智能化低壓電涌防護和管理系統(tǒng)的研究和應(yīng)用

朱 飛， 婁 魁

（1.杭州市電力設(shè)計院有限公司，杭州 310004；2.杭州天湖智能科技有限公司，杭州 310004）

0 引言

隨著智能變電站建設(shè)的深入推進，變電站設(shè)備對電涌的敏感程度也隨著各種先進電子設(shè)備的大面積應(yīng)用而直線提升，導(dǎo)致電涌（雷電）成為電子設(shè)備損壞（性能減退、使用壽命結(jié)束等）的主要原因[1-2]。安裝匹配的電涌保護器可阻止電涌（雷電流）從各類電纜引入、實現(xiàn)分段泄流，是變電站系統(tǒng)防電涌（雷電）的最主要措施[3-5]。這些電涌保護器在線長期運行時，在電涌（雷電）過電壓（流）脈沖波侵擾和自然老化的雙重作用下，其性能會逐漸下降，一旦劣化失效，會造成嚴重后果。因此，電涌保護器性能現(xiàn)場在線狀態(tài)的測試和故障診斷以及電涌（雷電）過電壓（流）防護能力的監(jiān)測、管理和評估工作同樣重要。

以往變電站設(shè)置的傳統(tǒng)低壓電涌（雷電）防護系統(tǒng)實質(zhì)上存在極大的安全生產(chǎn)隱患。本文著重論述通過先進防護設(shè)備和進步技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)合已有的無人值守管理平臺，旨在解決傳統(tǒng)低壓電涌（雷電）防護與管理存在的安全隱患，完善高、中、低壓電涌（雷電）防護與管理的在線監(jiān)測系統(tǒng)（目前無低壓電涌、雷電防護和管理的在線監(jiān)測系統(tǒng)），進行集中性在線監(jiān)測與預(yù)警管理，開啟預(yù)維護模式，減少或預(yù)防雷擊事故的發(fā)生，降低維護和管理成本，提高投資收益，增強整體安全性和安全管理水平。

1 傳統(tǒng)雷電防護系統(tǒng)的局限性

傳統(tǒng)雷電防護系統(tǒng)是一種離線式單方向概念的電涌保護系統(tǒng)，它必須通過人工或者簡單的檢測系統(tǒng)來判斷各在線電涌保護設(shè)備是否失效[6-8]，屬于滯后式維護；界定電涌保護設(shè)備運行情況的離線式系統(tǒng)，其技術(shù)上的局限性導(dǎo)致在當前雷擊環(huán)境日趨惡劣的形勢下存在著極大的安全隱患。

1.1 技術(shù)手段局限性

1.1.1 系統(tǒng)技術(shù)結(jié)構(gòu)的不完善性

從系統(tǒng)實質(zhì)性的角度分析，傳統(tǒng)雷電防護系統(tǒng)屬于離線式運行，系統(tǒng)未對在線運行電涌保護設(shè)備的運行數(shù)據(jù)進行有效整合，從而導(dǎo)致未能準確掌握電涌保護設(shè)備是否遭受過電涌沖擊、遭受過一次乃至多次電涌沖擊的電涌保護設(shè)備是否還能承受下一次大電涌等信息，因此，傳統(tǒng)雷電防護系統(tǒng)無法實現(xiàn)系統(tǒng)運行狀態(tài)預(yù)先判斷。

1.1.2 日常維護和檢測等技術(shù)管理手段的局限性

從電涌保護系統(tǒng)的管理需求出發(fā)，系統(tǒng)的使用單位必需在雷擊發(fā)生前或者雷擊發(fā)生后，對電涌保護設(shè)施的可靠性進行巡檢或測試。

