不同場(chǎng)所金屬氧化物避雷器的智能監(jiān)測(cè)方法

毛慧明，張?zhí)爝\(yùn)

（1.西安西潤(rùn)電器技術(shù)有限責(zé)任公司，西安 710075；2.廈門(mén)ABB高壓開(kāi)關(guān)有限公司，廈門(mén) 361009）

0 引言

避雷器的智能監(jiān)測(cè)是針對(duì)于普通避雷器的監(jiān)測(cè)提出的。早期避雷器一般是只監(jiān)測(cè)放電次數(shù)，但隨著無(wú)間隙金屬氧化物避雷器的廣泛應(yīng)用，避雷器在持續(xù)運(yùn)行電壓下都有一定的泄漏電流。避雷器在受潮、老化等情況下出現(xiàn)故障時(shí)，泄漏電流都會(huì)增加。所以監(jiān)測(cè)避雷器泄漏電流的變化情況，能確認(rèn)避雷器是否正常工作。避雷器的泄漏電流由容性電流和阻性電流組成，避雷器老化時(shí)，阻性電流不斷增大，功耗增加，是避雷器運(yùn)行溫度升高，從而老化速度加快[1-3]。而普通避雷器監(jiān)測(cè)器只能監(jiān)測(cè)全泄漏電流，監(jiān)測(cè)避雷器老化的性能較差。而且要運(yùn)行人員巡檢才能觀(guān)測(cè)避雷器的泄漏電流。避雷器智能監(jiān)測(cè)就是通過(guò)通訊方式將避雷器的全泄漏電流、阻性電流、放電次數(shù)和放電時(shí)間遠(yuǎn)傳到主控室計(jì)算機(jī)，實(shí)時(shí)記錄避雷器的泄漏電流和放電次數(shù)。當(dāng)避雷器泄漏電流超過(guò)設(shè)定值以后可以報(bào)警，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)有故障的避雷器[4-7]。

1 變電站避雷器智能監(jiān)測(cè)方法

目前隨著智能變電站的發(fā)展，變電站避雷器采用智能監(jiān)測(cè)的已經(jīng)較多。主要的監(jiān)測(cè)方法有以下幾種。

1.1 避雷器智能在線(xiàn)監(jiān)測(cè)器

避雷器智能在線(xiàn)監(jiān)測(cè)器[3]是在原普通監(jiān)測(cè)器基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。它是將取樣單元，單片機(jī)系統(tǒng)，光電隔離RS485通訊系統(tǒng)，供電系統(tǒng)等安裝在原普通監(jiān)測(cè)器內(nèi)部，485通訊線(xiàn)及供電電源通過(guò)航空插座引出。智能監(jiān)測(cè)器具有普通監(jiān)測(cè)器的功能，又能通過(guò)RS485通訊系統(tǒng)將避雷器的全電流，阻性電流，放電次數(shù)和放電時(shí)間遠(yuǎn)傳到計(jì)算機(jī)或IED。再通過(guò)IED將避雷器運(yùn)行數(shù)據(jù)通過(guò)61850規(guī)約傳送到后臺(tái)計(jì)算機(jī)中。優(yōu)點(diǎn)安裝方便，又具有普通檢測(cè)器的功能。

智能在線(xiàn)監(jiān)測(cè)器阻性電流測(cè)量一般采用諧波法。無(wú)需從PT取系統(tǒng)電壓信號(hào)，安全性高。

1.2 通過(guò)零磁通電流互感CT器取樣方式在線(xiàn)監(jiān)測(cè)器

通過(guò)CT取樣，單片機(jī)系統(tǒng)和避雷器沒(méi)有直接接觸，兩個(gè)系統(tǒng)不共地，避雷器放電時(shí)的地電位升高對(duì)測(cè)量系統(tǒng)影響較小。

阻性電流的測(cè)量一般采用相位法。也就是將避雷器泄漏電流中對(duì)應(yīng)于從PT獲得的同相系統(tǒng)電壓信號(hào)峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的值，記為阻性電流。

CT取樣的避雷器智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)雖然系統(tǒng)沒(méi)有直接和避雷器接地線(xiàn)相連接。但是當(dāng)避雷器放電時(shí)，通過(guò)電磁感應(yīng)，雷電流在取樣CT和電子線(xiàn)路中也會(huì)產(chǎn)生極高的過(guò)電壓，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)會(huì)造成傷害。而大部分CT是采用不會(huì)受雷擊的測(cè)量套管末屏電流用CT，又未進(jìn)行高電壓大電流沖擊試驗(yàn)。也存在隱患[8-10]。

