在，这将会显着的衰减感应电压和磁场。因为底座的主体和外壳只能通过位于其角落的螺钉进行电气接触，所以这种衰减必须通过实验进行评估。

我们使用具有5匝和180mm直径的亥姆霍兹线圈来产生诱导场，并且使用10匝和20mm直径的线圈来检测感应电压。通过获取有底盘时和没有底盘时的感应电压之比来计算相同的激励电流的衰减。该方法适用于10kH到4MH频率范围内的激励电流测量，且需使用Pearson 4100的CT和Tektronix TDS 3014的示波器进行测量。对于较低频率范围而言，可以用100匝，直径为130 mm的螺线管所取代亥姆霍兹线圈，检测感应电压的线圈使用1000匝，直径为20 mm的线圈。这种情况下，应使用电压表与电流表进行测量，信号发生器采用Tektronix AFG 310。结果如图11所示，图中可以看出，工频周围的响应较平坦，高频有明显的衰减。

假设导体流过具有10kA峰值和8/20mu;s波形的冲击电流，以此来评估MFA输出端的电压。由于这种冲击电流可以用于测试配电线路的避雷器[16]，因此在本研究也考虑对种电流。由（3）可以获得下列参数：=10kA，=2，=0.226，=8mu;s，=10mu;s。

在采用[15]中描述的方法，然后利用图11所示的数据来计算传感器底盘的磁场衰减的同时，也要考虑导体与MFA之间的距离为0.26m。忽略绕组间的电容，MFA中感应电压可以通过以下方式获得：

， （4）

其中A是线圈面积，n是匝数，是空间磁导率，是衰减磁场。

图11、传感器机箱引起的衰减

图12所示的是在所考虑的条件下MFA中的感应电压，从图中可以看到MFA具有1.7kV的峰值电压，这很可能会损坏相关的电子电路。为了进行比较，图中还显示了底盘不存在时的感应电压。

我们在每个线圈上都安装了浪涌保护元件（SPC），以确保MFA以及相关的电路免受雷电感应浪涌的影响。每个线圈的电阻值为3KOmega;，忽略底盘衰减（注意MFA由两个串联的线圈组成），预计最坏的情况下的峰值电压可能高达3kV。这意味着通过SPC的预期浪涌电流不太可能大于1A。由于二极管阵列装置是对称的，并且对于其工作阈值以下的电压具有高阻抗的特性，因此我们选择这种装置安装在线圈上。该方案采用的是额定值为10V（钳位电压），和10A（浪涌电流，8/20mu;s）的器件，图13所示的是这种保护器件的电路图。值得一提的是，由附近的绝缘子中闪络产生的传递到SPC的短路电流波形将8/20mu;s波形能量更低。因此，在传感线圈上安装SPC可以有效的保护下游电路免受过电路中的过电流的影响。

图12、MFA中的10kA电压与导体中的8/20mu;s波形电流

图13、安装在MFA输出端口的浪涌保护元件（SPC）（用H的箭头表示感应磁场））

6、讨论

文本认为，MFA的最大应力是由冲击电流产生的。虽然传感器到雷击点的距离比传感器线路到雷击点的距离更远，但传感器中的冲击电流比线路中的冲击电流具有更高的峰值与更短的前沿时间。因此，比较两个不同源的传感器的磁场变化率就十分意义了。电流除以2d后可得到导体中电流产生的磁场，其中d是导体与传感器之间的距离（d = 0.26m）。后继雷击产生的磁场可以利用由Rusc

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