基于大数据的避雷器泄漏电流异常分析方法

摘" 要：避雷器是电力系统中的重要保护设备，其运行状态直接影响电网的安全和稳定。该文设计并开发一套避雷器泄漏电流带电检测缺陷试验与实训平台，通过模拟避雷器的不同泄漏电流情况，研究电压谐波对测量结果的影响，并提出改进的检测方法。通过建立指纹数据库、设计泄漏电流模拟发生模块和电压向量基准对标模块，实现对避雷器健康状况的准确评估。该平台填补现有研究在实际应用方面的空白，提升避雷器故障检测的准确性和实用性。

关键词：避雷器；带电检测；谐波补偿；指纹数据库；大数据

中图分类号：TM862""""" 文献标志码：A""""""""" A文章编号：2095-2945（2025）04-0160-04

Abstract： Lightning arresters are important protective equipment in power systems， and their operating status directly affects the safety and stability of power grids. In this paper， a set of live detection and training platform for lightning arrester leakage current is designed and developed. By simulating different leakage current conditions of lightning arrester， the impact of voltage harmonics on measurement results is studied， and improved detection methods are proposed. By establishing a fingerprint database， designing a leakage current simulation generation module and a voltage vector benchmark benchmarking module， accurate assessment of the health status of the lightning arrester is achieved. This platform fills the gap in existing research in practical applications and improves the accuracy and practicality of lightning arrester fault detection.

Keywords： lightning arrester; live detection; harmonic compensation; fingerprint database; big data

在现代电力系统中，避雷器是保障系统安全稳定运行的关键设备，有效限制和调控泄漏电流是其核心功能之一[1]。它能避免设备因泄漏电流导致发热、局部放电，防止绝缘老化和故障，维持系统电压稳定，提升供电可靠性。但当前避雷器技术在控制泄漏电流上存在局限[2]。随着电力系统发展，现有技术难以满足需求。因此，本文旨在设计并开发一套避雷器泄漏电流带电检测缺陷试验与实训平台，以填补现有研究在实际应用方面的空白。

1" 国内外研究综述

避雷器泄漏电流带电检测的研究最早由德国、日本、挪威等国家的学者开展[3]。其中，日本学者对泄漏电流带电检测的补偿法进行了深入研究，而挪威相关行业公司则对阻性电流三次谐波法进行了相关研究。在早期阶段，各国学者主要集中于理论方法的提出和简单研究。

近年来，国内外部分公司基于这些理论原理，开发了相关的避雷器带电检测装置。然而，由于实际应用中电压谐波对测量结果的影响，这些装置的测量结果并不能准确地反映避雷器的故障和问题。针对这一难题，现阶段各研究机构在补偿法的基础上，进行了深入研究，提出了变系数谐波补偿、多元补偿法等技术，以尽量消除电压谐波对测量结果的影响[4]。

目前，避雷器泄漏电流带电检测方法逐步发展，常用的方法包括总泄漏电流法、零序电流法、容性电流补偿法、阻性电流基波法等。总泄漏电流法通过测量流过避雷器的全电流来进行检测；零序电流法则基于氧化锌避雷器的总阻性电流与阻性电流三次谐波在大小上存在比例关系，通过检测氧化锌避雷器三相总泄漏电流中阻性电流三次谐波分量来判断其总阻性电流的变化。虽然这些理论依据已经基本健全，但在试验与实训平台中的应用仍处于空白状态，尚需进一步研究和发展。

2" 研究系统架构设计

2.1" 指纹数据库的建立

2.1.1" 金属氧化物避雷器缺陷机理分析

金属避雷器在变电站中的使用是有统一标准与操作流程的，受限于当地的实际工作环境与相关电压的冲击，主要是雷电过电压和人工操作过电压2种，会导致金属氧化物避雷器出现各种状态的损坏。此外，该装置的使用年限并不固定，会随着其使用周期的增加而出现非线性的寿命变化趋势，再加上其所处的湿热污秽环境，避雷器容易发生各种内部和外部的故障或缺陷，包括内部受潮、阀片老化、污秽发热以及表面裂化等。

