新型配电网智能防雷绝缘子的研制

单林森，黄建杨

（1.国网浙江省电力有限公司绍兴供电公司，浙江 绍兴 312000；2.国网浙江诸暨市供电有限公司，浙江 诸暨 311800）

0 引言

配电网绝缘水平较低，无论是感应雷还是直击雷都会对配电网架空线路和设备产生严重威胁，供电可靠性难以得到保证。对于配电网架空线路本身而言，雷击后的故障基本上发生在绝缘子处，击穿绝缘子后，雷电流通过杆塔入地，从而引发后续工频电流接地或相间短路故障，进一步造成断线、瓷瓶破裂等影响供电的事故发生[1]。为此，国内外研究机构多年来研制了很多配电网防雷产品[2]，绝大部分都是围绕防止绝缘子发生闪络展开研究，如各种结构的带串联空气间隙的金属氧化锌避雷器、绝缘子两端并联空气间隙等，这些产品和设备在实际运行过程中发挥了较好的效果。但配电网由于点多面广，施工、安装、运行维护等工作往往存在诸多问题，导致防雷效果大打折扣。在雷雨天气时，许多其他原因如零值绝缘子、线路运维不到位等引起的配电线路故障，由于缺乏有效的判别手段，经常会将其归结为雷击引起，从而造成后续治理措施出现偏差，不能对症下药。虽然目前有雷电定位系统辅助，但由于其主要面向主网，且定位精度不高[3-4]，对配电网故障是否由雷击引起的识别和诊断支撑作用有限。

目前国内已有机构和厂家研制出一种一体式防雷绝缘子，将绝缘子支撑件和金属氧化锌阀片串联来代替绝缘子使用，固定了雷电放电通道，从而避免了大量的防雷失败问题。但防雷绝缘子是否雷击动作、其本身是否在雷击后损坏等状况仍然需要通过人工巡检进行排查。在监测雷击动作方面，国内目前已实现的方式主要为电子式放电计数器，通过传统通信模式传输雷击动作信号，其功能仅仅实现了雷电动作次数的计数和动作信号远程传输，无法诊断雷击后防雷装置是否损坏，不具备故障识别功能。同时由于该类电子式放电计数器属于分体式结构，在复杂的配电线路上安装局限性很大，实用性不强。

为解决雷击容易造成配电网绝缘子故障问题，同时实现防雷绝缘子雷击动作情况和其自身在雷击后的运行状态监测，本文利用NB-IoT（窄带物联网）通信技术高性价比、低功耗、广覆盖、远距离信号传输的特点[5]，对一体式防雷绝缘子进行改造，实现在线取电、雷电放电动作告警、雷电流和故障电流波形采样、自我状态诊断，并利用NB-IoT 模块将各种状态信息与云平台进行通信，设计和实现了一款一、二次回路融合的智能防雷绝缘子，可直接代替配电线路的绝缘子使用，结构可靠，安装简单。最后，通过模拟雷电流冲击、模拟故障电流关键功能试验，对该装置的可行性和实用性进行验证。

1 智能防雷绝缘子设计

1.1 总体架构

（1）感知层：包括防雷绝缘子本体、罗氏线圈[6]、取电模块、信号采集模块、NB-IoT 通信模块。根据防雷绝缘子特点，正常情况下无电流通过。雷击电流放电时间为微秒级，若防雷绝缘子损坏，雷击后会产生工频续流，由此即可判断防雷绝缘子氧化锌模块是否损坏。设备端内置NBIoT通信模组，可将雷击次数、雷击时间与防雷绝缘子氧化锌模块状态实时上传到客户端智能绝缘子管理平台。

（2）网络层：通过NB-IoT 通信模组与云平台实现数据的传输。云平台提供相应的SDK 与API接口及应用层服务器通信。

（3）平台层：实现所有硬件设备的数据采集和存储，并提供开发接口。

（4）应用层：由防雷绝缘子管理平台及配套手机APP 构成。实现设备无线组网、多级告警通知、多单位用户支持、分级用户管理、系统对接联网等功能。可以随时通过平台连接的电脑端和移动端来实现移动远程监控管理。