1.3 無(wú)源無(wú)線(xiàn)智能避雷器在線(xiàn)監(jiān)測(cè)器

無(wú)源無(wú)線(xiàn)智能避雷器在線(xiàn)監(jiān)測(cè)器是在智能避雷器在線(xiàn)監(jiān)測(cè)器的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。它采用避雷器的泄漏電流對(duì)高性能法拉電容器充電獲得電能，給單片機(jī)測(cè)量系統(tǒng)提供電源。避雷器的泄漏電流，阻性電流，放電次數(shù)和放電時(shí)間通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊方式直接發(fā)送到后臺(tái)計(jì)算機(jī)中。優(yōu)點(diǎn)是安裝方法和普通檢測(cè)器相同，無(wú)需布線(xiàn)，無(wú)需外接電源。施工很方便。對(duì)應(yīng)老舊變電站的智能化改造很方便[11-13]。對(duì)應(yīng)某些特殊場(chǎng)所沒(méi)有接地端的避雷器，如直流系統(tǒng)中的某些避雷器。

此種的避雷器智能監(jiān)測(cè)方法也可以做成電阻片樣，安裝在避雷器內(nèi)腔內(nèi)將避雷器泄漏電流，阻性電流放電次數(shù)，避雷器內(nèi)部溫度和濕度發(fā)送到計(jì)算機(jī)中。

1.4 幾種避雷器智能監(jiān)測(cè)器中阻性電流監(jiān)測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)

目前，國(guó)網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)避雷器阻性電流的測(cè)試精度很重視，但阻性電流測(cè)試方面還沒(méi)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，由于阻性電流的非線(xiàn)性很強(qiáng)，持續(xù)運(yùn)行電壓下占全電流的比例又很小。所以不同的測(cè)試方法的測(cè)試精度都不高。但是阻性電流的變化趨勢(shì)和峰值的大小都能監(jiān)測(cè)到避雷器是否運(yùn)行正常[14-15]。

智能監(jiān)測(cè)器一般采用諧波法測(cè)量阻性電流。由于避雷器泄漏電流中容性電流基本不含諧波分量。全電流中的諧波分量大小就表示了阻性電流的大小。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，通過(guò)不同范圍內(nèi)諧波分量值乘以不同的系數(shù)就能得實(shí)際阻性電流值。諧波法測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是不需要參考電壓，使用方便，布線(xiàn)簡(jiǎn)單，對(duì)系統(tǒng)電壓互感器沒(méi)有影響，相對(duì)安全性高。測(cè)量阻性電流不受相間干擾的影響，但精確度受系統(tǒng)電壓中諧波分量大小的影響。

相間干擾就是中間相（B相）電壓通過(guò)空間雜散電容產(chǎn)生的電流改變了A和C相泄漏電流的相位。使A相阻性電流變大，C相阻性電流變小。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，系統(tǒng)電壓越高，影響越大。根據(jù)實(shí)際測(cè)量，對(duì)于超高壓系統(tǒng)的避雷器，C相測(cè)到的避雷器功率損耗都是負(fù)值。可以看到根據(jù)參考電壓方法測(cè)量阻性電流已經(jīng)不能使用了。這種外取參考電壓的方法，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量阻性電流或?qū)?10 kV及以下系統(tǒng)避雷器阻性電流的測(cè)試精度較高。一般CT取樣測(cè)量阻性電流采用相位法。也就是比較避雷器泄漏電流和電壓的相位差測(cè)量阻性電流。

1.5 避雷器智能監(jiān)測(cè)中全電流與阻性電流最大值的監(jiān)測(cè)問(wèn)題

根據(jù)文獻(xiàn)[2]規(guī)定，普通避雷器在線(xiàn)監(jiān)測(cè)器的泄漏電流最大監(jiān)測(cè)只是6 mA。智能監(jiān)測(cè)裝置全電流的最大監(jiān)測(cè)只是30 mA，而阻性電流最大監(jiān)測(cè)只是10 mA。但是常常有招標(biāo)文件要求，智能監(jiān)測(cè)裝置泄漏電流最大監(jiān)測(cè)范圍達(dá)100～650 mA。這很明顯已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了避雷器最大持續(xù)電流一般不超過(guò)數(shù)毫安的實(shí)際值。如220 kV避雷器，若阻性電流達(dá)到100 mA，其避雷器的功耗已達(dá)10 kW以上。這明顯已經(jīng)超出了避雷器安全運(yùn)行的功耗范圍。

2 線(xiàn)路避雷器的智能監(jiān)測(cè)