内部受潮：避雷器上节底部因受潮而锈蚀，容易导致其内部电阻的绝缘部分受潮，从而失去了绝缘效果变得容易导电，此时会极大地增加泄漏电流的峰值，引发热故障。

阀片老化：阀片通常由金属氧化物制成，具备良好的非线性电阻特性，可以在正常电压下保持高阻抗状态，而在过电压时迅速降低阻抗，提供有效的保护。然而，随着避雷器长期运行，阀片材料会发生老化现象，其主要表现为电气特性和物理性能的劣化。阀片老化会导致其电压-电流特性曲线发生明显变化。具体表现为在低电场区，阀片的电阻值显著降低，使得正常运行时的泄漏电流增大。此外，老化阀片的非线性系数减小，导致其在过电压下的保护效果变差，不能迅速降低阻抗，从而无法有效保护设备。

污秽发热：主要由于避雷器长期暴露于污染环境中，表面附着的污垢积聚所引起。避雷器的外绝缘通常由瓷套或硅橡胶伞裙构成，这些表面在运行中会受到空气中的灰尘、盐雾、工业废气等污染物的影响。这些污染物在避雷器表面积累，形成一层导电膜，当湿度增加时，导电膜的电导率显著提高，导致表面泄漏电流增加，进而引发污秽发热现象。

2.1.2" 基于泄漏电流相位角的缺陷分析

避雷器在工作过程中，容性电流是通过其的主要电流类型，此时阻性电流占比很小，可忽略不计。但当避雷器出现故障而导致其绝缘性能变差，导电性能变强时，阻性电流会大幅增加。因此，判断阻性电流的变化趋势成为判断避雷器是否故障的重要标准。相关电路模型如图1所示，其中U是电压， I是全电流（阻性电流与容性电流的矢量和）。

根据图1所示，可以计算基波阻性电流IR1和基波容性电流IC1

IR1=Icos（？椎），

基波阻性电流峰值IR1P为

IR1P=1.414×IR1 ，

基波容性电流IC1为

IC1=Isin（？椎） ，

基波容性电流峰值IC1P为

IC1P=1.414×IC1 。

阻性电流为IR1：全电流可以用来评估避雷器的性能，但其灵敏度不如阻性电流。假设容性电流IC1不变，当相位角？椎从85°减小到65°时，阻性电流增加了4.8倍，而全电流仅增加了1.1倍。虽然放电计数器通常配有全电流表，显示全电流的显著增加也能反映避雷器性能的劣化，但其敏感性较低。

相位角为？椎：用该参数来判断避雷器性能。因为运行电压会随电网负载变化，这种变化会影响I和IR1，但？椎不受影响，且？椎与介损本质相同。介损等于tan（？啄），其中？啄=90°-？椎在90°附近，阻性电流基本与？啄成正比，与？椎偏离90°的距离成正比。根据现场实测数据和经验，可得到表1。

由表1数据可知，质量良好的避雷器出厂时？椎约为86°，现场测量大多数避雷器的？椎在83°附近。一些数据表明，当？椎低于60°时，避雷器接近发生热崩溃。由此可见，通过精确测量和分析泄漏电流相位角，可以有效评估避雷器的健康状态，及时检测和处理避雷器的潜在缺陷，确保电力系统的安全和稳定运行。

2.1.3" 基于贝叶斯网络的缺陷分析

贝叶斯网络是在贝叶斯分类的基础上，对客观事实进行描述和分析推理的工具。它通过种类归属的先验概率及样本的特征属性值，将样本进行分类。算法总体根据贝叶斯推理构建避雷器缺陷诊断模型，基于样本特征从运行状态分类集中获取最大概率的避雷器状态类型。算法流程如图2所示。

