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智能电网传感器的防雷保护

摘要：本文介绍了在一种以电源线传感器实现的保护程序，以使它兼容电磁环境,特别是当雷电施加的应力闪烁时。本文包括通过传感器的外部接口描述和模拟仿真雷电波耦合的结果。它表明射频电路的保护需要在其天线端口测量其电压，保护电路可以采用结合低通滤波器电压分压器来实现完成一个高通滤波器的安装,通过其保护电流测量电路的保护是通过安装浪涌保护装置组件来实现的。

关键词：传感器 智能电网 闪电 电子装置 电信 配电线路

1. 简介

几种智能电网功能的实现需要了解相关信息的能量电网，如电压和电流沿网络，以及开关设备的状态[1]。然而，电子在电网中安装的设备受到苛刻的环境，包括温度变化，雨，振动，干扰电磁场。闪电产生电磁场不仅可以引起干扰，而且可以引起对电子设备的损坏。这些领域可以通过文献中提到的计算公式来计算（例如，[ 2-7]），一些在本文中使用用以确定在传感器开发的防雷技术开发智能电网应用。在[8]提出了一个初步的方法，这是通过改进天线补充的一种模型，从雷电磁场的感应考虑包括由传感器机箱提供的屏蔽。本文的第一部分描述了传感器本身，下面的部分描述了在它的保护措施的外部接口。

1. 传感器描述

2.1概述

所考虑的传感器的目的是评估电压和架空配电线路导线中的电流。这样做的原因是：提供信号的电场和磁场传感器线电压和电流成正比。该传感器通过无线电路发送此信息到一个选矿厂单位附近，即在几百米的范围内。这个选矿厂从一个数字传感器处理收到的信息，包括一个时间戳，其全球定位系统（全球定位系统）接收器，并向该实用程序的操作控制中心发送一个消息。此信息可用于不同的应用程序。在这种特殊情况下，它是由一个专门的软件使用为了检测和定位故障沿电网，包括那些具有高阻抗的特点的电网。本文是专用于传感器的防雷，因为它具有敏感的电磁场接口，它也被放置在靠近电力导体的位置。该传感器机箱是一个铝框有80毫米times;125毫米times;毫米times;57毫米，壁厚3毫米，如图所示在（图1）它有一个升形的支持，用绝缘子的基础插入下面的配电线路。传感器的安装很简单，因为它只需要拧下绝缘支架螺母，插入传感器，并将螺母拧紧。如果需要的话此操作可进行通电线路。图2显示了一组三个传感器安装在三相配电线路（13.8伏），所以可以测量的电压和电流的三个阶段。这个聚光（未显示在图中）位于邻近极50米远。

图1（传感器的关闭视图）

图2（一组三个传感器安装在电源线结构）

2.2电压互感器

图3显示了一个传感器的示意图，没有底盘。屋顶结构是一个电场天线（EFA），这向传感器印刷电路板提供电压信号。印刷电路板是图3底部的长方形结构。传感器安装在绝缘体的基地，使电弧炉是在水平交叉臂（见图2）。在这种情况下，有一个电容在导线和EFA之间。电容器连接在EFA和接地水平之间，使电容提供了一种低压信号的电压分配器，并提供给转换器微处理机模拟和数字（广告）。

2.3电流互感器

在图3中，结构略低于EFA是一副双线圈的卷轴，连接磁场天线（MFA）。这些线圈是由电流产生的磁场激发。在电源线导体，并提供一个信号，整流，并提供给广告转换器。该传感器是由两个1.2 V，2ah动力镍氢电池（这个只在印刷电路板上方的圆柱体上），它可以支持5年的操作，而且是不需要充电。这是可能的，由于传感器在待机模式低耗能很低，这是只有96 W的功率消耗为了延长传感器的自主权，设计一个特殊的电路从线磁场中收获一些能量并收取电池。

图3传感器原理图。

3射频电路保护

该传感器的射频电路是基于一个工作在433兆赫频带无线电，这证明了在初步测试中非常可靠。然而，该收发器在低频率的天线，提出了一种高阻抗的天线连接，这使得它容易被雷击损坏电磁场。事实上，先前的经验与无线电具有类似特性的收发器产生了许多故障。由于射频天线是垂直极化，垂直方向的电动磁场是传感器保护评估的相关字段组件。计算了诱导垂直电场使用表达式最初由Rusck [ 2 ]发展和Barbosa和Paulino[ 4 ]改进：

