CN103760454B - Mov避雷器漏电流检测装置、远程监控***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对电网中MOV避雷器的漏电流进行检测的装置，还公开了一种基于无线网状网络技术对MOV避雷器的状态实现远程监控的***及方法,本发明使用交流式光电耦合器来实时地检测避雷器的状态，然后把对应于避雷器总漏电流的模拟信号或/和数字信号，透过独立的无线网状网络或蜂窝网络或两者混合构成的混合网络或电力线通信网络，传输给中央控制中心。这一解决方案，使得维护人员，在情况发生时，不需要寻线查找失灵的避雷器，它能帮助防止重大的输电线路事故的发生，并能极大地节省电网运营的费用。

Description

MOV避雷器漏电流检测装置、远程监控***及方法

优先权声明

本申请要求了美国临时专利申请的优先权，申请号是US61/740798，申请日是2012年12月21日，其内容已全部纳入到本申请中。

技术领域

本发明涉及对电网中MOV避雷器的漏电流进行检测的装置，还涉及使用网络技术对MOV避雷器的状态实现远程监控的***及方法。

背景技术

众所周知，国家电网是国民经济的命脉，一时一刻容不得故障。但近年来随着国家经济高速发展，电网经常超负荷运行，对线路安全的要求更为提高。我国是一个雷雨季节较长、雷电灾害较严重的的地区，雷击是造成电网跳闸的主要原因，也可以说是电网输电线路故障的头号“杀手”。据广西电网统计，2010和2011两年雷击造成的跳闸事故分别占总跳闸数的72％和70％。2009年7、8月间就连续有由于雷击造成某大型水电站切机甩负荷和浙江某220kV变电站开关端口被击穿、设备损坏、母线失电的重大事故，损失惨重。2011年7.23甬温线特大列车追尾事故的起因也是由于雷击。在人口密集、酷暑难捱的江浙地区，数小时的断电也会造成民生的巨大灾难，所以防雷避雷成为近年来国家电网的首要任务。其中避雷器的安装和监测成为一个十分重要的组成部分，特别是电网的智能化监测更是未来发展的方向。

MOV避雷器是金属氧化物压敏电阻(Metal Oxide Varistor)避雷器的简称，一般情况下，金属氧化物压敏电阻优先选用氧化锌压敏电阻(Zinc Oxide Varistor)，简称ZOV。它是一个非线性的电流/电压的导电器件，该器件当工频电压在正常范围之内，表现为一个绝缘体，而当瞬时过压达到一定程度之后，表现为一个导体。在现代电力传输线路中，金属氧化物可变电阻避雷器是线路中防止浪涌不可或缺的器件。通常情况下，避雷器是一个非常可靠的器件。然而，如果长时间处在恶劣的环境中(频繁或长时间的遭受过压或雷击)，避雷器有可能质地变差，最终损坏，甚至引起***。因此，在电网的关键部位，例如地形地貌易遭雷击的高压或特高压输电线基杆塔沿线、变电站，地下输电线路转入地上线路的节点，市电线路入口的开关盒，或者强电感性设备变压器等处，安装某种形式的避雷器监控设备，已成为一种常见的工程实施。

当避雷器品质下降时，它的漏电流的阻性分量，相对于漏电流的容性分量而言，会开始急速地增加。避雷器的漏电流通常在几百个uA范围之内，而一旦品质下降，该漏电流的取值可以达到好几个mA，最终导致热力失控。根据这一特性，人们设计了多种避雷器监测设备，以监测超出阈值的漏电流。这些设备已经投入日常使用。有代表性的监测(保护)装置有跌落保险和机械浪涌计数器，与电磁驱动的毫安表配合使用。后者更为流行。改良型的设备可以纪录避雷过程中出现的不同等级大电流，并显示警示信号。

这些设备的好处是不需要额外电源，因而造价便宜也易于使用。可是，这些设备不能将避雷器状况实时报告给远程的监控中心。维护人员必须常规性地安排人手，去维护，监测和修理这些设备。一旦异常情况发生，维护人员必须人工寻线，找到损坏的装置。这就造成了人力和物力的浪费。

现有的各种技术侧重于纪录浪涌电流的脉冲，测量和显示漏电流，并发出警示信号。例如，美国专利6879479和7336193，介绍了多种监测和报告避雷器状态的方法，但是未能提供解决工业界面临的实际问题的适当方案。实现实时监测的难点在于缺少一个远程监控的协议以及经济可靠的野外供电电源等。

因此，电力***所需要的是一种经济可靠的***、方法和装置，既能监测避雷器的状态，又能将避雷器上发生的情况远程通报给维护人员。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是：提供一种MOV避雷器漏电流检测装置，该装置能将容易被浪涌电流损坏的通信模块与被检测的避雷器电路相隔离，并简单可靠、价格便宜。

作为同一发明构思，本发明所要解决的第二个技术问题是：提供一种MOV避雷器状态远程监控***，该***可以检测MOV避雷器的总漏电流，并可以将检测信息透过通信网络实时地传输给中央监控中心，进而传输给维护人员。

为解决上述第一个技术问题，本发明的技术方案是：

MOV避雷器漏电流检测装置，连接于MOV避雷器的接地端用于监测所述MOV避雷器的总漏电流，包括：一个或两个以上并联的交流式光电耦合器，所述交流式光电耦合器包括位于输入端的发光元件和位于输出端的光敏元件，所述发光元件包括两个反向并联的LED二极管；和所述每一个交流式光电耦合器的输入端均设置一个用于截取所述总漏电流信号的初级电路，所述初级电路包括两个分别连接于所述交流式光电耦合器输入端两侧的限流电阻；和所述每一个交流式光电耦合器的输出端均设置一个用于将对应于所述总漏电流的信号接力传递给通信模块的次级电路，所述次级电路包括一输出电阻。

