声表面波测温法在金属氧化物避雷器在线监测中的应用

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(1.国家电网公司华中分部，武汉 430000； 2.南阳金冠电气有限公司，河南 南阳 473000)

0 引言

中国网内输电线路广泛采取的防雷措施主要包括降低接地电阻、加强绝缘、加装塔头避雷针及地线防雷侧针、安装金属氧化物避雷器(MOA)等。MOA具有良好的非线性特性，当感应过电压时呈现低阻抗将过电压泄放入地，泄放后快速呈现高阻抗不影响系统的正常工作，因此安装线路避雷器能明显降低线路雷击跳闸率，改善系统稳定性，更好的保障电力线路安全运行[1-5]。

然而MOA长期运行在高电压作用下，当MOA的荷电率超出其所能承受的最大限度时，电阻片就会加速老化，最终丧失保护作用而被击穿，引起接地短路故障造成停电事故，避雷器内部受潮也是造成避雷器事故的一个重要因素，因此在电力系统中对避雷器的特性监测尤为重要[6-10]。目前，国内避雷器在线监测仪大多数都是通过测量避雷器的泄漏全电流或者泄漏电流的阻性分量来监测避雷器的运行状况。这种监测仪表的优点是安装简单，读数直观，其不足是避雷器电气参数具有很多干扰，提取阻性分量算法复杂，所需检测设备复杂，测量数据准确性不高[7-9]。

针对这些问题，项目组根据故障MOA产生有功功率损耗上升的最后结果将导致阀片温度上升的原理[10-14]，采用无源无线声表面波(SAW)传感器进行避雷器内部温度采集，通过监测避雷器阀片温度来判断避雷器是否工作于健康状态，为MOA在线监测提供准确指导。

1 声表面波测温法

1.1 电气参数测量法

传统的MOA在线监测方法主要有全电流法、三次谐波阻性法和容性电流补偿法等电气参数测量法[13-14]。但这3种在线监测方法均未考虑相间干扰的影响，难以准确监测出避雷器的阻性泄漏电流，无法判断避雷器的真实运行状态。在正常工作情况下，流过避雷器的全电流和泄漏阻性电流都非常小，全电流只有几百微安到几毫安，阻性电流更小，只占全电流的5%～20%，且阻性电流具有非线性，对温度和湿度敏感，容易受环境因素影响。相间干扰对全电流和阻性电流的测量产生较大影响，由于现场场地会对避雷器布置方式产生很大的限制，每相的MOA都不可避免的受到其它两相的影响，由于相间电容耦合所形成的干扰电流在被测相电压矢量的投影作为“阻性分量”混入真实的阻性电流中，相间干扰电流的分量可能占真实阻性电流的较大比例，造成测量失真。

1.2 金属氧化物避雷器工作特性

MOA在系统电压作用下的温度与其能量损失有关，但与系统电压的谐波含量以及环境干扰等因素没有直接关系，避雷器在正常工作时，能量损耗的吸收能力很好，即能量的损耗远小于能量吸收，避雷器阀片温度变化波动范围很小，即便出现短时间的过电压现象，阀片温度会有一定量的升高，但可以慢慢回落至正常范围。但如果避雷器存在受潮或老化故障，能量损失会大幅度增长，进而使阀片温度持续不断的升高并出现不可逆的趋势，因此阀片温度能反应避雷器损坏的累积效应和病状发展趋势，从而可以进行避雷器在线故障诊断。

1.3 声表面波测温法原理

在线监测MOA的电气参数具有很多干扰，提取阻性分量算法复杂，所需检测设备复杂。早在1999年德国研究学者就提出了基于无线钝化表面声波温度传感器的在线监测方法，其灵敏度高可适用于任何复杂电磁环境下而不受干扰。然而，该技术在国内外一直没有科研人员对声表面测温法应用于MOA在线监测做深入研究。

声表面波(SAW)测温的工作原理见图1[15-16]。由无线读取单元发射一定频率的电磁波信号经天线传送至SAW器件的叉指换能器，叉指换能器通过逆压电效应将接收的电信号转换成沿基片表面传播的机械振动波。该波遇到反射栅后有部分被反射回叉指换能器，再经叉指换能器转换成回波电信号，最后通过天线传回读取单元。如果SAW器件表面温度发生变化即会引起声波速度发生变化，从而引起无线单元接受的反射信号的谐振频率发生相应改变，这种改变随温度的改变在一定温度范围内呈线性变化，见图2，因此容易实现对被测物体温度的测量。