（1）業(yè)主維護人員巡檢。通常各單位根據(jù)國標規(guī)定的維護要求，在多年現(xiàn)場管理經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，制訂了電涌保護設(shè)施的管理制度和措施，體現(xiàn)為：日常維護+周期維護+定期檢測+不定期檢測等單一或多種方式的結(jié)合。維護人員僅憑肉眼和經(jīng)驗巡檢在線電涌保護設(shè)備的工作狀態(tài)，通過觀察電涌保護器的指示窗口是否異常來判斷其性能好壞，該方式過于依賴巡檢人員的經(jīng)驗水平和責任心，人為的疏忽等因素將造成巡檢的形式化。有一種情況對于現(xiàn)場設(shè)備來說是非常致命的：在雷擊發(fā)生前，電涌保護器已處于臨界損壞狀態(tài)，但是人工檢測手段卻未能及時有效發(fā)現(xiàn)，其直接后果將導(dǎo)致被保護設(shè)備被雷擊損壞。

（2）專業(yè)檢測單位技術(shù)手段的局限性。專業(yè)檢測單位年檢根據(jù)國標要求對檢測報告范圍內(nèi)的檢測內(nèi)容進行復(fù)檢，往往偏重于直擊雷防護設(shè)施，而對于電涌保護設(shè)備只能檢測當前設(shè)備有無損壞，其檢測技術(shù)手段無法確定電涌保護設(shè)備的生命周期。

（3）現(xiàn)有監(jiān)控技術(shù)手段的單一性。當在線電涌保護設(shè)施已經(jīng)損壞失效時，可通過其遙信接口信號告知維護管理人員。但是雷擊的連續(xù)性是雷電活動的基本規(guī)律，前次雷擊中損壞的電涌保護器已通過遙信告知方式上傳，但維護措施的落實卻需要時間，且后續(xù)雷擊已經(jīng)來臨，被保護設(shè)備被雷擊損壞的情況普遍存在。

1.2 物理特性的不安全性

（1）構(gòu)成電涌保護系統(tǒng)的重要組成部分，電涌保護器核心元器件之一是壓敏電阻，其本身的物理特性（在線工作時存在漏電流），就決定了在線工作的電涌保護器存在漏電流，有電流通過就導(dǎo)致電涌保護器存在溫度變化隨著時間的推移，漏電流和溫度的周期性變化將導(dǎo)致漏電流呈非線性上升，亦即在線運行的電涌保護器是存在生命周期特性的。泄電流沖擊后溫度變化導(dǎo)致漏電流呈非線性上升，生命周期特性。

（2）制造中的各種原因造成質(zhì)量、工藝缺陷等所帶來的泄流后電涌保護器本地溫度變化曲線函數(shù)的糾正系數(shù)變化。

（3）電涌保護器因自身特性、制造缺陷等導(dǎo)致發(fā)生異常時，無法第一時間得到響應(yīng)。

（4）電涌保護器在進行防護時，需要級間能量配合，如果是級間線纜長度或者電涌的頻率問題，極易引起后一級電涌保護器炸裂或燒毀，從而引起火災(zāi)事故。

因此，傳統(tǒng)電涌保護系統(tǒng)從根本上無法解決或減少雷擊安全隱患的問題，更無法實現(xiàn)對電涌保護系統(tǒng)進行實時的信息化和無人化管理，已經(jīng)無法滿足新時期的電涌防護需要。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和原理

智能化低壓電涌（雷電）防護和管理系統(tǒng)是基于傳統(tǒng)防雷技術(shù)、電子級間能量配合技術(shù)、信息采集處理技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等的科技綜合體[9-12]。它不僅擁有傳統(tǒng)電涌保護系統(tǒng)所必須具備的雷電和電涌防護功能，還擁有對其本身設(shè)備的自檢測、數(shù)據(jù)上傳、數(shù)據(jù)處理和終端控制等綜合性數(shù)字化管理功能。

2.1 系統(tǒng)功能

智能化低壓電涌（雷電）防護和管理系統(tǒng)能夠?qū)⒎览自骷詭У男阅芗夹g(shù)參數(shù)指標進行量化，綜合應(yīng)用信息采集處理技術(shù)對量化的數(shù)據(jù)進行匯集處理，應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)傳輸?shù)较到y(tǒng)平臺中進行數(shù)據(jù)分析，智能評估電涌保護設(shè)備使用情況，預(yù)測電涌保護設(shè)備使用壽命，并可根據(jù)需要通過互聯(lián)網(wǎng)進行集中管理[13-15]。