网络架构如图1 所示。

图1 网络架构

1.2 本体结构设计

NB-IoT 通信模块功耗较小，预期电池寿命可达到10 年。考虑到装置的可靠性，取电方案定为在线取电加内置电池方案。由于线路末端电流很小，如果在线路末段应用在线取电，取电线圈会非常笨重，且线路电流过小时无法取电[7-9]，影响防雷绝缘子的稳定性。同步设计太阳能取电，选取最大取电能力为160 mA 的长寿命太阳能板。装置整体外形如图2 所示，具体结构组成如图3 所示。

图2 一体式防雷绝缘子整体外形

1.3 感知模块设计

图3 一体式防雷绝缘子结构组成

本设计主要目的是实现雷电流采集和故障电流采集。基于罗氏线圈具有电流可实时测量、响应速度快、不会饱和、几乎没有相位误差等特点[6]，电流采集传感器采用罗氏线圈。将罗氏线圈嵌入在防雷绝缘子本体中，内部与二次回路相连接，自制罗氏线圈如图4 所示。

图4 罗氏线圈

罗氏线圈感应信号输出到硬件滤波电路，滤波电路采用二阶巴特沃斯滤波器滤除高频干扰信号[10]。罗氏线圈输出信号是电流对时间的微分，通过对输出电压信号进行积分，可以真实还原输入电流。再通过运行放大器将积分输出的电压信号调整到A/D 转换采集的电压范围内。

为降低设备运行功耗，防雷绝缘子在无雷电且无故障的情况下，一直处于待机状态，当有雷电流产生时，滤波积分后的电流信号先通过一个窗口比较器以中断的形式唤醒设备。唤醒后对积分放大的信号进行A/D 转换采集，采集频率设为1 μs 一次，当采集电压连续小于最小阈值时，停止A/D 转换，MCU 对采集的信号进行处理，判断氧化锌阀片是否故障。如果有故障发生，记录故障状态及时间，并通过NB-IoT 模块将故障状态与故障时间发送到服务器后台，服务器后台将接收数据保存，并发送到客户端展示。

1.4 算法框架设计

如果氧化锌阀片损坏，雷电冲击闪络过后，接续的工频短路电流会沿雷电放电通道起弧燃烧[11]，工频续流起弧燃烧，弧根在电磁力作用下可以沿着导体表面朝负荷电流流动的方向移动，直至开关开断。MCU（微控制单元）先将A/D 转换结果用DMA（直接内存存取）方式存入数组中，当A/D 转换结束后，MCU 将数组中数据进行限幅消抖算法处理，防止偶然因素引起的电磁干扰对测量结果的影响。然后将处理过的数据与雷电标准电流波形比较，如判断为非雷电，判断电流持续时间是否大于故障电流阈值，对采集到的电流波形进行频率计算，判断是否为工频短路电流频率，若以上条件满足，则判定为氧化锌阀片故障，并记录故障发生时间。算法框架如图5 所示。

图5 算法框架

2 模拟雷电流冲击试验

2.1 试验说明

本试验的目的是检测防雷绝缘子在通过雷电流时，能否记录下通过雷电流的波形及时间，验证防雷绝缘子的采集、通信功能和其本身的防雷可靠性。

2.2 试验情况

试验电流幅值为4.95 kA， 波形为7.7 μs/21.48 μs，符合GB 11032-2010《交流无间隙金属氧化物避雷器》[12]关于标准雷电流波形8 μs/20 μs的规定。由于NB-IoT 通信模块无法直接传输波形数据，因此在试验时，在硬件回路加入EEPROM16MB 存储器，以方便读取防雷绝缘子采样数据和波形。冲击电流试验波形和防雷绝缘子采集电流波形对比如图6 所示。

图6 冲击电流试验波形和防雷绝缘子采集电流波形对比

2.3 后台信号接收结果

当防雷绝缘子氧化锌阀片正常时，采集到的是正常雷电波，后台接收情况见表1。根据设备号可以确定发生雷击的设备为哪一台，其中避雷器状态显示为“正常”，雷电次数计数增加1 次。

