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智能电网传感器的防雷
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文章发表：2014年6月6号
关键词:传感器、智能电网、闪电、电子设备、电信、配电线路
摘要：本文介绍了电力线传感器的保护过程，特别是闪电产生的压力下，使电力传感器与电磁环境相适应。本文包括通过器件外部接口耦合到器件上的传感器的描述和仿真结果。结果表明，射频电路的保护需要在天线端口安装一个高通滤波器，而电压测量电路的保护可以通过一个分压器和一个低通滤波器相结合来实现。反之，电流测量电路的保护是通过安装浪涌保护器来实现组件。
2014年爱思唯尔(Elsevier B.V.)版权所有
- 引言
几项智能电网功能的实现要求了解电网的相关信息，比如沿网线的电压、电流等，以及开关的设备状态[1]。然而安装在网线中的电子设备受到恶劣环境的影响，包括温度变化、降雨、振动以及干扰的电磁场。闪电产生的电磁场不仅能引起电磁干扰，而且还会损坏电子设备。这些字段可由文献中可用的公式来计算。其中的一些公式在本文中被用来定义为智能电网应用开发的传感器中实现的照明保护技术。在[8]中提出了一种初步的方法，是通过对天线的模型进行改进，包括传感器底盘提供的屏蔽，以及考虑闪电磁场的感应，对该方法进行了补充。本文的第一部分描述了传感器本身，再次是传感器外部接口所实现的保护措施。
2.传感器的描述
2.1总体概述
所考虑的传感器用于评估天线配电线路导体中的电压与电流。为了做到这一点，它有提供信号的电场和磁场传感器，分别于线路电压和电流成正比。传感器通过无线电链路将此信息发送到附近安装的集中器单元，即在几百米的范围内。集中器处理从多个传感器接收到的信息，包括来自其全球定位系统（GPS）接收器的时间戳，并向实用程序的操作控制中心发送消息。此信息可以用于不同的应用程序。在这种特殊的情况下，它由一个专门软件用来检测和定位电网沿线的故障，包括高阻抗故障。本文主要研究传感器的防雷情况，由于传感器具有灵敏的电磁场接口，而且它放置在接近靠近电源导体的地方。
传感器底盘的材质为铝制箱体，它的尺寸为80mm*125mm*57mm，壁厚度为3mm，如图1所示。它有一个L形的支撑，插入在通常用于配电线路的绝缘子的底部。传感器的安装很简单，只需要拧开绝缘子座螺母的一部分，插入传感器，然后把螺母拧回去即可。这个操作可以通过通电线路进行。图2为a。一组安装在三相配电线路（13.8kv）上的三个传感器，以测量三相的电流和电压。这个集中器（图中未显示）位于50米外的相邻极点。
2.2 电压传感器
图三为传感器的示意图，无底盘。屋顶状结构电场天线（EFA），它为传感器印刷电路板（PCB）提供电压信号。PCB是图3底部的矩形结构。传感器安装在绝缘子的基部，因此电流互感器位于交叉臂水平(见图2)。在此情况下，有一个电容在导线和电流互感器之间。连接电容在电流互感器和接地基准之间，使电容分压器提供一个低压信号，经过整流、调整，并提供给微处理器的模数转换器（AD）。
(图1所示，传感器的近景。)
2.3 电流变送器
在图（3）中，EFA下方的结构是一对包含两个线圈的卷轴，它们构成了磁场天线（MFA），这些线圈受到电流产生的磁场的激励并在电源线上提供一个经过整流调节的信号，并提供给AD变换器。传感器由两块1.2V，2Ah，NiMH电池供电（就在PCB的正上方气缸），这提供了大约五年不用充电的使用寿命，这是可能的，因为传感器在待机模式下的功耗非常低只有96micro;W。为了扩展传感器的自主性，设计了一种特殊的电路，以从直线磁场中获得一些能量，并对电池充电。
(图2所示，为一组安装在电力线结构中的三个传感器。)
(图3所示，传感器示意图。)
3.保护射频电路
该传感器的射频（RF）电路基于一个运行在433MHZ频段工作的无线电收发器，在初步测试中被证明是非常可靠的。然而,这种收发器在低频率下对天线产生高阻抗连接状态，容易被闪电损坏电磁场而发生故障。确实，在这个领域容易发生相同故障，以前有用收音机时收发信机在工作中产生了相同故障的经历。
