一种可溯源的氧化锌避雷器测试仪校验装置的研制.pdf

第 2 9卷 2 o 0 9年第6期 湖南电力 研 究与试验 一 种可溯源的氧化锌避雷器测试仪校验装置的研制 刘红 ，张力军 。欧朝龙 ，彭潇 ( 1 湖南省电力公 司试验研究院，湖南 长沙 4 1 0 0 0 7 ； 2 湖 南省 电力公 司怀化 电业局 ，湖 南 怀化 4 1 8 0 0 0 ) 摘要：简要 阐述 了氧化锌避雷器及其测试仪 的工作原理和使用 ，并介绍 了一种具有电 流和参比电压的基波和各次谐波输 出接 口的氧化锌避雷器测试仪校验装置的研 制过程。 装置功能齐全、准确度 高，并且可由更高级的计量部 门进行量值溯源。 关键词 ：氧化锌避雷器；测试仪 ；校验装置 ；量值溯源 中图分类号：T M8 6 2 文献标识码：A 文章编号 ：1 0 0 8 - 0 1 9 8 ( 2 0 0 9 ) 0 6 - 0 0 0 1 - 0 4 De v e l o pme n t o f a t r a c e a b l e c a l i b r a t i o n de v i c e f o r ZnO a r r e s t e r t e s t i ng i n s t r u me nt L I U H o n g ， Z HA N G L i j u n ， O U C h a o l o n g ，P E N G X i a o 。 ( 1 Hu n a n E l e c t r i c P o w e r T e s t Re s e a r c h I n s t i t u t e ，C h a n g s h a 4 1 0 0 0 7，C h i n a ；2 Hu a i h u a P o w e r B u r e a u o f Hu n a n E l e c t r i c P o w e r C o m p a n y ， H u a i h u a 4 1 8 0 0 0 ，C h i n a ) Ab s t r ac t ： Th e p rin c i p l e t h e o r y a n d a p p l i c a t i o n o f MOA a n d i t s te s t i n g i n s t r u me n t we r e b ri e fly p r e s e n t e d a n d t h e d e v e l o p me n t o f a t r a c e a b l e c a l ib r a t i o n d e v i c e w i t h f u n d a me n t a l wa v e an d h a r mo n i c s o u tpu t i n t e r f a c e s o f c u r r e n t a n d 1 -e f e I n c e v o l t a g e wa s i n t r o d u c e dT h i s d e v i c e h a s f u l l f u n c t i o n s an d h i g h a eo u r a e y，wh i c h c a n b e c ali b r a t e d b y h i g h e r me a s u r e me n t d e p a r t me n t Ke y wo r d s：Zn O s u r g e a n e s t e r ； t e s t i n g i n s t r u me n t ； c a l i b r a t i o n d e v i c e ； q u a n t i t y t r a c e a b i l i t y 1 引 言 氧化锌避雷器 ( MO A)是 电力系统 中广泛使 用的一次过电压保护设备。