表1 冲击电流试验后台接收数据

3 氧化锌阀片故障试验

3.1 试验说明

当防雷绝缘子未损坏时，通过雷电流后，采集到的波形应该为正常雷电波形，时间为微秒级。如果氧化锌阀片损坏，采集到正常雷电波后，仍然会有持续的电流通过。因试验条件有限，雷电流与故障电流不能同时进行试验，本次单独进行氧化锌电阻片短接后的故障电流试验。

3.2 现场试验

防雷绝缘子的高压端接工频6 kV 电压，低压端接地，并将氧化锌阀片短接，模拟氧化锌阀片故障状态，对形成短路后的电流情况进行实际测量，并与智能绝缘子采集到的电流情况进行对比，确认智能绝缘子能否接收到故障电流并做出故障指示，故障通过电流设置为0.2 s 后跳闸。现场试验布置如图7 所示，通过试验系统软件和防雷绝缘子读取的波形如图8 所示。

图7 试验场景

图8 模拟接地故障时试验电流与采集电流波形对比

3.3 后台信号接收结果

当防雷绝缘子氧化锌阀片损坏，采集到异常故障电流波形时，由NB-IoT 模块发送避雷器故障状态量，并在后台直接显示为“故障”，同时考虑到该结构避雷器阀片损坏原因绝大多数应为直击雷引起，同步将雷电次数计数增加1 次，后台数据如表2 所示。

表2 故障状态后台接收数据

4 试验分析

防雷绝缘子由于本身的反应时间延迟，在雷电流冲击试验时并没有捕捉到前端波形。由于滤波回路和唤醒时间延迟影响，导致防雷绝缘子读取的波形失真，采样存在漏点可能，无法准确读取波长时间，但波形下降沿能较好地捕捉到一段。从波形比较来看，装置从休眠状态到唤醒时间应在8 μs 以下，电流峰值误差为3%，NB-IoT通信模块在大电流冲击下工作正常，未出现二次回路损坏问题。试验比对结果如表3 所示。

本次模拟氧化锌阀片的故障，故障起始时间基本没有误差。装置捕捉到了短路时的起始振荡过程，根据氧化锌避雷器截断工频续流的特性，不会超过半个工频周期，也就是小于10 ms[13-15]，由于采样频率较高，因此设置采样时间8 ms 后，采样自动停止，并向后台发送故障信号。本次测量电流峰值与施加电流峰值误差为8.7%，电流波形与实际施加电流波形存在一定差异，原因是线圈为采集千安级的雷电流设计，误差属于可接受范围之内，装置能正确识别故障状态，并通过NB-IoT 模块传输至后台，试验数据对比如表4所示。

表4 模拟氧化锌阀片故障结果比对

装置可以采集的电流范围在数安培至5 000安培之间，因此实际单相接地故障电流、相间短路电流以及雷电流均在可测量范围内。本次试验主要验证装置二次模块性能，未进行更大冲击电流的破坏性试验。

5 结论

（1）本文设计和实现了一种新型配电网智能防雷绝缘子。该装置适用于10～20 kV 配电线路，可代替线路绝缘子和各种线路防雷装置使用。

（2）该装置可实现自我状态检测，通过采集和积分回路判断故障类型，准确实现雷击记录和故障判别，实际运行过程中，可通过对设备提前编号，如某某线某某杆某相防雷绝缘子，实现故障设备的精准定位功能。

（3）如二次设备损坏，并不影响装置的防雷功能和绝缘子支撑功能，可结合维护计划延后处理相关问题。

（4）线圈结构的一体式防雷绝缘子可加入对线路导线上电流的监测功能，可实现现有故障指示器及定位的所有功能。

（5）由于现场试运行设备尚未遭受自然界真实落雷，今后的运行数据可应用到感应雷或直击雷的分析判断中，同时采集雷电放电电流和工频电流放电过程，为配电网防雷相关基础理论和计算提供数据支撑。由于NB-IoT 模块的应用，可实现海量数据互通互联，扩展更多功能以后，可通过智能算法实现电网各个节点的状态量和信息采集，简化和优化配电网结构，提升配电网智能化水平。