优选的，所述监测装置还包括一串接于所述MOV避雷器接地端的偏压电阻。

优选的，所述监测装置包括一个交流式光电耦合器，所述交流式光电耦合器的初级电路与所述偏压电阻并联。

优选的，所述监测装置包括两个交流式光电耦合器，所述偏压电阻串联于其中一个的初级电路中。

优选的，所述监测装置包括三个交流式光电耦合器，所述偏压电阻串联于其中一个的初级电路中，且未串接偏压电阻的两个交流式光电耦合器共用一个初级电路。

为解决上述第二个技术问题，本发明的技术方案是：

MOV避雷器状态远程监控***，包括：安装于电网变电站或以上级别中的中央监控中心；和一个或多个监控节点，所述每一监控节点包括无线网状网络通信模块和所述的MOV避雷器漏电流检测装置，所述监控节点的无线网状网络通信模块的GPIO管脚和/或传感器ADC管脚与所述MOV避雷器漏电流检测装置的输出端通信连接，所述监控节点透过无线网状网络将所述MOV避雷器漏电流检测装置产生的对应于所述MOV避雷器总漏电流的信号传递给所述中央监控中心；和所述无线网状网络至少包括一个终端节点，所述终端节点包括一无线网状网络通信模块，所述终端节点的无线网状网络通信模块与所述中央监控中心的服务器通信连接。

替代方案是，MOV避雷器状态远程监控***，包括：安装于电网变电站或以上级别中的中央监控中心；和一个或多个监控节点，所述每一监控节点包括蜂窝网络通信模块和所述的MOV避雷器漏电流检测装置，所述监控节点透过蜂窝网络将所述MOV避雷器漏电流检测装置产生的对应于所述MOV避雷器总漏电流的信号传递给所述中央监控中心。

替代方案是，MOV避雷器状态远程监控***，包括：安装于电网变电站或以上级别中的中央监控中心；和一个或多个监控节点，所述每一监控节点包括无线网状网络通信模块和所述的MOV避雷器漏电流检测装置，所述监控节点的无线网状网络通信模块的GPIO管脚和/或传感器ADC管脚与所述MOV避雷器漏电流检测装置的输出端通信连接，所述监控节点透过无线混合网络将所述MOV避雷器漏电流检测装置产生的对应于所述MOV避雷器总漏电流的信号传递给所述中央监控中心；和所述无线混合网络由无线网状网络和蜂窝网络混合构成，所述混合网络至少包括一个混合节点，所述混合节点包括一蜂窝网络通信模块和一无线网状网络通信模块，所述蜂窝网络通信模块与所述无线网状网络通信模块通信连接。

替代方案是，MOV避雷器状态远程监控***，包括：安装于电网变电站或以上级别中的中央监控中心；和一个或多个监控节点，所述每一监控节点包括电力线网络通信模块和所述的MOV避雷器漏电流检测装置，所述监控节点的电力线网络通信模块的GPIO管脚和/或传感器ADC管脚与所述MOV避雷器漏电流检测装置的输出端通信连接，所述监控节点透过电力线通信网络将所述MOV避雷器漏电流检测装置产生的对应于所述MOV避雷器总漏电流的信号传递给所述中央监控中心。

优选的，所述网络的节点设置成一个或多个常醒的路由节点，其余的节点设置成基于预定的事件或预设的时间间隔唤醒的睡眠节点。

采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

对于MOV避雷器漏电流检测装置来说，由于在MOV避雷器的接地端直接使用了交流式光电耦合器，其不仅简单可靠、价格便宜，而且还将容易被浪涌电流损坏的射频通信模块和被检测的避雷器电路相隔离。采用两个交流式光电耦合器并联的结构，可以更方便地选择输出数字信号和模拟信号。采用三个交流式光电耦合器并联的结构时，其中两个光电耦合器互为备份，通过这种冗余设计，提高了设备的使用可靠性。

对于MOV避雷器状态远程监控***来说，监控节点透过网络将MOV避雷器漏电流检测装置产生的对应于所述MOV避雷器总漏电流的信号传递给所述中央监控中心，从而实现了MOV避雷器状态的远距离监控。

通信网络可以单独用无线网状网络或蜂窝网络构筑，也可以将两者混合设置成混合网络。无线网状网络，例如ZIGBEE网络或SNAP网络，低功耗且无需向移动通信供应商支付费用。蜂窝网络，例如GPRS网络或CDMA网络，与无线网状网络相比，其传输范围更大。两者混合设置，无线网状网络负责采集数据，蜂窝网络负责传输，其优势得到互补。对于无线网状网络和蜂窝网络，是单独设置还是混合设置取决于环境要求和成本考量。

如果避雷器是安装在开关柜中，通过电力线通信(PLC)网络来进行信号传输更为合适，因为这种情况下，开关柜的金属外壳会阻挡无线信号的传递。

在网络中，路由节点(或称为常醒节点)负责通信的接力，睡眠节点通过预定的事件或预设的时间间隔唤醒，睡眠节点设置的越多，就可以节约更多的电力。

总而言之，按照本发明的基本原理，我们可以建立一套***、方法和装置，远程地监控MOV避雷器的状态。这一解决方案，使得维护人员，在情况发生时，不需要寻线查找失灵的避雷器。它能帮助防止重大的输电线路事故的发生，并能极大地节省电网运营的费用。