在绝缘预防性试验 中， 通常使用 MO A测试仪来检验 MO A的实际运行技 术状况。目前使用 的 MO A测试仪型号多 种多样 ， 测量方法各不相同，测量准确度也参差不齐 。如果 测试仪技术性能准确性和可靠性差 ，将对 MO A运 行工况进行错误判断 ，可能造成将本来正常的避雷 器进行更换或没有检验出避雷器的缺陷而继续留在 系统 中使 用 ，从 而 造成 损失。 因此 ，为 了保 证 M O A测试仪的准确、可靠，有必要对其进行选型 检验、新购验收和使用中周期校验。 目 前国内外对 M O A测试仪校验装置进行研究 的单位及成果都较少，投入使用的校验装置大多以 模拟方式实现 ，其所产生 的电压 、电流信号幅值 、 收稿 日期 ：2 0 0 9 -0 6 - 2 2 相角精度不高，而且易受干扰 ，在实际使用时有很 大的局限性。针对这种情况 ，本项 目组研制了一种 功能齐全、准确度高的数字化 M O A测试仪校验装 置 ，它还具有基波和谐波电流和参 比电压接 口，可 用于将其送至更高级的计量部 门进行量值溯源。 2 MoA 的主要特点 金属氧化物避雷器的阀片具有很好 的非线性 ， 过电压时呈现很小的电阻，而在正常电压下阻值很 大。采用 MO A之后 ，往往可使相对地的操作过 电 压限制到 1 61 8倍相 电压 ，各相 间的过 电压限 制到 1 7 1 8倍线电压，大气过电压约可限制到 1 7 2 2 倍相电压。由于 M O A良好的保护性能， 现已取代传统的碳化硅阀式避雷器大量应用于电力 系统中，成为决定电力系统绝缘配合水平的新一代 保护装置 。 研究与试验 湖南电力 第 2 9卷 2 0 0 9年第6期 3 MOA的检测和测试仪的使用 由于大多数 MO A不再 串有问隙，运行期间总 有电流流过 M O A的阀片，阀片也会 因直接承受工 频电压而产生劣化现象或由于避雷器结构不 良、密 封不严等原 因引起避雷器电阻特性的变化及泄漏电 流的增加 ( 特别是阻性电流的急剧增加) ，致使阀 片温度上升而发生热崩溃导致对地闪络 ，甚至会导 致避雷器发生爆炸，所 以对 MO A的检测 问题显得 尤为重要。为保证 M O A的安全运行 ，必须对其进 行检测。测量的参数主要有 ：全泄漏 电流峰值和有 效值 ，阻性 电流基波峰值和 3 ，5 ，7次谐波含量， 功率损耗平均值等。 4 MoA测试仪校验装置的研制 4 1 传统 MO A测试仪的校验方法 目前 ，国内校验氧化锌避雷器测试仪的方法主 要有传统的 R C阻容网络法和普通标准信号源法。 传统的 R C阻容 网络法 的工作原理 如 图 1所 示 ，其特点 ：在工频电压的激励下 ，通过阻容网络 的配置 ，产生与参 比电压具有一定相位差的电流信 号 ，参比电压和全电流用于对 MO A测试仪进行校 验。该方法的不足是 ：回路中使用的标准 电阻、标 准电容受环境影响较大 ，接线繁琐 ，操作复杂 ，对 测量结果的影响较大，且测试数据单一 ，相角不易 灵活设置 ，校验必须的谐波电压和谐波电流无法产 生，且受被试仪器影响导致标准值变化较大 ，进而 影响校验结果的一致性。 一厂 、 电流 输 入 端 参 比 电 压 、 输 入 端 公 端 注：P A。 为测量容性 电流的交 流电流表 ；P A 2 为测量阻性 电流 的交 流电流表 ；P A 3为测量全 电流 的交流电流表 ；P V为测量 参 比电压 的交流电压表 ；C为标准电容 ；R为标准电阻 。 图 1 传 统的 R C阻容 网络校 验方 法 普通标准信号源法的工作原理如图2 所示，其 2 特点：利用 电子和单片机等技术 ，产生标准信号源 用以对 MO A测试仪进行校验。