線(xiàn)路避雷器由于安裝在桿塔上，監(jiān)測(cè)很困難，也很難進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)和帶電監(jiān)測(cè)，所以更適合于智能監(jiān)測(cè)。

對(duì)于35 kV及以下系統(tǒng)大量使用的防斷線(xiàn)絕緣子，實(shí)際與線(xiàn)路避雷器是一樣的。由于避雷器擊穿后流過(guò)故障避雷器的只是健全相對(duì)地容性電流。避雷器并不會(huì)爆炸，從外觀(guān)也很難觀(guān)測(cè)到避雷器已發(fā)生故障。我們使用防斷線(xiàn)絕緣子故障指示器已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多發(fā)生故障的防斷線(xiàn)絕緣子。說(shuō)明線(xiàn)路避雷器的故障率還是比較高的。另外避雷器標(biāo)準(zhǔn)有避雷器整體殘壓可以通過(guò)單片殘壓相加得到的規(guī)定。使大量沒(méi)有經(jīng)過(guò)整體避雷器沖擊電流耐受試驗(yàn)的劣質(zhì)產(chǎn)品流入市場(chǎng)。從目前我們進(jìn)行的避雷器整體殘壓的試驗(yàn)結(jié)果看，35 kV及以下系統(tǒng)用金屬氧化物避雷器能通過(guò)額定沖擊電流試驗(yàn)的并不多。實(shí)際運(yùn)行中避雷器的故障率明顯低于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，這應(yīng)該是運(yùn)行中的避雷器受到額定電流沖擊的概率并不大。

2.1 傳統(tǒng)型的線(xiàn)路避雷器監(jiān)測(cè)方法

過(guò)去多用GSM網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)短信或數(shù)據(jù)傳送將避雷器的運(yùn)行參數(shù)發(fā)送到后臺(tái)，大部分線(xiàn)路避雷器都帶有間隙，所以一般都只發(fā)送避雷器的放電次數(shù)及放電時(shí)間信號(hào)。監(jiān)測(cè)裝置一般采用太陽(yáng)能充電方式供電。用于采用GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信號(hào)，系統(tǒng)耗能很大，監(jiān)測(cè)裝置的供電系統(tǒng)很關(guān)鍵。為了節(jié)約能量，一般在信號(hào)發(fā)送結(jié)束后關(guān)閉系統(tǒng)或使系統(tǒng)進(jìn)入休眠節(jié)能工作方式。為了確認(rèn)系統(tǒng)工作正常，常常每日自動(dòng)向后臺(tái)計(jì)算機(jī)發(fā)送一次驗(yàn)證信號(hào)。

采用GSM網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行成本相對(duì)較高，必須按月繳納手機(jī)卡月租費(fèi)和通訊費(fèi)，否則系統(tǒng)將會(huì)欠費(fèi)停機(jī)，系統(tǒng)就不能正常工作。

2.2 新型線(xiàn)路避雷器智能監(jiān)測(cè)與故障定位系統(tǒng)

對(duì)于線(xiàn)路避雷器監(jiān)測(cè)放電次數(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，線(xiàn)路避雷器受雷擊后會(huì)發(fā)生內(nèi)部芯體損壞。對(duì)于配電網(wǎng)系統(tǒng)避雷器，由于工作電流小不發(fā)生爆炸。而對(duì)于髙電壓等級(jí)的線(xiàn)路避雷器，避雷器擊穿后重合閘系統(tǒng)恢復(fù)正常，尋找發(fā)生故障的避雷器都不容易。

采用新型物聯(lián)網(wǎng)線(xiàn)路避雷器故障定位系統(tǒng)，能快速找到發(fā)生故障的避雷器。故障定位系統(tǒng)是通過(guò)傳感器獲取避雷器的放電信號(hào)和避雷器故障信號(hào)，再傳送到單片機(jī)與衛(wèi)星定位系統(tǒng)。當(dāng)單片機(jī)收到信號(hào)后，就會(huì)立即將放電次數(shù)或故障信息發(fā)送到后臺(tái)計(jì)算機(jī)或智能手機(jī)。通過(guò)電子導(dǎo)航系統(tǒng)就能快速找到發(fā)生故障的線(xiàn)路避雷器或防斷線(xiàn)絕緣子。

新型線(xiàn)路避雷器智能監(jiān)測(cè)與故障定位系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)，運(yùn)行成本大幅度降低。

3 開(kāi)關(guān)柜避雷器的智能監(jiān)測(cè)

