基于雷擊能量估計(jì)方法的氧化鋅避雷器在線失效預(yù)警裝置設(shè)計(jì)

楊慶林

摘 要：本文提出了一種估計(jì)氧化鋅避雷器所承受的雷擊能量大小的方法，闡述了氧化鋅避雷器的失效與其所承受的累積雷擊能量之間的關(guān)系；設(shè)計(jì)了一種通過(guò)檢測(cè)和累積避雷器的雷擊能量預(yù)測(cè)避雷器失效的在線裝置；設(shè)計(jì)了該在線預(yù)警裝置的功能及實(shí)現(xiàn)該功能的技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：雷擊；預(yù)警裝置；避雷器

1 概述

氧化鋅避雷器是一種在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用的過(guò)電壓保護(hù)器件。由于氧化鋅避雷器長(zhǎng)期工作于露天環(huán)境下的高壓線路上，容易產(chǎn)生失效和誤動(dòng)作，從而威脅其它電氣設(shè)備的安全運(yùn)行。對(duì)氧化鋅避雷器的定期檢查和維護(hù)，是采用離線方式，操作專用的檢測(cè)儀，判斷氧化鋅避雷器的性能好壞。這一方法不僅帶來(lái)繁重的勞動(dòng)量，而且依據(jù)安裝使用時(shí)間的檢查規(guī)則也不科學(xué)。

氧化性避雷器的失效與其經(jīng)歷的累積雷擊能量的大小強(qiáng)相關(guān)[1]，與其安裝使用的時(shí)間弱相關(guān)。本文設(shè)計(jì)了一種在線裝置，通過(guò)檢測(cè)和估算氧化鋅避雷器經(jīng)歷的雷擊能量，累積雷擊能量并與先驗(yàn)獲得的失效閾值相比較，當(dāng)累積的雷擊能量達(dá)到閾值時(shí)，即判定避雷器將要失效，預(yù)警裝置發(fā)出預(yù)警信息，啟動(dòng)避雷器的更換和維護(hù)工作。

2 雷擊能量估算

雷擊脈沖的捕獲和能量估計(jì)原理，可以用RC回路來(lái)比擬說(shuō)明。當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí)，假設(shè)互感器二次線圈測(cè)得的電流脈沖有能量E如式（1）所示，電容捕獲雷擊脈沖能量，以電壓為U0的內(nèi)電場(chǎng)形式存在如式（2）所示；當(dāng)脈沖過(guò)后，能量泄放電流i如式（3）所示，檢測(cè)此泄放電流，然后按照式（4）可以估算出脈沖能量。

其中：為式（1）；為式（2）；為式（3）；為式（4）。

由于互感器一次線圈和二次線圈之間的電流關(guān)系是線性，實(shí)際氧化鋅避雷器承受的雷擊能量應(yīng)該與式（4）的計(jì)算結(jié)果之間存在一個(gè)當(dāng)量關(guān)系。這個(gè)當(dāng)量關(guān)系可以在離線進(jìn)行的雷擊試驗(yàn)臺(tái)上，統(tǒng)計(jì)某型號(hào)的避雷器的失效雷擊效應(yīng)時(shí)，通過(guò)回歸計(jì)算的方法得到，同時(shí)得到一個(gè)用于在線預(yù)警的閾值。

3 在線預(yù)警裝置的設(shè)計(jì)

3.1 雷擊能量檢測(cè)、轉(zhuǎn)換和計(jì)量

由于雷擊電流的不可預(yù)計(jì)的大電流，如圖1所示，電流互感器宜采用空心線圈才會(huì)在大電流時(shí)出現(xiàn)磁飽和；讓泄放電流導(dǎo)體穿過(guò)空心線圈電流互感器，當(dāng)雷擊電流經(jīng)過(guò)泄放導(dǎo)體時(shí)，互感器二次側(cè)獲得脈沖電流，此脈沖電流對(duì)雷擊能量吸收回路的電容器吸收，然后按照時(shí)間常數(shù)對(duì)電阻放電，并在4倍時(shí)間常數(shù)時(shí)結(jié)束。放電期間通過(guò)采集放電電阻上的電壓值，可以計(jì)算出相應(yīng)的電流值。

3.2 在線預(yù)警裝置的電源設(shè)計(jì)

