基于冲击动作特性及泄漏电流的避雷器在线监测系统

吴清 王勇 黄松 唐祥炎 王思捷 余红喜

摘 要：避雷器是电力系统重要设备之一，其性能的优劣对电网安全运行起着很大作用，但输电线路避雷器目前采用的定期预防性试验存在时限性及操作困难等问题。针对输电线路避雷器的特点，本文提出了基于泄漏电流和雷电冲击电流测量的避雷器全运行状态的实时监测技术。通过采集泄漏电流评价线路避雷器的受潮、老化等状态；雷击时通过避雷器冲击大电流的次数和峰值，它反映避雷器的剩余寿命以及是否需要预防性试验；冲击小电流的次数，它可为雷电防护及雷击事故分析提供极有价值的科学依据。本文研究成果对提升全网的故障预防及事故分析能力具有重要的积极意义，有利于提高输电线路防雷水平及降低输电线路雷击跳闸次数。

关键词：输电线路 避雷器 冲击电流 泄漏电流 在线监测

中图分类号：TM86 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）10（a）-0071-05

避雷器主要是用于限制由线路传来的雷电过电压或由操作引起的内部过电压，是保证电力系统安全运行的重要保护设备之一，它的正常运行对保证系统的安全供电起着重要作用。传统的避雷器（分为保护间隙避雷器、管式避雷器、阀式避雷器）[1]使用时必须串联间隙。60年代末、70年代初，日本率先研制出了金属氧化锌避雷器（MOA），从80年代开始，在我国电力系统推广应用，并已成为电力系统的重要避雷设备。[2]

根据实际的生产运行分析，在110～500 KV设备事故中，雷击造成的输电线路跳闸占总次数的第1位，已严重影响了电网的安全可靠运行。[3-5]输电线路分布广，地处旷野多，线路的雷害事故占很大比重，尤其是沿海地区表现尤為突出。线路落雷后，沿输电线路传入变电站的侵入波威胁到变电站内的电气设备，是造成变电站事故的重要因素。随着社会发展，电力在人类生产、生活中发挥着不可替代的作用，因此，保证输电线路的安全、稳定与畅通也变得尤其重要。

目前，国内外相关的研究现状都还停留在基于泄漏电流的监测上，避雷器的泄漏电流通常作为监测避雷器运行状况的一种重要手段，但对于输电线路上带纯空气间隙的避雷器，在正常运行中无泄漏电流通过避雷器，也就无法通过测量泄漏电流来评价避雷器的状态。并且输电线路条件复杂，很难进行预防性试验和带电试验，所以在进行泄漏电流在线监测的基础上，开展基于避雷器雷电冲击电流的在线监测具有重要的意义和价值。

1 基本原理及实现方案

1.1 泄漏电流评价避雷器状态基本原理

由于金属氧化物有良好的非线性电阻特性，所以氧化锌避雷器内部没有放电间隙。正是由于没有放电间隙，在正常运行中阀片长期承受电力系统运行电压的作用，有泄漏电流不断流过避雷器的各个串联的氧化锌电阻片，在加上内部受潮或过热等因素的影响，因而会造成阀片非线性电阻特性的劣化。这种劣化的主要表现是正常电压下的阻性电流的增加，阻性电流的加大造成发热量的增加，避雷器内部温度的上升，温度的上升又加速阀片的老化，形成恶性循坏，最后导致MOA由于过热而损坏，严重时可能引起避雷器的爆炸，引起大面积停电事故。[6]因此可以把测量避雷器的泄漏电流作为监测避雷器健康状况的一种重要手段。

一般认为仅占总泄漏电流10%～20%的阻性电流的增加是引起氧化锌避雷器劣化的主要因素，其中主要包括：瓷套内、外表面的沿面泄漏，阀片沿面泄漏及其本身的非线性电阻分量，绝缘支撑件的泄漏等。阻性电流大幅度增加可能是由于密封问题引起的湿度人侵或是氧化锌阀片的过早老化，而阻性电流的瞬态上升则是由氧化锌阀片温度的临时升高引起的主要原因。所以从总泄漏电流中准确提取其阻性电流才是判断避雷器运行状况的关键。

氧化锌避雷器绝缘性能下降的因素主要有两个：氧化锌阀片老化和受潮。[7]氧化锌阀片老化使其非线性特性变差，主要表现为在系统正常运行电压下阻性电流高次谐波分量显著增大，而阻性电流的基波分量相对增加较小；[8]受潮的主要表现为在正常运行电压下阻性电流基波分量显著增大，而阻性电流的高次谐波分量增加相对较小。[9]针对这样的特性，对避雷器进行阻性电流的监测如果只监测阻性电流的基波分量或只监测阻性电流高次谐波分量都不能准确地反映其运行状况。因此在本项目中采用的是谐波分析法监测避雷器阻性电流的原理。即通过对电压、电流波形数据进行分析、计算，得出其阻性电流基波分量和各次谐波分量及变化，通过比较和综合判断才能实现对避雷器运行状况的监测。

