内置式金属氧化物避雷器在线监测装置设计

左中秋,吴成成,黄佳瑞,王陆璐,钱青春

(中国电力科学研究院有限公司,武汉 430074)

0 引言

金属氧化物避雷器是由密封在绝缘外套内部金属氧化物电阻片串并联构成的电气元件,因其良好的非线性伏安特性和重复转移电荷能力而被广泛使用,尤其在超、特高压电力系统中有着无可替代的作用[1-5]。多年的运行经验表明,由于氧化物电阻片被密封在绝缘外套内部,受环境温度变化的影响内部气体压力时常变化,在密封性能出现劣化的过程中,存在呼吸效应吸入水分,破坏内部绝缘性能;另一方面,避雷器运行中受环境因素的影响,吸收太阳辐射能量,附加运行电压的作用下自身发热,以及过电压冲击等多重电热应力作用[6-10],电阻片温度远超环境温度,随运行时间增加电阻片会逐渐劣化,严重时甚至导致电阻片部分击穿短路、避雷器损坏爆炸、系统中运行的设备故障等[8]。因此,通过在线监测来评估避雷器的运行状态对电力系统的安全稳定运行具有非常重要的意义。在现行的避雷器状态监测类行业标准及国网避雷器运维企业标准,以及关运行经验中已有相对成熟的在线监测技术为避雷器的运行监测、维护提供各种方案[11-17]。但外置式在线监测器主要采集避雷器的泄漏电流(即全电流),不能及时发现避雷器早期故障。虽然阻性电流的变化能够反映避雷器的早期故障状态,但占主流的容性电流补偿法测试实践中,因安全问题往往不能取PT二次信号,或转而取站用变的电压信号,给阻性电流测量结果同样带来不确定性[18]。因此基于阻性电流测量的现场方案成为研究的热点[19-24]。泄漏电流信号往往不能准确地判断出避雷器的运行状态,在实际工程中,运维人员通常会按照DL/T1702的要求来进行维护。当出现泄漏电流异常时,需要进行红外测温联合分析,才能确认避雷器的运行状态[25-27]。

针对以上问题,本研究提出了基于多维度特征量分析的内置式金属氧化物避雷器在线监测方法。本方法采用在避雷器元件腔室中内置温湿度及电流传感器,采集多个腔室内(如果避雷器是多元件设计)的温度、湿度、电流3个维度的特征量进行比较,可判断避雷器的运行状态。本方法为金属氧化物避雷器的状态监测提供了一种更加有效的监测技术,具有很好的工程使用发展前景。

1 内置式在线监测系统的原理和模型

经统计,避雷器因自身缺陷导致故障的比例达80%,受潮是主要故障原因,密封系统不良是避雷器自身的主要缺陷类型。不论是避雷器内腔受潮或是电阻片劣化,都会导致电阻片发热致使避雷器内部温度升高。因此,可以直接测量电阻片的温度,辅助测量避雷器腔体的湿度和避雷器芯体的泄漏电流来全面的掌握避雷器内部运行状态信息。基于上述原理设计的在线监测系统原理如图1所示。

图1 多维度内置式避雷器在线监测系统原理图Fig.1 Schematic diagram of multi-dimensional built-in lightning arrester online monitoring system

内置式在线监测系统包括3个部分:内置式采集器、信号接收器和避雷器状态监测平台。内置式采集器与信号接收器之间,采用2.4G无线公用信道通讯。信号接收器与监测平台之间采用RS485通讯,或者采用IEC61850[28]接入站内智能化监控平台。如图2所示,内置采集器并联的高能电阻片,采集到的避雷器运行电流可以看作恒流源,整流后得到直流电流,对固态电容进行充电/储存,为嵌入式单片机供能,实现自取能供能。

图2 多维度内置式避雷器在线监测系统框图 Fig.2 Block diagram of online monitoring system for multi-dimensional built-in surge arrester