其中I₀是电流的幅值，Ze= 377是自由空间阻抗，V是回程速度，R₀的距离中间，V_R是相对的返回冲程速度，t是时间，lambda;=（1minus;VR2）是洛仑兹收缩因子的平方。方程（1）是考虑了阶进基准通道电流，传输线（TL）回击模型，和完美的导电地球。它最值得一提的是，据鲁宾斯坦[ 3 ]，有限的导电地球在垂直近距离电场的影响较小。

考虑到闪电击中在R₀ = 50米该传感器，返回的行程速度为150米/秒（即，V_R= 0.5），

和通道道的基准电流有一个统一的振幅（I₀ = 1 kA），垂直电场电子一个单元阶进电流激励从（1）。由任意的电场产生的电场电流波形可以计算从所产生的磁场使用卷积定理的阶波形[ 9 ]：

I_arb是任意电流波形的时间导数分为1KA。在这项研究中，它被假定从一个波形随后的进程，因为它的高时间导数有可能产生一个比第一冲程高的感应电压。它使用的波形由IEC 62305-1 [ 10 ]提出的，这是表示由：

与I= 50KA，N = 10，K = 0.993 ，tau;₁ = 0.454mu;S，和tau;₂ = 143mu;S。

从一个步骤电流和在该领域之间的卷积电流的时间导数给出了闪电的垂直电照亮传感器的电场。这个字段如图4所示。可以看出，它达到峰值接近110千伏/米。电压U1在天线开发通过将天线的有效长度乘以垂直的电气雷击产生的电场可获得。产生的电压U2，可以通过使用一个电路仿真软件被应用到的收发器的输入端口，其中天线的代表其等效电路中所描述的[ 11 ]。图5表示出了用于此计算的等效电路，其中左侧为该开关的代表和右侧代表的收发信机输入电路。开关的开路电压U2用于收发器的输入端口的电压。值得一提的是在范围内的雷电电磁场的频率天线辐射电阻和其电感的影响是可以忽略不计的，使他们相当于从等效电路中取出。

图4附近的一次中风的垂直电场。

图5射频天线与收发信机输入端口的等效电路。

从等效电路移动来看从组件中获得相关的参数数据表和直接测量从而导致以下值：C1 = 1 PF C2 = 50PF，和R = 50。天线是紧凑的偶极子为433兆赫，而且有效的长度等于41毫米。图6显示了在收发器端口所期望的电压由于附近的闪电闪光。其峰值接近90伏时可能会损坏射频电路。这已经使用试验装置如图7所示验证，一个脉冲发生器（1.2/50 S）被用来直接应用于天线的输入端口90。它是观察图6所示的电压波形不远处的脉冲发生器的波形。总数目为10浪涌的应用，每个极性有5个，根据ITU-T k.44[ 12 ]。经过测试，该传感器无法发送它的消息，这意味着射频接口损坏。

图7射频天线免疫验证试验装置。

为了提高无线收发器的对闪电的免疫力，把一个高通滤波器安装在射频电路。该过滤器是内置插入一个并联电感的电路板，之间的轨道所代表的收发器和天线连接器图5。这是一个表面安装器件（SMD）电感有1小时，650毫安的最大持续电流，和700兆赫最大工作频率。

图8显示的电压U2过滤器时，可以认为这表示通过关闭开关观察图5。可以看出，电感提供了约三个数量级的减少电压峰值。由此产生的电压波形也多比原来的一个，该收发器应该是完全无害的。模拟还表明，目前进行的电感是有限的C₁在10 毫安左右，远低于其额定值。

使用在图7中同样的测试设置验证了该传感器的免疫功能的改进使，在那里引入一个被动的电路，以模仿过滤器的作用。后根据[ 12 ]的测试程序，应用浪涌传感器工作正常。

4电压互感器保护

如第2节所述，电压传感器被耦合到电力线路的导线上。所以，过电压施加到电力线导体将诱导电压的传感器电路。本节的目的是评估最大电压，可以再加上电场传感器，以确定所需的保护措施。

电导体和EFA之间的电容在实验室测量通过不同的导体直径，这提供的价值约为0.5PF。基于这一结果，一个2.2nf的核因子电容被插入在二次臂的电压分压器，它给出了一个比例为1 / 4400。在正常的操作下，例如，8 kV线路接地电压对应于1.82 V的输入电子电路。用这种方法进行了验证，通过在实验室进行测试一个高电压表明，尽可能接近真正的安装。