该方法 中的参 比电 压和全电流可通过谐波电压和谐波电流分量的叠加 产生。该方法的不足是 ：这种思路设计的校验装置 本身是否准确可靠很难得到验证 ，如全电流中各次 谐波电流的幅值 、相位 、频率等参数很难进行高准 确度的溯源。其原因在于 ：这些谐波电流分量包含 在全电流里，对这些分量进行溯源时需通过数字信 号处理分析手段 “ 间接”计算出来 ，这种 “ 间接” 的计算或提取过程无疑会降低谐波 电流分量溯源结 果的可信度；同理 ，基于普通标准信号源给出的参 比电压含谐波 电压 时，各次谐 波 电压 的幅值、相 位 、频率等参数也很难进行高准确度的量值溯源。 图2 普通标准信号源校验方法 综上所述 ，目前国内的校验装置在工作原理和 量值溯源性上存在不足。而且 ， 目前市场上 MO A 测试仪标称的最大允许误差 已达到幅值测量0 5 、 角度测量 0 2 。 ，对校 验装 置输 出的准确度等级也 提出了更高的要求。 4 2系统设计 本项 目根据 D L T 9 8 72 0 0 5 氧化锌避雷器阻 性电流测试仪 通用技术条 件 设计 了校 验系统， 有阻性 电流、容 性 电流、谐 波 电流 、全 电流、相 角、参 比电压等输出或设置功能 ，具体参数为： ( 1 )电流：输 出范 围 0 21 0 m A，误 差 ( 0 2 读数 + 3 A) ； ( 2 )参 比电压：输 出范 围 2 01 0 0 V，误差 0 2 ： ( 3 )相角：输出范围0 3 6 0 。 ，误差 0 1 。 ； ( 4 )谐波分量：同时输 出偶次 和奇次谐波分 量 ，最高 l 3 次谐波。 为了提高系统的适用性和功能的扩展 ，采用基 于 R S 2 3 2通讯接 口的上 、下位机结构 ，如 图 3所 示。上位机为通用计算机 ，安装监控 和通讯软件。 下位机以单片机为核心，按照上位机的指令来控制 电流和电压信号的输出。 蠹 詈 一 2 0 09 No 6 HUNAN EL EC TRI C POW ER V0 l _ 29 二 电 输 t 、 一 措 他 输 f 压 辅 川机 义 、 图3 MO A测试仪校验装置总体示意图 4 2 1 硬件系统 装置下位机的硬件功能结构如图4所示 ，其工 作原理 ：在控制器 1( 单片机 C 8 0 5 1 f 0 2 0 ) 的作用 下 ，每个信号产生模块 2 1 2 5可以分别产生独立 的幅值、频率、相角可调的高度平滑 的正弦信号 ， 这些正弦信号可对后级各 自独立精密电流源和电压 源回路进行激励 ，形成各次电流分量和电压分量驱 动信号，并且将各次电流分量通过直接并联相加合 成并输 出含有各次谐波分量的全电流 ，将 电压分量 驱动信号通过驱动精密电压互感器相加最终输出含 有各次谐波分量的参 比电压。 注 ：l为 控 制器 ；2 1 ，2 2 ，2 3 ，2 4 ，2 5为 正弦 信号 发 生 器；3 1 ， 3 2，3 3为精密 电流源模块 ；3 4 ，3 5为参 比电压回路信 号调理模块 ； 4 1 ，4 2，4 3为精密四端电阻；5 1 ，5 2为精密电压互感器。 图4 MO A测试仪校验装置下位机功能框图 装置 中使用基于直 接数字合成 技术 的 D D S芯 片 A D 9 9 5 1来获得幅值和频率稳定可调、且曲线平 滑的正弦信号。其主要特点是：正弦信号的频率除 了可为基波 5 O H z 外 ，还可方便地配置成各次谐波 频率，而且非常稳定；正弦信号的幅值分辨率可达 1 4 位，满足了准确度的需要；正弦信号曲线虽然 是离散的，但曲线幅值的刷新间隔小于 1 I x s ，由普 通示波器 已看不 到 “ 阶梯 ” ，这 种 “ 曲线 高度平 滑”的效果完全可 以不使用滤波 电路 ，从而避免 由滤波电路带来幅值和相位的负面效应。 