内置式监测系统实时测量电阻片的表面温度。当温度变化异常时,可以结合湿度测量数据综合判断,是否为密封失效、避雷器内腔受潮、电位分布严重不均匀引起的电阻片承担电压过高引起温升。与传统的在线监测方法相比较,这种新的测量评估方法避免了通过泄漏电流和采用红外测温的方法来间接判断避雷器的运行状态。采集器具有冲击电流自启动功能及定时采集功能,当电阻片遭受到冲击电流时,可以在1 s内启动温度测量,立即测量冲击电流造成的电阻片温度升高数据;定时采集可实现间隔20 s～1 h时间定时采集避雷器内腔温度、湿度、泄漏电流。可以根据工程需要,在避雷器元件内腔中放置1只或多只采集器,对避雷器元件多个位置的电阻片温度进行实时测量。可以大大的提高了对避雷器运行状态判断的实时性、准确性和可靠性。

2 内置式在线监测系统功能设计

2.1 多维度特征量的采集

多维度特征量使用内置式采集器测量。内置式采集器的结构如图3所示。

图3 内置式采集器的结构图Fig.3 Outline and structural diagram of the built-in collector

温湿度测量采用SHT20数字温、湿度传感器,用2 mA/2 mA电流型电压互感器采集避雷器泄漏电流,采用nFR24L01系列2.4 G无线模块对外通讯,采用固态电容储能,采用STM32微处理器进行协调温湿度传感器及泄露电流采集工作。电容式湿度和能隙温度传感器能够按照命令要求调制。温湿度传感器具有电池电量检验功能,并满足体积小、响应快、接口简单的要求。设计的这组温湿度传感器具有功耗低、通信可靠性高的特点。

泄漏电流测量采用额定电流比2 mA/2 mA电流型电压互感器对避雷器运行电流进行隔离,利用STM32的AD转换功能,将电流转换为数字信号,通过傅里叶变换,得到所需要的运行电流各种信息。泄漏电流采样电路如图4所示。一般2 mA/2 mA电流型电压互感器内阻约180 Ω,正常情况下,避雷器泄漏电流不超过2 mA,其输入端压降太低,无法进行有效保护,增加串联电阻(限流电阻)提高输入网络电压可对互感器进行有效保护,VIN是泄漏电流在限流电阻RIN和互感器内阻串联组合上的压降,通过限流电阻RIN限流,产生的0～2 mA电流通过微型电压互感器。电容C选用CBB电容,D1、D2为保护二极管,用于保护运算放大器。C0为抗干扰电容,取1 000 pF左右。限流电阻RIN取值根据输入端限制电压VIN、互感器内阻选取,保证在最大输入电流2 mA时VIN是保护电路保护电压的80%左右。

图4 内置式采集器的电流互感器采样电流图Fig.4 Sampling current diagram of current transformer with built-in collector

内置采样器的动作计数信号处理电路如图5所示。避雷器动作时,J1、J2之间电压为电阻片残压,远高于正常运行时的电压,当避雷器动作时,INT端出现高电平,单片机检测到信号,触发单片机中断,单片机记录一次避雷器动作。

图5 内置式采集器的动作计数信息处理电路图Fig.5 Circuit diagram of action counting information processing for built-in collector

2.2 自取能系统

为保证温湿度、持续电流等信息的数字化采集,取能电路需要将取得的能量储存起来,供避雷器信息测量电路及无线通讯电路使用。取能电路图如图6所示。图中J1、J2为取能电路输入接口,串接在避雷器芯组中,R1为限流电阻,限制流过电路的电流,同时提高电路的输入阻抗,为异常情况下保护电路启动创造条件;VR1为过压保护压敏电阻,ZD1、ZD2为稳压二极管,也是过压保护器件;BG1为整流桥,将交流电流转换为直流电流,对储能器件C1进行充电;储能器件C1为电容器,储存能量,为整体电路提供工作能量;D1为防倒流二极管;IC1为复位芯片,其工作原理为其1、3脚之间电压超过其设定电压时,2脚输出高电平;IC2为可控稳压电源芯片,其EN引脚为低电平时,芯片不工作,静态工作电流只有1微安,当EN引脚为高电平时,芯片开始工作,为功能电路提供稳定工作电源;C2、R7组成延时电路,保证IC1复位芯片输出低电平时,IC2仍可短时间工作。整流得到的直流对固态电容进行充电/储能。储能电容的选取必须考虑电容器的特性。