附图说明

为了便于充分理解本发明，下面结合实施例和附图做详细描述，其中：

图1是本发明MOV避雷器漏电流检测装置的电路结构示意图；

图2是本发明MOV避雷器状态远程监控***中一个监控节点的安装结构示意图；

图3是本发明一种作为电源使用的电容式电压互感器的电路结构示意图；

图4A是本发明一种作为电源使用的固态继电器的电路结构示意图；

图4B是本发明一种作为电源使用的利用雷击能量就地取电装置的电路结构示意图；

图5A是本发明一种作为电源使用的电磁感应耦合取电装置的布置示意图；

图5B是图5A所示电磁感应耦合取电装置的计算原理图；

图5C是图5A所示电磁感应耦合取电装置的结构示意图；

图6A是本发明避雷器状态远程监控***中网状网络的拓扑结构示意图；

图6B是本发明避雷器状态远程监控***中网状网络的层次结构示意图；

图7是本发明避雷器状态远程监控***中蜂窝网络的拓扑结构示意图；

图8是本发明避雷器状态远程监控***中一个综合网络的拓扑结构示意图；

图9是图1所示MOV避雷器检测装置第二实施例的电路结构示意图；

图10是图1所示MOV避雷器检测装置第三实施例的电路结构示意图。

具体实施方式

以下，结合图示具体描述各种实施例的特性、优点、结构和方法。应当注意，根据本发明的原理，运用专业领域内为人熟知的普通常识，可以设计额外的装置和方法，并得到相应的特性和优点，这些也都涵括在本发明的范畴之内。

图1是一个概念性的电路结构示意图，示出了用一个MOV避雷器漏电流检测装置、一个射频接收/发送/MCU模块即射频通信模块110、和一个太阳能电池111一起检测某相避雷器电路的情况，其说明了用怎样的方法，通过怎样的电路结构，来监测MOV避雷器的总漏电流，并获得下文提及的数据信号。

图1左半部分示出了MOV避雷器漏电流检测装置的电路结构，其由一个并联电路构成，该并联电路上包括一个偏压电阻R_S和一个光电耦合器(OC)105，光电耦合器105是交流式的，便于在交流电路中双向通电，它包括一位于输入端的发光元件和一位于输出端的光敏元件，发光元件包括两个反向并联的LED二极管。该光电耦合器将射频通信***和MOV避雷器基干线路相隔离，以减小射频通信部件被雷击时在MOV避雷器101中产生的高电流或高电压击毁的可能性。这一电路，可监测避雷器101的总漏电流和其它状态数据。

具体的说，MOV避雷器101的一端和高压输电线路相连，另一端和漏电流检测装置相连，并通过后者接地。和避雷器101一端直接相连的是偏压电阻R_S、限流电阻R₀和ZOV(氧化锌压敏电阻)。偏压电阻R_S与光电耦合器105电路并联，从而提供光电耦合器105所需要的偏压，并建立一个预定的漏电流的警告阈值。限流电阻R₀和限流电阻R₁分别设置于光电耦合器105输入端的两侧，用于控制在此电路中通过的电流的大小。小型的ZOV与前述之光电耦合器电路以及偏压电阻并联，以提供过载电流保护。该ZOV的大小应能承受一个持续8/20us，峰值为100KA以上的冲击电流。这样的电流足以保证本装置在220kV以上的输电线路中使用。

光电耦合器105的输出端设有输出电阻R₃，调整输出电阻R₃的阻值大小，使所述光电耦合器光敏元件在线性区工作，就可以输出线性的漏电流模拟信号，此时，光电耦合器的输出端与射频通信模块110的传感器ADC管脚相连；或者调整输出电阻R₃的阻值大小，使所述光电耦合器光敏元件在饱和区工作，就可以输出漏电流数字信号，此时，光电耦合器的输出端与射频通信模块110的GPIO相连，根据漏电流的阈值，触发GPIO的输入。光电耦合器的输出端还设有串联的分压电阻R₄和LED指示灯，必要时发出光或声等警示信号。

由以上分析可以看出，光电耦合器的输出可以设置成线性模式用于输出漏电流模拟信号，或者数字模式用于输出漏电流数字信号，或者两种模式并存。线性模式输出时，可以和射频通信模块的传感器ADC输入线路相连，以实时监测漏电流的模拟数据信号的大小和波形，并可在需要的时候加入相应分析电路以获得所需的信息，例如，漏电流的三次谐波信号。在数字模式中，如果漏电流的大小超过了一定的阈值，光电耦合器的输出可以发出一个逻辑信号(开/关)，这一信号可以触发射频通信模块的GPIO管脚，表明避雷器漏电流超过阈值。这一信号可以导致射频通信模块产生一个中断苏醒信号，将有关数据发送给远程节点，最终传送到中央控制中心。

根据上述原理，光电耦合器的数量可以不只一个，可以采用多个。图9就示出了两个交流式光电耦合器并联的例子，其结构与图1基本相同，不同之处主要在于增加了光电耦合器OC2(光电耦合器OC1相当于图1中的光电耦合器105)，光电耦合器OC2的限流电阻R₄和限流电阻R₅与偏压电阻R_S串联。如此设置的目的是便于同时输出模拟信号和数字信号，例如，将光电耦合器OC1的输出端与射频通信模块GPIO管脚连接，用于输出数字信号，而将光电耦合器OC2输出端与射频通信模块的传感器ADC管脚相连，用于输出模拟信号。