通过上述流程的数据累计，可以得到本设计中的核心部分——缺陷指纹数据库。具体信息见表2。

2.2" 泄漏电流模拟发生模块研制

在本项目中，为了有效模拟避雷器的不同泄漏电流情况，设计了一个泄漏电流模拟发生模块。该模块通过将基准电压发生模块与泄漏电流发生模块相互解耦，以一阻性电流代替避雷器泄漏的全电流。通过设置该阻性电流与基准电压存在一定的相位角，便可以模拟出避雷器的各种泄漏电流情形。

2.2.1" 电路设计

泄漏电流模拟发生模块的电路图如图3所示。电路使用STM32F103C8T6作为系统主控，负责基准同步信号的接收、控制信号的接收及模拟电流的产生。

2.2.2" 模块功能实现

整个泄漏电流模拟发生模块通过STM32F103C8T6主控单元协调工作。首先，主控单元接收来自高速LORA模块的基准同步信号，以确保模拟电流的基准。其次，主控单元从低速LORA模块接收模拟全电流信号的幅值和相位设定值，并将这些设定值传送给AD5304数模转换芯片。AD5304数模转换芯片根据设定值产生相应的电压信号，通过OPA990运算放大器进行调节后，通过电阻转换成所需的模拟电流。

2.3" 电压向量基准对标模块

电压向量基准对标模块的主要功能是产生特定幅值的三相电压信号，以便避雷器泄漏电流测量仪器能够采集该电压信号，并将其作为采集到的电流信号的相位参考。

图4展示了A相电压向量基准电路的设计。具体设计步骤和原理如下。

使用AD5304数模转换器产生一个毫伏级别的直流正弦电压信号。该信号作为初始的基准信号，为后续处理提供基础。该直流正弦电压信号首先经过高通滤波器，以滤除直流成分和低频信号。经过高通滤波后，信号变为纯正弦交流电压信号。正弦交流电压信号随后进入功率放大电路。功率放大电路的作用是提高信号的驱动能力和电压幅值，使其能够满足实际应用的需求。

为了模拟现场110 kV变电站的实际情况，电压向量基准对标模块的输出电压幅值需要与现场PT（Potential Transformer，电压互感器）的输出电压一致。具体而言，现场110 kV变电站的PT变比为1 100∶1，输出线电压为100 V，相电压为57.7 V。因此，在功率放大电路后添加一个适当变比的变压器，将信号相电压升高至约57.7 V，以匹配现场PT的输出电压水平。

3" 结论

本文通过设计并开发避雷器泄漏电流带电检测缺陷试验与实训平台，提出了新的检测方法和系统架构。通过深入分析避雷器缺陷机理，建立基于泄漏电流相位角和贝叶斯网络的缺陷分析模型，形成了完整的指纹数据库。在系统设计上，采用STM32F103C8T6作为主控单元，通过高速和低速LORA模块进行同步信号和控制信号的接收，利用AD5304数模转换芯片和OPA990运算放大器生成预设的泄漏电流和电压信号。实验结果表明，该平台能够有效模拟避雷器的泄漏电流情况，提高故障检测的准确性和效率，为电力系统的安全稳定运行提供了可靠保障。未来的研究将进一步优化系统性能，并在实际运行中进行更多测试和验证。

参考文献：

[1] 胡明峰，孙业雷，毕玉江.带电检测技术在电网设备中的应用[J].现代工程项目管理，2023，2（14）：224-226.

[2] 李鹏，毕建刚，于浩，等.变电设备智能传感与状态感知技术及应用[J].高电压技术，2020，46（9）：3097-3113.

[3] 董志明，雷永锋，曹政钦.电气工程概论[M].重庆：重庆大学电子音像出版社有限公司，2022.

[4] 向思怡，陈渝光，刘述喜.基于LabVIEW的氧化锌避雷器监测系统的研究[J].重庆理工大学学报（自然科学），2016，30（7）：98-102.