35 kV及以下系統(tǒng)，有大量的避雷器安裝在開(kāi)關(guān)柜內(nèi)。如采用普通計(jì)數(shù)器或監(jiān)測(cè)器安裝和觀(guān)測(cè)都比較麻煩，且成本比較高。采用新型電子式監(jiān)測(cè)器，顯示儀表可以安裝在易于觀(guān)測(cè)的開(kāi)關(guān)柜面板上，通過(guò)傳感器在避雷器下端獲取信號(hào)，再通過(guò)信號(hào)線(xiàn)送到儀表。這種監(jiān)測(cè)器記錄的數(shù)據(jù)較多，且易于附加RS485數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳系統(tǒng)。開(kāi)關(guān)柜避雷器發(fā)生爆炸后，對(duì)柜內(nèi)設(shè)備危害很大，對(duì)于有些場(chǎng)所大量使用組合式避雷器（過(guò)電壓保護(hù)器）事故率更高。所以智能也很重要。

3.1 開(kāi)關(guān)柜使用3只普通避雷器的智能監(jiān)測(cè)

開(kāi)關(guān)柜如采用普通的放電計(jì)數(shù)器或在線(xiàn)監(jiān)測(cè)器，一般只能安裝在開(kāi)關(guān)柜底部，而且需要在柜門(mén)上開(kāi)玻璃窗才能觀(guān)測(cè)。運(yùn)行人員讀表也比較麻煩。所以開(kāi)關(guān)柜避雷器一般采用組合式電子式智能監(jiān)測(cè)儀，一臺(tái)監(jiān)測(cè)儀同時(shí)顯示三相避雷器的泄漏電流、放電次數(shù)和放電時(shí)間。顯示儀表安裝在開(kāi)關(guān)柜面板上。避雷器泄漏電流和放電次數(shù)通過(guò)傳感器獲得后送入儀表顯示。當(dāng)避雷器泄漏電流超過(guò)設(shè)定值以后，監(jiān)測(cè)儀也會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，通知運(yùn)行人員避雷器發(fā)生了故障。監(jiān)測(cè)儀能記錄數(shù)千組避雷器的放電信號(hào)，某相或幾相避雷器在什么時(shí)間放電都可以一一查詢(xún)。這是普通計(jì)數(shù)器無(wú)法記錄的。監(jiān)測(cè)儀也可以采用485通訊方式，將避雷器的運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺(tái)計(jì)算機(jī)。當(dāng)避雷器泄漏電流增大到一定值以后，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，防止避雷器爆炸。

3.2 開(kāi)關(guān)柜使用組合式避雷器（過(guò)電壓保護(hù)器）的智能監(jiān)測(cè)

開(kāi)關(guān)柜使用組合式避雷器（俗稱(chēng)過(guò)電壓保護(hù)器）的較多，但組合式避雷器目前相對(duì)故障率很高。大多數(shù)過(guò)電壓保護(hù)器只配置了智能計(jì)數(shù)器，記錄4相避雷器的放電次數(shù)和時(shí)間。這對(duì)于過(guò)電壓保護(hù)器的安全運(yùn)行并無(wú)幫助。由于過(guò)電壓保護(hù)器A、B、C三相中性點(diǎn)在系統(tǒng)單相接地時(shí)處在高電位，所以用監(jiān)測(cè)三相泄漏電流的方法，發(fā)現(xiàn)有問(wèn)題的保護(hù)器并不現(xiàn)實(shí)。但是我們可以監(jiān)測(cè)接地相泄漏電流的方法。這實(shí)際是監(jiān)測(cè)過(guò)電壓保護(hù)器的中性點(diǎn)電流。當(dāng)過(guò)電壓保護(hù)器正常時(shí)，三相平衡，流過(guò)中性點(diǎn)的泄漏電流很小，而當(dāng)某相避雷器損壞時(shí)，三相就不平衡了，中性點(diǎn)泄漏電流會(huì)急速增加。當(dāng)中性點(diǎn)泄漏電流大于設(shè)定值以后，監(jiān)測(cè)儀會(huì)聲光報(bào)警。從而可以有效提前發(fā)現(xiàn)有隱患的過(guò)電壓保護(hù)器，防止其爆炸。當(dāng)然中性點(diǎn)電流和避雷器放電次數(shù)及放電時(shí)間也可以通過(guò)485通訊系統(tǒng)遠(yuǎn)傳到后臺(tái)計(jì)算機(jī)，使智能監(jiān)測(cè)很完善。

以上幾種避雷器的智能監(jiān)測(cè)方式只是作者的一些經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。當(dāng)然可能會(huì)有一些新穎的避雷器智能監(jiān)測(cè)方式，由于作者不熟悉，未能論述，在此深表歉意。