图1 声表面波测温原理结构图Fig.1 Schematic diagram of SAW temperature measurement

图2 声表面温度传感器“频率—温度”测试曲线Fig.2 Test curve of SAW temperature sensor "Frequency-Temperature"

基于声表面波技术的测温传感器是一种被动式的感应器件，无需额外供电，无线读取数据，能直接把被测量温度的变化转换为频率的变化，便于处理器处理；由于工作特性取决于压电材料本身，因此使得这种传感器具有优良抗高压及电磁辐射能力，可工作在-50℃～200℃的温度范围内进行精确测量。由于声表面波测温传感器重量轻、体积小、信号易于检测、可工作于极端恶劣环境等优点，近几年已经成功应用于高压开关柜、电缆接头、变压器接头和高压断路器等电力设备测温系统。

2 声表面波测温方案可行性验证

2.1 声表面波测温传感器选型

项目组根据需求，选择江苏声立传感技术有限公司生产的WTS-SG-1型无源无线温度传感器为测温模块，该传感器属陶瓷基底传感器，由专业传感器厂家制造，为了读取声表测温传感器的温度数据，厂家配套的有信号调理电路，缩短项目开发时间。SAW测温传感器头具有纯无源、免维护、体积小，安装灵活，可以方便的安装在被测点上，准确地跟踪发热点的温度变化，并可以以无线方式将温度数据发送出来，实现对被测点温度信息进行实时采集，实现非接触温度测量[16-19]，因此将此传感器应用于避雷器测温不仅不会影响避雷器的密封性，而且还能实时监测避雷器腔体内温度，进而实现避雷器的智能化。

2.2 测温传感器的安装与指标测试

金属氧化物避雷器阀片与阀片之间可以通过阀片间的金属垫块来调整间隔，金属垫块导热性良好，能够更好的反应此时避雷器的温度，阀片间的金属垫块处安装温度测量点将不会影响避雷器的整体性能，本次实验所用的避雷器经过对金属垫块加工进行开槽处理，把其做成一个恰好可以将温度传感器安装进去的安装孔，在使用的时候将温度传感器安置于避雷器的金属垫块的安装孔上，该安装方案不仅使测量的温度更加准确，而且对避雷器本体的温度表征也会更有价值。金属垫块的安装孔见图3。当组装避雷器的时候可以按照传统的装配方式进行，当测量温度时候只需将温度传感器插进槽孔即可。温度传感器的具体安装位置如图4所示。

图3 金属垫块安装孔Fig.3 Mounting hole of metal pad

图4 传感器安装位置Fig.4 Location of sensor installation

选取南阳金冠电气有限公司生产的复合外套金属氧化物线路避雷器为实验样品，在避雷器腔体内部等距安置6只声表面波测温传感器，数据读取器离避雷器最远端170 cm，为了便于保存分析测量数据，设计读取器通过通讯接口和PC机相连。搭建的实验系统见图5。在实验时，测温系统依次扫描6只传感器，按照避雷器测温应用情况，测试过程关注3个关键指标：读取器与温度测点的距离、温度测量速度(或单个测点测量需要时间)、温度测量准确度，测试数据见表1和表2。

图5 天线距离避雷器最远端170 cm实验Fig.5 Experiment of antenna distance from the arrester at the most distal 170 cm

表1 单节避雷器温度测点采样速度表(环境温度25.3℃)Table 1 Sampling speed data of single arrester temperature measurement point a Ambient temperature 25.3℃) s

表2 单节避雷器温度测量准确度列表(环境温度25.3℃)Table 2 Accuracy data of single arrester temperature measurement(ambient temperature 25.3℃) ℃

2.3 实验结果分析

从测试数据可分析得到如下结论。

1)声表面波温度传感器的读取速度：6个测点S1、S2、S3、S4、S5、S6按照距离由远到近依次安装，读取时按照S1、S2、S3、S4、S5、S6的次序依次读取，共轮询测量10次，分别记录每个测点一个有效测量数据测量时间，单位为秒。从表1可看出，声表测温系统单个测点温度读取时间介于1～6 s之间，其中大多数读取时间为2 s内，但首次第一轮读取较长，达到11 s，而且每轮读取第一个传感器的读取时间较长，达到6 s。

2)声表面波温度传感器的读取距离：从表1可看出，在有效读取距离内距离对读取时间的影响不是很大。进一步分析表2可以看出，在有效读取距离内距离对测量精度的影响不是很大。测试最大距离，按照双节避雷器配置方式，最大距离可达4.2 m，且在4.2 m内测试速度和精度没有明显影响，但4.2 m以上，数据就无法读取。