1.2 冲击电流峰值评价避雷器状态基本原理

避雷器标称放电电流是用于划分避雷器等级的，它是避雷器最基本的技术参数之一，以8/20波形的雷电冲击电流峰值表示。根据国标《交流无间隙金属氧化物避雷器GB11032》中规定：避雷器应能耐受20次峰值等于避雷器标称额定放电电流而波形为8/20的雷电冲击电流试验，20次冲击后避雷器不击穿、不闪络、不损坏。而放电电流远小于标放电流时，基本上不会对避雷器有影响。

带间隙金属氧化物避雷器避免了工频电压长期作用下的老化问题，其运行状态及累积的冲击破坏与冲击电流的时间和幅值有关，引起冲击破坏的时间和放电电流幅值成反比。[10]按照国标的要求，避雷器放电电流峰值大于标放电流的次数大于20次时就需要进行告警和指示。所以通过避雷器的放电电流峰值及大于标放电流的次数，对于评价避雷器的运行状态，特别是针对有间隙的避雷器具有重要的价值和参考意义。

1.3 输电线路避雷器在线监测实现方案

1.3.1 整体架构

本系统的整体实现方案分为现场在线监测终端和后台主站采集分析系统两个部分组成。其中终端采用嵌入式系统，自动采集输电线路避雷器各种监测数据，包括：避雷器泄漏电流信息、雷击时冲击电流大小、动作次数、动作时间、环境温度、湿度等信息，并进行数据处理、存储和发送。后台系统主要负责接收所有前端发送的在线测数据，并完成综合计算、显示存储、趋势分析、数据库以及报警管理等任务。同时主站系统实现与其它相关系统的接口，实现数据的共享和综合分析。

1.3.2 电流传感器的选型设计

在本项目中，需要测量泄漏电流和雷电冲击电流峰值，实现输电线路避雷器的在线监测，测量数据的要求见表1。

根据1中测量数据对传感器的要求，在本项目中对于采集的数据采用三个电流传感器以采集不同的数据。三个传感器的选择见表2。采用三个一组的电流传感器既保证了微小泄漏小电流的采集精度，又保证雷电冲击大电流的采集，三个采集通道，功能互不影响。

1.3.3 泄漏电流采集设计方案

泄漏电流的采集采用了电磁式穿芯小电流传感器，选用起始导磁率高，损耗小的坡莫合金做铁心。该传感器能够准确检测100 uA～100 mA的工频电流。相位变换误差≤0.05 °，具有极好温度特性和电磁场干扰能力，完全满足复杂现场干扰下的设备取样的精确度要求。

传感器输出电流信号首先经过运放组成的I/V变换电路变成电压信号，电压信号经过RC滤波后，再通过一级运放进行放大。由于设计中采用CPU片内A/D进行采集，其电压输入范围为0～3.3 V，因此运放的输出信号需经过1.8V直流平移电路后，才能输入CPU片内A/D进行采集。I/V变换电路由运放组成，电路同时采用了直流负反馈设计，只对交流电流信号进行放大，对直流信号进行抑制。I/V变换原理如图1所示。

通过电流传感器获得流过避雷器的总电流信号，获得避雷器运行参考电压信号，利用采集装置将此时域波形同步地转换为数字化离散信号，然后将两个离散数字波形信号经离散傅里叶变换（DFT）或快速傅里叶变换（FFT），求出电压、电流的各次谐波相角，进而从总泄漏电流中分离出阻性电流基波值和阻性电流各次谐波值，针对输电线路避雷器在线监测的特点，采用离散傅里叶变化的方法，此种方法相对FFT具有高效、省时、运算速度快等特点。

已知一组数字信号记录x（n），长度为M，则x（n）的N离散傅里叶变换为：

X（k）=DFT[x（n）]=，k=0，1，…N-1 （1）

其中，=cos（）-jsin（）

（2）

将（3-2）带入公式（3-1）可得：

X（k）= DFT[x（n）]=

，k=0，1，…N-1 （3）

公式（3）中，k=1代表基波，k=2代表2次谐波，k=N代表N次谐波。

X（k）可以分成实部R（k）和虚步I（k）分别求和，则一次谐波（基波）幅值计算公式为：

A（1）= （4）

同理，K次谐波的幅值计算公式为

A（k）= （5）

在计算阻性电流时，设电压基波矢量U=A+Bj；电流基波矢量A（1）=R（1）+I（1）j；可以求出两个向量间的夹角w，则基波阻性电流分量为：A（1）*cos（w）；其它谐波阻性分量计算方法类似。