由于雷電時(shí)的電網(wǎng)過(guò)電壓，和復(fù)雜強(qiáng)大的電磁干擾，一般的電壓源型電源將引入很大的測(cè)量噪聲，因此合理的電源設(shè)計(jì)是利用電流互感器實(shí)現(xiàn)一個(gè)電流源型的電源如圖1所示。采用電流互感器供電的直流電源，變電站操作電源的應(yīng)用中常采用鐵磁諧振交流穩(wěn)壓器。由于電磁諧振交流穩(wěn)壓器的電感要求，會(huì)導(dǎo)致電源的體積和重量很大，不適合一個(gè)微功率的在線電子裝置應(yīng)用。為解決上述問(wèn)題，為預(yù)警裝置設(shè)計(jì)了一個(gè)全電子器件的并聯(lián)穩(wěn)壓電路。該并聯(lián)穩(wěn)壓電路用電子元件實(shí)現(xiàn)了與鐵磁諧振穩(wěn)壓器等效的直流穩(wěn)壓輸出。為了保證供電的可靠性，可以設(shè)置完全相同的兩路互感器和穩(wěn)壓電路在輸出端并聯(lián)。并聯(lián)穩(wěn)壓電路的原理是，R1，R2構(gòu)成檢測(cè)支路，當(dāng)負(fù)載側(cè)的電壓低于設(shè)定的閾值時(shí)，調(diào)整開關(guān)斷開、電流源向負(fù)載側(cè)供電；當(dāng)負(fù)載側(cè)電壓高于設(shè)定的閾值時(shí)，調(diào)整開關(guān)導(dǎo)通，電流源在電源側(cè)斷路形成閉合回路。為滿足不同檢測(cè)方案的電壓需求，可以在負(fù)載側(cè)設(shè)置相應(yīng)的DC-DC變換器。隨著負(fù)載側(cè)功率消耗的變化，并聯(lián)調(diào)整開關(guān)的占空比會(huì)自動(dòng)變化。

3.3 在線預(yù)警裝置的功能設(shè)計(jì)

（1）具有RS-485通訊接口，將預(yù)警信號(hào)向外傳輸；（2）具有I2RAM在掉電時(shí)存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)記錄；（3）具有鍵盤顯示器接口，作為閾值設(shè)定和現(xiàn)場(chǎng)檢修時(shí)的查看；（4）單片機(jī)核心應(yīng)該做電磁屏蔽設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

（1）本文提出了一種估計(jì)氧化鋅避雷器所承受的雷擊能量大小的方法，闡述了氧化鋅避雷器的失效與其所承受的累積雷擊能量之間的關(guān)系；設(shè)計(jì)了一種通過(guò)檢測(cè)和累積避雷器的雷擊能量預(yù)測(cè)避雷器失效的在線裝置；設(shè)計(jì)了該在線預(yù)警裝置的功能及實(shí)現(xiàn)該功能的技術(shù)手段；（2）本文提出的思路和方法在某型智能防雷漏電斷路器上的應(yīng)用，收到了預(yù)期的效果，證明了本文設(shè)計(jì)的正確性和有效性；（3）當(dāng)雷擊發(fā)生的時(shí)間間隔小于4倍的RC時(shí)間常數(shù)時(shí)，雖然波形會(huì)出現(xiàn)重疊，但是在系統(tǒng)為線性的假設(shè)為真時(shí)，并不影響能量雷擊的計(jì)算；（4）上述氧化鋅避雷器的在線預(yù)警裝置的設(shè)計(jì)思路，很可能會(huì)指導(dǎo)電力企業(yè)，徹底改變氧化鋅避雷器的應(yīng)用管理，也可能引發(fā)避雷器生產(chǎn)廠家主動(dòng)做避雷器和預(yù)警裝置的一體化設(shè)計(jì)，從而出現(xiàn)“智能避雷器”。

參考文獻(xiàn)：

[1]林維勇.從保護(hù)范圍及耐雷擊能量評(píng)價(jià)半導(dǎo)體消雷裝置[J].電網(wǎng)技術(shù)，1997.

[2]建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范，GB50057-94.

[3]李衛(wèi)東.對(duì)氧化鋅避雷器報(bào)警電流參考標(biāo)準(zhǔn)值的建議[J].高壓電器，2003.

[4]黃宗杰.氧化鋅避雷器測(cè)試儀的設(shè)計(jì)[J].蘇州大學(xué)，2010.endprint