图6 内置式采集器的取能电路图Fig.6 Energy harvesting circuit diagram of built-in collector

在变电站运行的35 kV避雷器,正常运行情况下持续电流约在0.15～0.23 mA之间,110 kV避雷器,正常运行情况下持续电流约在0.35～0.40 mA之间,220 kV避雷器,正常运行情况下持续电流约在0.40～0.45 mA之间,5 000 kV避雷器,正常运行情况下持续电流约在1.4～2.1 mA之间,差异较大,而配置的采集器功能相同,每次所消耗的能量基本相同,这样情况下安装在不同电压等级避雷器的采集器完成储能时间间隔差异较大,采集间隔同样差异明显,在未完成储能情况下,存在动作计数信息丢失可能;另外,仅由储能电容供电情况下避雷器初次投运时单片机未工作,可能出现的避雷器动作采集器无法记录,为避免出现动作计数丢失现象,在采集器上配备备用电源。备用电源采用锂亚硫酰氯电池,在耗电量极小的情况下可使用10年,备用电池作为单片机的备用电源;通常STM32G0单片机工作在待机模式,待机模式下耗电1.1 uA,而采集器在0.15 mA电流下,首次储能仅需12～15 s,完成一次测量通讯后,第二次完成储能仅需6～8 s,这样200 mAh备用电池,配合采集器工作模式,可保证使用时间不低于8年;在备用电池失效后,仅靠储能电容采集器仍能保证采集器正常工作。此外,数据接收器可采用站用电源,也可采用太阳能辅助锂电池等方式。

2.3 信号传输及电磁兼容性能

数据接收模块采用2.4 G公用信道通讯,实现测量模块测量数据的接收。数据接收模块采用STM32G0系列单片机,nFR 24L01系列2.4 G无线模块,这样保证无线通讯的可靠性,STM32G0单片机控制2.4 G无线模块接收测量模块采集的数据信号,并将接收到的信号转换为RS485信号,传送至监测平台。2.4 G的发射功率小于0.1 W,通讯距离不大于80 m,不影响周边通讯。

2.4 G无线模块选用成都亿佰特公司的E01模块,如图7所示。E01采用nRF24L01P单片机无线收发器芯片,这款芯片工作在2.4～2.5 GHZ 世界通用 ISM 频段,具有低功耗特点,收发信号的工作电流也仅在十几毫安级。这款芯片还具有多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。

图7 内置式采集器的取能电路图E01-nFR24L01PFig.7 Energy harvesting circuit diagram of built-in collector

内置式采样器所处的电磁环境极为恶劣,正常运行中会受到变电站内部各种开关设备操作时瞬时操作电流产生的电磁场突变的影响,开关设备操作时操作过电压引起避雷器冲击电流及其产生的电磁场变化的影响,可能影响其正常运行与通信,尤其是避雷器动作时数十千安动作电流产生的电磁场,可能对采样器造成损坏,导致不能正常工作。因此,对在线监测系统展开电磁兼容性能研究十分必要。针对监测系统电磁兼容性能中的重点的问题,通过分析静电放电和浪涌干扰的机理,在电路上增加保护,在PCB板设计上进行优化设计,并按照GB/T17626.1～12《电磁兼容 试验和测量技术标准》[29]进行相关试验,试验结果符合相关标准规定,验证了设计方案的有效性和正确性。