上文中描述的方法是可以从总泄漏电流中分离出阻性电流基波值、阻性电流各次谐波值和总阻性电流值。通过对阻性电流基波值、谐波值和总阻性电流值的监测，与系统历史采集数据的纵向比较，可全面地评价避雷器的运行工况。当避雷器阻性电流值发生变化幅度较大时，应当注意其运行情况，避雷器就可能存在潜在的隐患。当避雷器在系统正常运行电压下阻性电流高次谐波分量显著增大，但基波分量相对增加较小时，可以判断避雷器的氧化锌阀片可能存在老化现象；而在正常运行电压下阻性电流基波分量显著增大，而高次谐波分量增加相对较小时，一般可以判断避雷器的氧化锌阀片可能受潮。

根据上文中的分析，必须要同步采集电流信号以及电压信号。但在高压输电线路杆塔上采集电压信号不仅会给输电线路带来安全隐患，并且会增加终端安装的现场实施难度，所以在同步电压信号采集上利用GPS时钟采用同步采集的方案。

在变电站内安装PT电压采集装置，该装置配置有GPRS通信模块和GPS模块。由于GPS模块有高精度的秒脉冲信息输出，包括秒脉冲信号和相应的时间信息，根据设置的固定的采集周期，输电线路避雷器在线监测装置和站内PT电压采集装置采用秒脉冲的上升沿产生中断，这样可以保证两个采集单元在同一秒脉冲时刻同步采集，同步误差保证在0.5 us以内。数据采集完成后，两个采集单元通过GPRS网络将数据上送到上位机监控软件，由上位机监控软件通过计算得到阻性电流基波值以及各次谐波值。同步采集的原理图如2所示。

1.3.4 冲击电流峰值采集设计方案

冲击电流峰值的测量采用罗戈夫斯基线圈（罗氏线圈），利用被测电流产生的磁场在线圈内感应的电压来测量电流。一次侧为单根载流导线，二次侧为罗戈夫斯基线圈。因为所测电流的等效频率很高，所以采用空心的互感器，这样可以避免铁心饱和所带来的损耗及非线性影响。

由于冲击电流持续时间段、变化快，只需测量冲击电流的峰值。因此，传感器信号经前置调理电路送入保持电路作电压信号保持，以保证A/D能够采集到峰值电压信号，保持电路由整流桥，电容，电阻分压组成。传感器输出电流信号先通过电阻转换成电压信号，再通过整流桥把传感器输出的正负极性冲击电流信号整流成正极性冲击电压，用此电压对电容进行充电。当被测一次电流到峰值时，电容电压也会相应充电到峰值电压，而当被测一次电流从峰值在20 us内变化到0 V时，整流桥由于输出电压比输入电压高而断开，与电容并联的放电回路电阻选择兆欧级，可以让電容电压从峰值放电到0 V的时间为几十个ms，从而保证CPU能对峰值电压进行采集和记数。峰值保持电路原理图如图3所示。

设计中分大小冲击电流采集，所以要分别装2个独立的冲击电流传感器，小冲击电流起始点为±50 A，CPU只需根据中断信号对其记数即可，不需要做采集；大冲击电流起始点为±4KA，CPU根据中断信号对其记数的同时，还要采集峰值电压大小，然后再由后台软件换算成实际冲击电流峰值大小。

1.4 相关试验

为了验证终端设备的各项功能性能指标，在项目的相关试验中采用分流器—示波器测量法来测量冲击电流的准确性，测试原理如图4所示。其中RS为分流器，则冲击电流的实际值为：

其中：u1为示波器測得分流器RS两端的电压值；

RS为分流器RS的阻值，本实验选用的分流器的阻值为0.1 mΩ。

冲击电流测试数据见表3，泄漏电流测试数据见表4，通过测试可以得出，终端的各项技术指标均满足要求。

2 结论

输电线路避雷器由于安装位置、运行环境、维护方式等因素的特殊性，一直都没有一种有效的手段来评价避雷器的运行状态。针对高压输电线路避雷器在线监测存在的各种困难和问题，本文在分析了传统的避雷器在线监测实现原理的基础上，提出了一种适合输电线路避雷器的全运行状态实时监测技术。本项目的研究实现了输电线路避雷器的在线监测，减少了检修和停电导致的经济损失，使得输电线路避雷器日常运维工作有据可依，提高电网运行的可靠性。

参考文献

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