进一步的，图10给出了三个交流式光电耦合器并联的例子，与图9所揭示的方案相比，增加了光电耦合器OC3，光电耦合器OC3与光电耦合器OC1共用限流电阻R₀和限流电阻R₁，很显然，这是一种冗余设计，目的是提高***的可靠性。

小结一下，本发明所揭示的MOV避雷器漏电流检测装置，连接于MOV避雷器的接地端用于监测所述MOV避雷器的总漏电流，其结构主要包括：

一个或两个以上并联的交流式光电耦合器，所述交流式光电耦合器包括位于输入端的发光元件和位于输出端的光敏元件，所述发光元件包括两个反向并联的LED二极管；和所述每一个交流式光电耦合器的输入端均设置一个用于截取所述总漏电流信号的初级电路；和所述每一个交流式光电耦合器的输出端均设置一个用于将对应于所述总漏电流的信号接力传递给通信模块的次级电路。这一解决方案的优势在于，简单可靠、价格便宜，同时，还将容易被浪涌电流损坏的射频通信模块和被检测的避雷器电路相隔离。

图1的右半部分示出了一个射频通信模块110，我们选用了美国CEL公司(California Eastern Lab)之ZIC2410模块，它是一个典型的RF传输/接收/MCU芯片。该模块包含一个射频传送装置，此装置包含基带调制解调器、媒体控制地址以及一个带闪存的内嵌的8051微控制器。这一模块分为PHY层、MAC层、时钟电路区、MCU和内存电路区以及有关外设。此模块通常支持SPI、UART、计时器、温度传感器、电池电压监控器和传感器模数转换频道。虽然CEL公司为其客户提供了ZIGBEE软件通信栈，我们自主实现了SNAP网络操作***，该***是基于Synapse无线协议的通信设备交流的基础。SNAP***不但继承了ZIGBEE***的全部特性，而且不需要一个管理协调节点就能完成通信。此外，利用SNAP***，程序员能较为容易地写出脚本程序，控制输入输出信号。

在射频通信模块110中，我们亦可嵌入一个内置的电池电压监控电路。这一电路可以采集电池的当前电压数值，并将此信息和避雷器状态信号一并发送出去。

图1中，还示出了太阳能电池111，太阳能电池111包括太阳能电池板、充电控制器和可充电电池组，这种电源特别适用于在子站或者野外工作的***，而那些在开关柜中工作的***，则可以依靠工频电压电源来工作。如果风力足够稳定，采用风力涡轮***也是可行的。我们还考虑了其它的电源，可选的电源方式在图3至图5中予以详细示例。

图2是一个监控节点的安装示意图，关于网络和节点将在下面结合图6A、6B及图7和图8详细描述。如图2所示，三个避雷器201～203，各与三相高压输电线路的一相相连。每个监控节点安装三个监控单元204～206，每个监控单元分别具有一个机盒，这三个机盒须按照IEC或者当地电网的标准相距一定的距离。其中，监控单元205通常处于中间位置，其机盒为中央机盒，中央机盒内不但安装有一个漏电流检测装置，还安装有一个射频通信模块，并和外部电源相连。这里的外部电源，由一个低压太阳能板207示意性地表示。另外两个检测单元，通常安装在两侧，只包含一个漏电流检测装置，并和中间监控单元通过信号/电源线以及防水连接器208、209相连，以实现防水。

如果没有外置天线，则机盒的上半部分须由优质塑胶材料制成，以保证无线通信信号不被屏蔽。否则，在有外置天线的情况下，一个金属的外盒亦可，更可以屏蔽外电场的干扰。

其机盒的底板，必须由导电金属制成，以保证最终接地。一种常见的把检测单元的高压端和MOV避雷器的接地线相连的方法是通过一个由陶瓷或橡胶鞘绝缘环与接地板绝缘的螺栓。

对电力工业而言，实现避雷器的实时远程的监测的另一个难点是缺乏现实的可靠的电源。本发明为解决这一问题提出了多种方案。这些解决措施包括光伏，风力涡轮，固体继电器(SSR)，电容式电压互感器(CVT)，利用雷击瞬时取电的感应线圈，例如罗氏线圈装置，以及50/60hz高压线路电磁感应耦合的电能等，这些电源示例在了图3至图5中。

图3示例了一个电容式电压互感器(CVT)301，它可以通过一个整流器302、一个滤波器303和一个开关电源电路304，作为一个外接电源使用。此互感器在高压变电站或者野外传输线路塔上较为常见。当此互感器的初级线圈与电容电压分隔器相连时，它能在次级线圈内产生100～200V的非规则电压。当此互感器进行供电时，此互感器的终端可以用来进行载波通信，亦可借此进行输电线路通信。此互感器电源的使用，应取决并受限于当地设施的具体情况和有关规定。以下是对图3中各符号的说明：