2.4 采样模块故障短路特性

内置式采样模块需要串入避雷器主回路,考虑当采样器故障短路时对避雷器芯组安全运行的影响,必须保证取样电阻片具有高可靠性。即使在极端情况下和极低概率下,在取样电阻片故障短路时,也不会对避雷器造成任何损坏。按照IEC60099-4:2014标准进行短路试验(50 kA/0.2 s,600 A/1.0 s)。试验波形及试验后内置式采集器状态如图8所示,在短路试验后拆解发现内置式采集器仅自身内部电路板损坏,未对避雷器的运行造成影响,验证了结构设计抗短路故障的有效性。

图8 内置式采集器的短路试验波形及试验后试品状态Fig.8 Short circuit test of built-in collector

3 168 h带电考核试验及结果分析

为了验证多维度特征量内置式避雷器在线监测系统的性能,设计了一套168 h带电考核试验方案。选用Y20W-444/1106型500 kV瓷外套交流无间隙金属氧化物避雷器(Urrms=444 kV,Ucrms=324 kV)为监测对象进行试验,该避雷器由3只元件串联组成。各元件内充微正压高纯N2气体。每个元件的上、中、下部各安装2只信号采集器。对布置有内置式采集器的避雷器在试验室环境下持续施加避雷器的持续运行电压Uc168 h,试验及试品布置如图9所示。同时采用FLIR红外成像仪对避雷器进行红外成像测温。泄漏电流数据在试验室带电考核期间较为稳定,本研究不做分析。

图9 168 h带电考核试验内置式采集器布置Fig.9 Layout of built-in collectors in the 168 h operation test

在168 h周期之内,记录内置式采集器传输的温度和相对湿度信息,每间隔6 h的信息进行记录并分析。24～168 h期间,每12 h采用红外成像仪对避雷器进行红外成像测温。168 h带电考核试验结束后,对上节元件进行不同电流幅值的8/20 μs雷电冲击电流试验,考核监测新系统对避雷器动作次数信息的采集性能。雷电冲击试验数据及168 h带电考核试验如表1～2所示,带电考核试验期间的温湿度曲线和红外成像图见图10-图11。

表1 施加8/20 μs雷电冲击电流时,监测系统记录数据汇总Table 1 Summary of data recorded by the monitoring system when 8/20 μs lightning impulse current is applied

表2 168 h带电考核试验实验数据汇总Table 2 Summary of 168 h live assessment test experimental data

图10 168 h带电考核试验期间温度和湿度曲线Fig.10 Curve of 168 h live assessment test experimental data

图11 红外成像图(依次为0 h、24 h、96 h、168 h)Fig.11 Infrared imaging images (0 h, 24 h, 96 h, 168 h in sequence)

从记录的数据来看,内置式避雷器在线监测系统可以满足预期的技术要求,实现了采集避雷器湿度、温度、动作次数和泄漏电流的功能。经过比对校准,湿度测量误差0.1%～0.2%;温度测量误差0.12%～ 0.18%;泄漏电流测量误差3%～5%,满足Q/GDW 540.3-2010的技术要求[31]。试验周期内系统的信号通讯正常,没有出现漏报、误报现象。

4 结论

1)针对传统在线监测泄漏电流的方法的缺点,开发了一种基于多维度特征量分析的内置式金属氧化物避雷器在线监测系统。完成了系统的软硬件设计,成功试制样机并通过相关试验,验证了在线监测系统的准确性和可靠性。

2)内置式在线监测器系统突破了传统采集泄漏电流的技术手段,采用多点采集避雷器芯体的温度和元件腔体湿度,并结合泄漏电流波动的分析方法,来综合评价避雷器的运行状态。

3)内置式在线监测器系统采用自取能储能,实现了在线无源无线信息传输。可以满足多场景的避雷器在线监测需求。

4)内置式在线监测系统的研制为金属氧化物避雷器的状态监测提供了一种更加有效值的监测技术,具有良好的工程使用发展前景。