由于射频天线是垂直极化的，所以垂直电场是传感器保护评估的相关场分量。诱导垂直电场的计算公式最初由Rusck【2】开发，后来Barbosa和 Paulino【4】对其进行了修正：
（1）
其中I0为电流幅值，ZE = 377Omega;为自由空间阻抗，v为回程速度，r0为距离行程，vR为相对回程行程速度，t为时间，lambda;= (1 - VRsup2;)为洛伦兹收缩因子的平方。式子(1)是考虑阶跃通道基极电流，传输线(TL)回程模型，并完美导电接地。值得一提的是，根据Rubinstein[3]的理论，有限条件下的引线接地对近距离垂直电场的影响很小。
考虑到雷击距离传感器r0= 50米时，回程速度为v = 150 m / s（即vR = 0.5），并且通道基极电流具有单位幅值（I0 = 1 kA），用于单位阶跃电流激励的垂直电场Estep（t）从（1）得到。
(图4所示，为附近后续冲程的垂直电场。)
(图5所示， RF天线和收发器输入端口的等效电路。)
（图6所示，由于闪电引起的收发器端口的脉冲电压U2。）
任意产生的电场电流波形可以通过卷积定理【9】从阶跃波形产生的场中计算出来:
（2）
其中Irsquo;arb是任意电流波形的时间导数除以1Ka。在本研究中，假设一个后续冲程的波形，因为它的高时间导数可能产生比第一个冲程更高的感应电压。采用IEC62305-1/10]提出的波形，其表达式为: （3）
参数1=50KA,n=10,k-0.993,T1=0.454micro;s,和tau;2=143micro;s.
由步进电流产生的电场与电流的时间导数之间的卷积给出了使传感器发光的垂直闪电电场。该场如图4所示，其中可以看出，该场的峰值接近110KV/m。
通过将天线的有效长度乘以雷击产生的垂直电场，可以得到天线上产生的电压U1.由此产生的施加到收发信机输入端口的电压U2可以通过电路仿软件进行评估，其中天线由其等效电路表示，如【11】所述。图五为计算所用的等效电路，其中开关S的左边代表天线，右边代表收发输入电路。开关S保持打开状态电压U2是施加到收发器输入端口的电压。值得一提的是天线的抗辐射能力在雷电电磁场的频率范围内，其电感的影响可以忽略不计，因此它们已经从等效电路中移除。
从元器件数据表和直接测量中得到相关参数，得到C1=1pF，C2=50pF,R=50Omega;.天线是一个紧凑的偶极子为433兆赫，有效长度为41毫米。图6显示了由附近闪电引起的收发端口的预期电压。其峰值接近90V，有可能损坏RF电路，这已通过图7所示的测试装置得到验证，其中脉冲发生发生器(1.2/50micro;s）被用于在天线的输入端口直接施加90V电压。有趣的是，图6所示的电压波形与脉冲发生器波形的距离并不远。根据ITU-TK44，共施加了10个浪涌，每个极性各5个【12】。测试结束后，传感器无法传输信息，这意味着射频接口被破坏。
为了提高无线电收发机对雷电的免疫力，在射频电路中安装高通滤波器。该高通路滤波器是通过在收发器与天线连接器之间的PCB轨道上插入并联电感来实现的，如图5所示。这是一种表面安装设备（SMD）电感器，具有1micro;H，650毫安的最大连续电流和700MHZ的最大工作频率。
图8为考虑滤波器时的电压Uz，由图5中的开关S闭合表示。可以看出，电感器在电压峰值上降低了约三个数量级。由此产生的电压波形也比原来的短很多，应该是完全无害的收发器。仿真结果还表明，电感所携带的电流在10mA左右受到C1的限制，远远低于其额定值。
使用图7所示的相同测试设置验证了传感器免疫性能的提高，其中引入了一个无源电路来模拟滤波器的工作。按照[12]的测试程序施加电涌后，传感器工作正常。
(图7所示，验证射频天线免疫力的测试装置。)
(图8所示，在考虑高通滤波器的情况下，雷电对收发机端口的冲击电压。)
- 电压传感器的保护
如第二节所示，电压传感器与电力线导体耦合。因此，施加在电力线导体上的过电压会使换能器电路产生电压。本节的目的是评估可与电场传感器耦合的最大电压，并确定所需要的保护措施。