C—载波耦合电路；

C₁—高压电容；

C₂—中压电容；

N—载波通信终端；

J—组合过滤器(用户自备)；

G—保护装置；

L—补偿电抗器；

T—中压变压器；

A—中压变压器的高电压端子；

X_T—中压变压器的低电压端子；

A_L—补偿电抗器的高电压端；

X_L—补偿电抗器的低电压端；

Z—阻尼装置；

a₁～n₁—次级第一绕组端；

a₂～n₂—次级第二绕组端；

d_a～d_n—剩余电压绕组端。

图4A示例了将一个公知的固态继电器(Solid State Relay,缩写SSR)403接入MOV避雷器401的接地端的情况。固态继电器403包括红外发光二极管(INFRARED EMITTINGDIODE,简称IRED)404构成的输入电路、光电二极管阵列(PHOTOVOLTAIC DIODE ARRAY,简称PVD)405和晶闸管/充电控制(THYRISTOR/CHARGE CONTROL)406构成的隔离耦合电路以及场效应管(MOSFET OUTPUT)407构成的输出电路。当射频通信模块的耗电与漏电流的阈值在同一量级时，具有利用固态继电器403提供内在电源的可能性。这时，其输入端串接在避雷器401的接地端，通过充电控制器对一组充电电池充电，从而对整个***供电。这种情况下，整机一直处于掉电状态，直到避雷器401漏电流达到预定阈值。在一个较短时间的充电使得电路开启后，漏电流检测模块402检测到超过预定阈值的漏电流，触发射频通信模块发出预警信号。也就是说，当避雷器监控***的电耗低于避雷器的漏电流的阈值时，这一继电器可以起到一个电能转换装置的作用，为我们的监控***提供电源。这样，如果监控***的电耗足够小的时候，我们可以不必使用外接电源。

如图4B所示,一种利用雷击能量就地取电的装置,在该实施例中，流经MOV避雷器通地的雷电电流通过环绕避雷器通地导线409的感应线圈(如Rogowski线圈)408收集起来。收集的能量经过整流和滤波后存储到某种形式的能量储存器件，比如超级电容组中，经过一定时间的延迟，给漏电流检测装置和无线通信模块提供工作电流，用以转换为线性输出以检测漏电流、或转换为数字信号触发GPIO端口、或记录雷击次数及时间并将数据传输出去。

对该装置可利用能量的粗略估计可以发现它可以提供足够所需的能量。假定一次典型雷击的峰值电流达10kA，脉宽约20us，残压约200V，可以产生一个40W的瞬间能量，足以对***运作提供足够大和足够长的能量。

图5A～5C示例的是由电磁感应产生的电动势作为外部电源使用的电磁感应耦合取电装置500。如图5A～5C共同所示，在高压输电线501下方，一定的距离的地方放置一个环形的铁磁性磁芯503，所述磁芯上缠绕有初级线圈502和次级线圈504，所述初级线圈通过一电阻R构成闭合回路。在操作允许的情况下，可直接将磁芯套在高压输电线上，注意螺线圈的轴线方向和输电线的电流I方向垂直。设计要考虑到尽可能地增大交变电流产生的磁通量Ф，尽可能地减小其它相的电流对磁力线的抵消作用。初级线圈502中的感应电流会产生一个自感应电动势(EMF)，这一电动势会继而在同一磁芯的次级线圈504上产生互感应电动势(EMI)。这一电压，可以用来作为监控***的电源。

假设高压输电线501通过的交流电流如下：

I＝I₀ sinωt (1)

该交变电流在图5B中所示的绕线圈中的产生的磁通量可以下式表示：

N匝线圈中产生的感应电动势为：

${\mathrm{\ϵ}}_{em}=-N\frac{d\mathrm{\Φ}}{dt}=-N\·\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}\·x_{0}ln\frac{y_0+y_1}{y_0}\·I_0\mathrm{\ω}cos\mathrm{\ω}t---\left(3\right)$

初级线圈502的自感电流计算如下：

$i_{em}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{em}}{R_0}=-N\·\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}\·x_{0}ln\frac{y_0+y_1}{y_0}\·\frac{I_0}{R_0}\mathrm{\ω}cos\mathrm{\ω}t---\left(4\right)$

初级线圈502中产生的自感电动势由以下公式计算：

${\mathrm{\ϵ}}_{si}=-L\frac{{\mathrm{di}}_{em}}{dt}={\mathrm{\μN}}^{2}V\·N\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}{x}_{0}ln\frac{y_0+y_1}{y_0}\·\frac{I_0}{R_0}{\mathrm{\ω}}^{2}sin\mathrm{\ω}t---\left(5\right)$

其中，L为线圈的电感，V是线圈的体积，μ＝μ₀μ_r是在线圈中的磁介质的磁导率。在初级线圈502中的总电动势由下式确定：

ε_tot＝ε_em+ε_si (6)

次级线圈504的电动势由下面的公式计算：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{N_s}{N}{\mathrm{\ϵ}}_{tot}---\left(7\right)$

因此，假设由一个典型的高磁导率μ_r＝10000的硅钢板变压器铁芯503，并且进一步假定：

N＝1000，

V＝0.1*0.1*0.3m³，

y₀＝3m,y₁＝0.1m,I₀＝400A,R₀＝10Ω,ω＝2πf＝6.28*60,

通过将这些值代入公式(5)和(3)，我们得到了初级线圈的互感电动势为5.6V。通过适当选择次级线圈504的匝数N_s，可以得到所需要的输出电压。

图6A和6B示例了用无线网状网络进行数据传输来实现MOV避雷器远程监控***的实施例。图6A是网状网络的拓扑结构示意图，其中，MNN装置为网络的监控节点，通过每个监控节点，该***可以将信号接力传输到终端节点TMNN，其可以连接到中央监控中心的数据库服务器(例如，PC或其它计算设备)。