装置中核心的精密电流源和精密电压源采用 “ 模块化叠加”的设计方法。每个精密 电流源或精 密电压源模块的输人信号来 自 D D S芯片，为 幅频 可调的独立纯净的正弦信号 ，在正弦信号激励下每 个电流源或 电压源模块可分 别输 出不 同幅值 、频 率、相位的电流、电压分量作为全电流和参 比电压 的各个分量；精密电流源采用高性能器件 ，使电流 源的输 出阻抗接近无穷大 ，精密电流源模块通过直 接并联合成全电流信号 ，达到电流相加 的目的 ；类 似精密 电流源 ，精密电压源模块通过直接串联合成 参比电压信号 ，采用 2 5 V 1 0 0 V升压变 比的高精度 电压互感器作为最终输出，可避免采用高压功率放 大器升压存在 的不足。 装置的硬件设计特点 ：在输出全电流的同时能 将各次电流分量通过精密 四端 电阻分别转换为相应 的电压信号并引出到机箱 面板作 为校验接 口；同 样 ，精密电压互感器各 自的输 出电压也可以分别直 接输 出到机箱面板作为校验接 口。这样 ，在输 出含 各次谐波分量的全电流和参 比电压的同时 ，也可以 对其 中所有 的电压 和电流分量进行测量 ，实现 了 MO A测试仪校验装置的可溯源性。 4 2 2 软件系统 ( 1 )下位机软件 下位机软件采用 目前 流行的单片机 C语言模 块化设计。软件编程采用模块化程序控制。程序分 成几个模块 ，主程序调用模块子 函数实现所需要 的 功能 ，其流程如图 5所示。 ( 翌 堕 ) 厂 F= _ ) 一 _ _ _ 1 竺 堕 卜 I 蔓 f 图 5 下位 机 主程序 流程 图 ( 2 )上位机软件 ( 下转第7页) 3 2 0 0 9 N o 6 HU NAN E L E C T RI C P O W E R Vo l _ 2 9 度和氧量 。煤粉细度控制在 6 ，省煤器出 口氧量 控制在 4 左右为宜。氧量过高，锅炉稳定性会受 到影响；氧量过低 ( 3 5 以下 ) ，机械不完全燃 烧损失明显增加 ，影响锅炉经济性。 4 4 燃烧器设计 的外二次风量 与内二次风量之 比 为 6 ： 4，外调风叶片角度对燃烧 的影响最大 ，试验 证明燃用劣质无 烟煤 时外 叶片开度一般 不宜小于 5 0 。 ，否则会对燃烧稳定性造成不 良影响。 4 5 燃烧器的内叶片具有 良好的调节特性，能有 效改变煤粉着火距离和炉膛火焰 中心高度。通常煤 质的变化只需通过对内叶片的调整即可满足运行需 要 。原煤的挥发分和热值越低 ，内叶片角度可以适 当调节得更小。一般情况下，内叶片角度不宜低于 3 0。 参考文献 1 黄伟 ，李文军 w 型火焰锅炉燃用低挥发份无 烟煤的试验研究 ( J 动力工程 ，2 0 0 5 ( 6 ) 2 李文军，黄伟，曾伟胜 ， 等 E I x c L 双调风旋流燃烧器在 w 型锅炉上的试验研究 J 华中电力 ，2 0 0 6 ( 2 ) 3 A S ME P T C A 一1 998 ，F i r m S t e a m G e n e ra t o r s s 作者简介 ： 宾谊沅 ( 1 9 7 9一 ) ，男 ，湖 南桃 源人 ，工程师 ，从 事 电站锅炉 的 调试 、试验 、锅检工作。 黄伟 ( 1 9 6 4一) ，男 ，江 西波 阳人 ，高级工 程师 ，从 事电站锅 炉 的调试 、试验 、锅检工作 。 朱光 明( 1 9 7 5一 、 男 ，河 南舞 阳人 ，博士 ，从事 混煤燃 烧优 化 以及锅炉节能技术等方面的研究 。 ( 上接 第 3页) 上位机软件采用 V C+开发 ，在界 面中进行 参数设置，参数设置完成后 ，点击数据下载按钮并 启动工作，当校验装置下位机状态指示灯指示工作 正常，则下位机就输出标准电流