在不同导体的直径实验是测量中了功率导体与EFA之间的电容，其值在0.5PF左右，在分压器的二次臂上插入2.2nF电容，其比值为1/4400。例如，在正常运行时，8KV线路对地电压对应于电子线路输入端的1.82KV。该方法通过在一个高压实验室中进行试验得到验证，该实验室代表了尽可能接近的实际安装。
考虑到架空配电结构的脉冲绝缘水平约为110KV，分压器将为PCB提供最大峰值电压25V。这一电压会阻塞传感器的AD转换器，使其饱和在1.2V左右。因此，在分压器和AD转换器之间实现了低通滤波器，从而大大减少了施加于EFA的任何脉冲电压的影响。图9显示了用于处理EFA方法捕获的信号的电路。各组分值如下：C1=0.5PF, C2=2.2nF, C3=10nF ,R1=100KOmega;,R2=500KOmega;。假设输入电压为标准1.2/50micro;s波形[13]，由R1,Rz和c3提供的低通滤波器进行强滤波。
图10为所考虑的条件下施加到AD转换器上的电压U2，峰值保持在1V以下，即在AD转换器的活动范围内。因此，分压器与低通滤波器的组合显然足以保护EFA电路免受雷电诱发的浪涌影响。值得一提的是，与完整的1.2/50micro;s波形相比，低通滤波器对附近绝缘闪络引起的任何斩波都能进行更有效的衰减。
（图9所示，电路之间的EA和传感器AD转换器。）
（图10所示，AD电压转换器的雷电脉冲电压。）
- 电流传感器的保护
如第4节所述，电流传感器的目的是提供与线路电流成比例的直流电压。这是由一个磁场天线（MFA）来构成的，该天线由两个线圈和线电流产生的磁场耦合而成。每个线圈有10000匝，横截面积为200mm2。在叠层铁芯的作用下，MFA与线导体在工频下的互感系数为30micro;H这意味着，在MFA的输入端，100A的工频电流（例如60HZ）将产生1.1Vrms的电压。
如果线导体受到脉冲电流的作用，则高电流时间导数可能会在MFA的输出端产生高脉冲电压。在高频情况下，钢的表观渗透率显著降低【14】，因此认为钢芯不存在。如【15】所述，金属底盘的存在将显著衰减磁场和感应电压。由于车身和车盖只能通过位于车体拐角的螺钉进行电接触，因此必须通过实验来评估衰减。
采用5圈直径 为180毫米的亥姆霍兹线圈产生感应电场。10圈直径为20毫米的线圈检测感应电压，进行了评估。衰减是通过计算得到的比值诱导体积电压与底盘，为相同刺激的电流。该装置用于频率范围从10kHZ到4MHZ，其中激磁电流是采用CT Pear son 4100和示波器Tektronix TDS 3014B测量的。在较低的频率范围内，亥姆霍兹线圈被一个100匝，直径130毫米的螺线管代替，使用的感应线圈有1000匝，直径20毫米。在这种情况下，用真有效值伏特计和电流计进行了测量。对于整个频率范围，信号发生器是泰克公司310年二自由度陀螺仪。得到的结果如图11所示，其中可以看出，在工频附近的响应是平坦的，在较高的频率下是明显衰减。
（图11所示，衰减由传感器底盘提供。）
对MFA输出电压可以通过脉冲电流峰值为10 kA，峰值为8/20micro;s波形的脉冲电流流过导体来进行评估。本研究考虑这一电流是因为它用于测试配电线路的浪涌避雷器【16】.波形由（3）得到，具有以下参数：I=10KA,n=2,k=0.226,tau;1=8micro;s,tau;2=10micro;s。
考虑到导体与MFA之间的距离为0.26m，利用图11所示的数据，按照【15】中描述的步骤计算传感器机箱对磁场的衰减。忽略绕组间的电容，MFA感应电压可由：
（4）
其中A为线圈面积，n为匝数，micro;0为自由空间磁导率，Harrt为衰减磁场。
图12 为所考虑条件下MFA中的感应电压，峰值为1.7KV，极有可能损坏线管电子线路。为了便于比较，还显示了如果没有底盘，将会产生的电压。
（图12所示，MFA的电流为10KA，电流为8/20micro;s。）
为了保证MFA以及保护相关
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