图6B是网状网络的层次结构示意图。如图6B所示，无线网状网络由路由节点601、睡眠节点602、终端节点603、中央控制中心604的服务器和Internet605等构成，一定情况下，亦可优先考虑使用数据库服务器。我们可以使用诸如以太网606或者3G/4G 607等公共通信网络来延伸通信范围或连接互联网完成网络通信，以便于与个人电脑608或者智能手机609等用户终端相连接。

正如图6B中所说明的那样，一个无线网状网络(Wireless mesh network)可以用来实时监控远程的(几英里以外的)MOV避雷器的状态。这样的***包含多个网络节点，所述网络节点包括若干个用于监控三相高压输电线路中的每一相的监控节点，和与中央控制中心604的服务器连接的终端节点603，从工作状态上说，这些节点分成路由节点601和睡眠节点602。

路由节点601由一些小型太阳能面板或其它就地利用的能源供电，通常一直处于加电和活跃的状态，即醒着，能在任何时刻，接受或者发送来自自身的信号，监听附近的苏醒的睡眠节点所广播的信号，并将此信号接力发送给附近的路由节点，一直将此信号传送给中央控制中心。

睡眠节点602根据能耗方面的考虑，可以由太阳能供电，也可以由普通的干电池供电。这些睡眠节点，通常设置为睡眠状态。仅当某一预置事件发生时，才进入连接状态。这样一来，睡眠节点的能耗很低，能用一般的干电池供电，工作达数年之久。网络节点中睡眠节点和路由节点的比例由通信模块的频率、传送功率和通信广播的距离范围所决定。在可视的情况下，这一距离范围可以在一百到三千英尺之间。因为路由节点要比睡眠节点消耗更多的能源，睡眠节点的比例越高，就能节省更多的能源，***成本也就越小。

终端节点603通过诸如USB相连，并通过安装的脚本程序，将接收到的各节点的状态信息转发给服务器。在理想的装置方式中，我们可以采用常规的装置让***的终端节点发出声音或者可见的警示信号。

如果射频通信模块被设置为节能掉电(power-down)模式时，MCU的所有时钟都会停止，此时电流损耗最小。当中断发生时，射频通信模块从节能掉电模式中退出。除了外界引发的中断之外，射频通信模块应至少有一个定时器使得能退出节能掉电模式。也就是说，睡眠节点有两种唤醒方式，一种是基于预定的事件即外界中断唤醒，另一种是基于预设的时间间隔即定时信号唤醒。

所谓外界中断唤醒是指这样一种情形：当漏电流数字信号触发射频通信模块的GPIO管脚时，会产生一中断信号，使所述睡眠节点退出睡眠状态并转入连接状态；一脚本程序把有关数据写入一个文本文件，纪录该事件发生的时间、地址以及状态，并根据这些数据定时产生适当的报表；射频通信模块将所述文本文件进行网络广播，如果此消息未被成功接收，所述射频通信模块会每隔一定的时间，重发此消息，直至被成功接收，然后转入睡眠状态。

所谓定时信号唤醒是指这样一种情形：用设置在射频通信模块中的定时器唤醒睡眠节点，设定的时间间隔结束后，射频通信模块检测GPIO管脚的输入；如果没有收到来自漏电流检测装置输出的漏电流数字信号，则该睡眠节点转入睡眠状态或者通过一脚本程序把有关数据写入一个文本文件，纪录该事件发生的时间、地址和状态正常信息，并根据这些数据定时产生适当的报表，所述射频通信模块将所述文本文件进行网络广播，如果此“本机一切正常”消息未被成功接收，射频通信模块每隔一定的时间，重发此消息，直至被成功接收，然后转入睡眠状态；如果收到来自漏电流检测模块输出的漏电流数字信号，一脚本程序把有关数据写入一个文本文件，纪录该事件发生的时间、地址和状态异常信息，并根据这些数据定时产生适当的报表，射频通信模块将所述文本文件进行网络广播，如果此“本机异常”的消息未被成功接收，射频通信模块每隔一定的时间，重发此消息，直至被成功接收，然后转入睡眠状态。

在技术可行的条件下，我们还可以在网络节点中设置同步定时器，用以唤醒睡眠节点，进行必要的通信。在这样的***中，所有的节点均为睡眠节点，在同一时间苏醒过来，在一个较短的时间间隔内参与通信(例如午夜12点醒来一分钟)，检查避雷器损坏情况，发出报告，继而回复睡眠状态，因而，更加节省电力。

通过可编程的固件，将所需要的脚本程序，通过硬连线，例如USB接口，或者无线网络，上传到路由节点、睡眠节点或终端节点上。

通过Internet，将所述服务器与以太网或公共通信网络连接，用户接口在用户终端上显示关于MOV避雷器状态的日志数据文件。

所述用户接口使用用户友好的方式呈现，所述用户友好的方式包括表格模型显示，或排序过滤，或将Mac地址映射为节点地址或名称，或综合地图服务显示节点位置。

当安装了数据库服务器时，该***也可以作为一个数据库中心使用。这一服务器可以通过不同的网络传输协议，例如以太网及其接口。通过网络，所有有关用户都能使用计算机或者智能手机等设备访问数据库。

图7示例了单独使用GPRS/CDMA等蜂窝网络实现远程监控的拓扑结构示意图，其中,CNN代表蜂窝网络的监控节点。这些节点通过蜂窝网络载体以短信(SMS)的形式发送到远程的手机上。更为优选的是将监测数据传到因特网(Internet)的服务器的数据库内。此种服务器可以是传统的也可以是在云端。作为替代或补充，数据也可以通过建立在GPRS/CDMA模块内部的TCP/IP协议建构传输到因特网的服务器上，进一步到电脑屏幕上。蜂窝网络的优点是没有节点间距的限制，缺点是要付网络运营商的服务费以获得并维持网络服务。