3)声表面波温度传感器的温度准确性：从表2可看出，声表测温系统单个测点温度精度介于±1℃之间，其中大多数读取时间为±0.5℃内。

由于温度是一个慢变化量，且在避雷器阀片测温过程中，存在显示的热传导过程，温度不会巨变，在实际测温过程，对于测温速度个体差异情况，可采用数学拟合校正的方法弥补不足；关于距离，从单体避雷器测试情况看，可以满足500 kv线路避雷器340 m间距的应用需求；从实际测量来看，避雷器遭受雷击后温度变化可达40～100℃之间，温度误差±0.5℃属可忍受范围。综合上述分析，该测温方法基本满足项目要求。

3 声表面测温法有效性验证

3.1 声表面测温传感器实验平台搭建

在前期试验的基础上，项目组重新搭建了如图6所示的MOA在线测试系统，声表面温度传感器把测量的温度信号以无线的形式通过天线将信号传输至电路系统，电路系统中的预处理电路就会把温度信号转化为温度值，电路系统中的中央处理单元对温度值进行处理，然后把经过处理的数据发送到网络云端，云端数据由远程PC以客户界面的形式对测量的温度值进行显示。避雷器发热主要集中在距其端部1/3位置处，也是温度值最高的地方，考虑到工程运用的可靠性，项目组距避雷器两端1/3位置处各装配一个温度传感器进行测量，一个作为主传感器，一个备用传感器。测试现场见图7。

图6 现场测量系统搭建方案Fig.6 Program of field measurement system

图7 现场安装测试环境Fig.7 Test environment of field

3.2 声表面测温模拟现场测试

分别测量一只因受潮而老化的避雷器和一只全新的避雷器在施加相同电压时温度随时间变化情况来模拟避雷器在挂网运行时的情况。这项测试不仅能够验证项目组搭建的测温实验系统的科学性，而且还能够真实反映已老化的避雷器和能正常工作的避雷器之间的数据差异，项目组设定当避雷器温度达到70℃时断开电压。表3和表4分别记录了正常避雷器和故障避雷器在123 kV电压下避雷器的温度变化数据。其中温度1和温度2代表在123 kV电压下正常避雷器传感器1和2的温度值，温度3和温度4代表在123 kV电压下故障避雷器传感器1和2的温度值。由于测量时间节点较多，大量数据不便于在表格中一一列出，因此在表格中只是列出了部分数据。

表3 123 kV电压下正常避雷器实验表格(环境温度15.5℃)Table 3 Experimental data of 123 kV voltage under the normalstatus(ambient temperature 15.5℃)

表4 123 kV电压下故障避雷器实验表格(环境温度15.5℃)Table 4 Experimental data of 123 kV voltage under the fault status(ambient temperature 15.5℃)

3.3 测试结果分析

分析以上表格数据可以得出以下结论：

1)通过表格数据我们可以看到避雷器温度值会随着通电时间的增加而逐渐升高，这是由于避雷器在高压状态下通过避雷器阀片的阻性电流做功，产生热量，这部分热量使避雷器腔体内温度升高。

2)避雷器在高压状态下发热过程中，温度和时间的关系并非是严格的正比关系，前期的发热过程较为缓慢，当温度逐渐上升的时候，其发热速度也会有所增加，这是因为当温度上升后阀片的阻值减小，阻性电流增加，因此阀片的发热速度更快。

3)分别对比正常避雷器和故障避雷器的传感器1(3)和传感器2(4)的温度可以看到，传感器1(3)和2(4)的温度基本相同，误差在±0.5℃范围内，说明其中一个传感器做主传感器另一个做备用传感器的方案是可行的。

4)在表格数据中可以看到，正常工作的避雷器升温较为平缓，升温至70℃所用时间较长，而故障避雷器的升温较快，升温至70℃所用时间明显较短。这说明避雷器腔体内的温度变化能够反映避雷器是否已经损坏，这证明声表面测温法的有效性。

4 结语

通过监测MOA 电气参数判断避雷器是否老化过程中容易受外界干扰，采用无源无线的声表面测温法能真实反映避雷器的健康状况。在南阳金冠电气有限公司的支持下，项目组通过大量实验验证了声表面测温法用于在线监测金属氧化物避雷器运行状况的可行性和有效性，为其他电压等级的避雷器在线监测提供参考。