由于天线的脉冲绝缘水平考虑的是约110千伏，电压分压器将提供25v至印刷电路板的最大峰值电压。这个电压可能损坏传感器AD转换器，它饱和约1.2 V。因此，一个低通滤波器之间的电压可以实现分频器和广告转换器，使其效果对于任何脉冲用于EFA电压将大大缓解。图9显示电路实现对信号捕获的方法。价值观组件如下：C₁ = 0.5 pF，C₂ = 2.2 NF，C3 = 10 nF,R1 = 100 千欧, 和 R2 = 500 千欧，输入电压是假定有标准化1.2/50的波形[ 13 ]，因此它是强烈的由R1、R2和C3提供的低通滤波。

图10显示的电压U2适用于AD转换器，为考虑的条件。峰值保持在1伏以下，这是

在广告转换器的活动范围之内。因此，它是明确的电压分压器与低通滤波器相结合的，可以

足以保护性电路由雷电引起的雷电感应潮。值得一提的是，任何电压暂波波形在附近的绝缘体的闪络将被衰减低通过滤波器以比1.2/50 S波形更有效的方式。

图8由于雷电冲击电压在收发器端口，考虑到高通滤波器。

图9 EFA和传感器AD转换器之间的电路。

图10 电压转换器的雷电冲击电压。

5电流互感器保护

如在第2节所述，目前的变频器的目的是提供直流电压正比于线路电流。这是由磁场天线（MFA）由两线圈再加上由线电流从而产生的磁场。每个线圈有10000匝，200平方毫米的横截面积。随着夹层钢芯的辅助，相互之间的电感，MFA和导线差不多是30小时在电源频率。这意味着一个工频电流（例如，60赫兹）100流动的导体会产生电压等于1.1 VRMS在外部的输出。

如果线导体受到冲击电流，则高电流的时间导数可能导致高脉冲电压在MFA的输出。对于高频，钢液的渗透率表观明显下降，因此考虑没有[ 14]钢芯。如在[ 15 ]中所描述的金属机箱将显着衰减的磁场和感应电压。通过实验评估作为车身和底盘的盖电触点仅通过位于其角的螺丝衰减的。

这种评价是使用匝数为5和180毫米直径的一个亥姆霍兹线圈产生的诱导场和一个匝数为10和20毫米直径的线圈，以检测感应电压。这个衰减计算得到的感应电压之间的比例和相同的令人兴奋的电流。此设置用于频率范围从10千赫到4兆赫，频率范围内，由一个100匝和130毫米直径的电磁线圈取代亥姆霍兹线圈，和所使用的传感线圈1000匝和20毫米直径。在这种情况下，用真有效值电压表和电流表进行了测量。对于整个频率范围内，信号发生器泰克AFG 310。所得到的结果如图11所示，在那里电源频率可以在和一个显着的平面响应高频衰减。

在外部的输出电压可以通过假设10 kA峰值和8 / 20的脉冲电流进行评估波形流过导体。因为它是用于测试配电线路浪涌避雷器[ 16 ]。从（3）得到的波形与以下参数：I= 10KA，N= 2，K= 0.226，Tau;₁ = 8mu;s，和Tau;₂ = 10mu;s。

由传感器机箱的磁场的衰减计算在[ 15 ]中所描述的过程，使用的数据显示在图11中，考虑到导体之间的距离和MFA 0.26 m.忽略绕组间的电容，感应电压在MFA可以得到：

其中A是线圈面积，N为匝数，mu;₀是自由空间的磁导率

图11由传感器机箱提供的衰减。

图12在外部发展了10KA的8 / 20的电压，导体中的电流。

为了保证MFA的保护性及与其相关电路雷电感应引起的闪电，它是安装电涌保护元件（SPC）并且穿过每一线圈。每个线圈有一个电阻为3欧姆，并预计在最坏的情况下，发展至3千伏的峰值电压，即忽略了机箱衰减。这意味着，预期的浪涌电流在SPC可能更高。因此，它是选择一个基于二极管阵列的设备要安装在每个线圈，因为这个装置是对称的并提出了一个非常高阻抗低于其工作阈值电压。额定电压为10V和10A浪涌电流，(20 / 8的）被用于此应用程序和一个图表保护电路如图13所示。值得一提,任何电流暂波波形闪络引起的附近的绝缘体将低与SPC比8 / 20的波形的能量。因此，一旦spc安装了精感测线圈，有效地保护下游电路过电流的导线。

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