图8是一种综合网络拓扑示意图，包括单独的无线网状网络802、单独的蜂窝网络805以及集成在同一机体内的设置有混合节点的无线网状网络801，800是蜂窝网络的监控节点CNN，无线网状网络801中有一个混合节点HNN,混合节点中有一个无线网状网络通信模块以及一个蜂窝网络通信模块，两者通过串行接口握手，通过混合节点，无线网状网络801与蜂窝网络805实现通信连接。在混合网络中，无线网状网络801负责采集数据，蜂窝网络805负责传输。根据使用环境和成本考虑选择最优的网络配置。应当认识到，只有无线网状网络802才需要在服务器附近设置终端节点。

至此，梳理一下本发明所揭示的MOV避雷器远程监控***，在国家电网的变电站或以上级别的中央监控中心与MOV避雷器漏电流检测装置之间可以建立一种新型的通信网络。通信网络应当具有一个以上的节点，这些节点透过网络将MOV避雷器漏电流检测装置产生的对应于MOV避雷器总漏电流的信号传递给中央监控中心。

这样一个通信网络可以是无线网状网络或者蜂窝网络，它们可以独立使用也可以混合使用，实时或准实时地监测避雷器的状况。无线网状网络可以使用符合IEEE802.15.4标准与ZIGBEE协议或者其它射频通信协议兼容的设备，美国Synapse公司推出SNAP网络***就是这样一个网络。蜂窝网络则可以采用GPRS网络或CDMA网络或其它的蜂窝网络构筑。

对于不同的网络采用不同的通信模块以适应不同网络的通信要求，是本领域普通技术人员所熟知的，例如，对于无线网状网络，本发明采用的是CEL公司的ZIC2410模块，或类似通信模块。

混合网络可以由众多分立和独立的板块组成。此处的混合节点可以起到终端节点的作用当然也是常醒的路由节点，从附近的睡眠节点收集数据，而GPRS模块则起到网状网络中变电站的作用，通过串行接口与路由节点握手，以手机短信的形式将数据传到远方的接收方，如智能手机上。或者通过内嵌在GPRS模块上的TCP/IP通信软件栈得以进入互联网，将数据发送到PC屏幕上。每一独立板块可以经过适当组合，尽可能多地携带睡眠节点，以减少服务费用，降低网络成本。

无线网状网络和蜂窝网络，是单独设置还是混合设置取决于环境要求和成本考量。一般来说，网状网络不依赖于蜂窝网络，所以没有蜂窝网络覆盖的限制，也没有服务费用。对比之下，蜂窝网络没有监控节点与中央监控中心通信距离的限制，但需定时缴纳服务费用。如果网络节点数目很大，所累计的服务费用还是很可观的。

另外，电力线通信(PLC)网络也可以用来在网络节点与中央监控中心以及网络节点之间传输信号。如果避雷器是安装在开关柜中，通过电力线通信(PLC)网络来进行信号传输更为合适，因为这种情况下，开关柜的金属外壳会阻挡无线信号的传递。

我们已经描述和图示了本发明在多种理想装置形式下的原理。很明显，人们可以改动本发明的布置方式，和一些细节，而不背离本发明所描述的原理。

Claims (14)

1.MOV避雷器漏电流检测装置，连接于MOV避雷器的接地端用于监测所述MOV避雷器的总漏电流，其特征在于，包括：

一个或两个以上并联的交流式光电耦合器，所述交流式光电耦合器包括位于输入端的发光元件和位于输出端的光敏元件，所述发光元件包括两个反向并联的LED二极管；和

所述每一个交流式光电耦合器的输入端均设置一个用于截取所述总漏电流信号的初级电路，所述初级电路包括两个分别连接于所述交流式光电耦合器输入端两侧的限流电阻；和

所述每一个交流式光电耦合器的输出端均设置一个用于将对应于所述总漏电流的信号接力传递给通信模块的次级电路，所述次级电路包括一输出电阻。

2.如权利要求1所述的MOV避雷器漏电流检测装置，其特征在于，所述监测装置还包括一串接于所述MOV避雷器接地端的偏压电阻。

3.如权利要求2所述的MOV避雷器漏电流检测装置，其特征在于，所述监测装置包括一个交流式光电耦合器，所述交流式光电耦合器的初级电路与所述偏压电阻并联。

4.如权利要求2所述的MOV避雷器漏电流检测装置，其特征在于，所述监测装置包括两个交流式光电耦合器，所述偏压电阻串联于其中一个的初级电路中。

5.如权利要求2所述的MOV避雷器漏电流检测装置，其特征在于，所述监测装置包括三个交流式光电耦合器，所述偏压电阻串联于其中一个的初级电路中，且未串接偏压电阻的两个交流式光电耦合器共用一个初级电路。

6.如权利要求2所述的MOV避雷器漏电流检测装置，其特征在于，所述监测装置还包括一与各所述光电耦合器的输入电路并联的用于过流保护的氧化锌压敏电阻。

7.MOV避雷器状态远程监控***，其特征在于，包括：

安装于电网变电站或以上级别中的中央监控中心；和

一个或多个监控节点，所述每一监控节点包括无线网状网络通信模块和权利要求1～6任一项所述的MOV避雷器漏电流检测装置，所述监控节点的无线网状网络通信模块的GPIO管脚和/或传感器ADC管脚与所述MOV避雷器漏电流检测装置的输出端通信连接，所述监控节点透过无线网状网络将所述MOV避雷器漏电流检测装置产生的对应于所述MOV避雷器总漏电流的信号传递给所述中央监控中心；和

所述无线网状网络至少包括一个终端节点，所述终端节点包括一无线网状网络通信模块，所述终端节点的无线网状网络通信模块与所述中央监控中心的服务器通信连接。

8.如权利要求7所述的MOV避雷器状态远程监控***，其特征在于，

一个所述监控节点包括三个分别监控三相输电线路中的每一相的监控单元，每一个监控单元均包括一个所述的MOV避雷器漏电流检测装置；

所述三个监控单元分别包括一个机盒，其中的一个为中央机盒，所述无线网状网络通信模块安装于所述中央机盒内，所述中央机盒内的无线网状网络通信模块与安装于所述三个机盒内的MOV避雷器漏电流检测装置的输出端分别通信连接；

所述无线网状网络包括ZIGBEE网络或SNAP网络；所述无线网状网络的节点设置成一个或多个常醒的路由节点，其余的节点设置成基于预定的事件或预设的时间间隔唤醒的睡眠节点。

9.MOV避雷器状态远程监控***，其特征在于，包括：

安装于电网变电站或以上级别中的中央监控中心；和

一个或多个监控节点，所述每一监控节点包括蜂窝网络通信模块和权利要求1～6任一项所述的MOV避雷器漏电流检测装置，所述监控节点透过蜂窝网络将所述MOV避雷器漏电流检测装置产生的对应于所述MOV避雷器总漏电流的信号传递给所述中央监控中心。

10.如权利要求9所述的MOV避雷器状态远程监控***，其特征在于，

一个所述监控节点包括三个分别监控三相输电线路中的每一相的监控单元，每一个监控单元均包括一个所述的MOV避雷器漏电流检测装置；

所述三个监控单元分别包括一个机盒，其中的一个为中央机盒，所述蜂窝网络通信模块安装于所述中央机盒内，所述中央机盒内的蜂窝网络通信模块与安装于所述三个机盒内的MOV避雷器漏电流检测装置的输出端分别通信连接；

所述蜂窝网络包括GPRS网络或CDMA网络；所述蜂窝网络的节点设置成一个或多个常醒的路由节点，其余的节点设置成基于预定的事件或预设的时间间隔唤醒的睡眠节点。

11.MOV避雷器状态远程监控***，其特征在于，包括：

安装于电网变电站或以上级别中的中央监控中心；和

一个或多个监控节点，所述每一监控节点包括无线网状网络通信模块和权利要求1～6任一项所述的MOV避雷器漏电流检测装置，所述监控节点的无线网状网络通信模块的GPIO管脚和/或传感器ADC管脚与所述MOV避雷器漏电流检测装置的输出端通信连接，所述监控节点透过无线混合网络将所述MOV避雷器漏电流检测装置产生的对应于所述MOV避雷器总漏电流的信号传递给所述中央监控中心；和

所述无线混合网络由无线网状网络和蜂窝网络混合构成，所述无线混合网络至少包括一个混合节点，所述混合节点包括一蜂窝网络通信模块和一所述无线网状网络通信模块，所述蜂窝网络通信模块与所述无线网状网络通信模块通信连接。

12.如权利要求11所述的MOV避雷器状态远程监控***，其特征在于，

所述一个监控节点包括三个分别监控三相输电线路中的每一相的监控单元，每一个监控单元均包括一个所述的MOV避雷器漏电流检测装置；

所述三个监控单元分别包括一个机盒，其中的一个为中央机盒，所述无线网状网络通信模块安装于所述中央机盒内，所述中央机盒内的无线网状网络通信模块与安装于所述三个机盒内的MOV避雷器漏电流检测装置的输出端分别通信连接；

所述混合节点的蜂窝网络通信模块和无线网状网络通信模块均安装于所述中央机盒内；

所述无线网状网络包括ZIGBEE网络或SNAP网络；所述无线网状网络的节点设置成一个或多个常醒的路由节点，其余的节点设置成基于预定的事件或预设的时间间隔唤醒的睡眠节点；所述蜂窝网络包括GPRS网络或CDMA网络。

13.MOV避雷器状态远程监控***，其特征在于，包括：

安装于电网变电站或以上级别中的中央监控中心；和

一个或多个监控节点，所述每一监控节点包括电力线网络通信模块和权利要求1～6任一项所述的MOV避雷器漏电流检测装置，所述监控节点的电力线网络通信模块的GPIO管脚和/或传感器ADC管脚与所述MOV避雷器漏电流检测装置的输出端通信连接，所述监控节点透过电力线通信网络将所述MOV避雷器漏电流检测装置产生的对应于所述MOV避雷器总漏电流的信号传递给所述中央监控中心。

14.如权利要求13所述的MOV避雷器状态远程监控***，其特征在于，

一个所述监控节点包括三个分别监控三相输电线路中的每一相的监控单元，每一个监控单元均包括一个所述的MOV避雷器漏电流检测装置；

所述三个监控单元分别包括一个机盒，其中的一个为中央机盒，所述电力线通信模块安装于所述中央机盒内，所述中央机盒内的电力线通信模块与安装于所述三个机盒内的MOV避雷器漏电流检测装置的输出端分别通信连接。