系統(tǒng)可通過電涌保護器的生命周期預(yù)警，接地電阻值預(yù)警等數(shù)據(jù)，通過維護平臺進行集中管理，從而實現(xiàn)在線電涌保護設(shè)備實時管理，達到減少或預(yù)防因雷擊或電涌造成的設(shè)備故障，從而提高生產(chǎn)效益。

系統(tǒng)可根據(jù)大量的雷電環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)提供針對性的投資和維護建議，提高投資收益能力。

2.2 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

智能化低壓電涌（雷電）防護和管理系統(tǒng)主要由硬件部分和軟件部分組成，系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能化低壓電涌（雷電）防護和管理系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

（1）硬件部門主要是指防雷設(shè)施和對設(shè)施的在線監(jiān)測功能模塊、聯(lián)網(wǎng)等。

（2）軟件部分為智能化運行平臺。在控制中心建設(shè)運行平臺，統(tǒng)一對現(xiàn)場防雷系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理和綜合管理。根據(jù)管理和運維需求設(shè)定設(shè)備劣化程度顯示及劣化界限，自動收集現(xiàn)場運維記錄，查看實時運行狀態(tài)，階段性評估分析等。

2.3 電涌保護器生命預(yù)測時間計算方法

智能化低壓電涌（雷電）防護和管理系統(tǒng)的核心內(nèi)容是對生命周期（即壽命時間）進行監(jiān)測。本案中，壽命時間（t）計算方法采用熱衰變和漏電流綜合測試法。

通過大量的實驗室數(shù)據(jù)生成一個固定品牌芯片的劣化參考值δ。由于電涌保護器在線運行過程中會發(fā)熱，產(chǎn)生熱衰變，隨著熱衰變程度的提升，電涌保護器的溫度會明顯變化，從而可通過監(jiān)測設(shè)備得到實測溫度T1和電涌保護器的本地環(huán)境溫度 T2，得出劣化值=（T1-T2）/δ的基本關(guān)系式，劣化值與實測溫度、雷擊次數(shù)n和雷擊強度θ直接相關(guān)。

漏電流的存在是由壓敏電阻的物理特性決定的，電涌保護器在線運行過程中，其漏電流會隨著在線時間的推移、雷擊次數(shù)和雷擊強度的不同而產(chǎn)生很大的變化，根據(jù)防雷專業(yè)公司多年收集的項目實測數(shù)據(jù)和實驗室數(shù)據(jù)庫的積累，已建立以下數(shù)據(jù)模型：

綜合熱衰變參考劣化值和漏電流數(shù)據(jù)模型取得的參數(shù)，得到壽命時間的計算方法：

式中：I=Z（n，θ）； 擬合函數(shù)f（δ，I）和 Z（n， θ）為實驗室數(shù)據(jù)及現(xiàn)場數(shù)據(jù)的糾正函數(shù)。

2.4 遙信監(jiān)測升級

智能化低壓電涌（雷電）防護和管理系統(tǒng)實時監(jiān)測電涌保護器的正常或故障情況，當電涌保護器已損壞，可通過控制中心啟動應(yīng)急措施來確保被保護設(shè)備的安全；當電涌保護器的壽命達到一定程度（可以人為設(shè)置閾值或者預(yù)警值）時，可提前通過系統(tǒng)警示進行檢修，做到預(yù)維護或者預(yù)檢。

2.5 兩種防護模式的差異性

傳統(tǒng)雷電防護系統(tǒng)和智能化低壓電涌（雷電）防護和管理系統(tǒng)差異情況如表1所示。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

110 kV鴻豐變電站的智能化低壓電涌（雷電）防護和管理系統(tǒng)從系統(tǒng)設(shè)計、市場調(diào)研、技術(shù)開發(fā)、數(shù)模研究和項目實施等環(huán)節(jié)中，已充分驗證了建設(shè)成果的重要性和實用性。

（1）分別在接地變的低壓側(cè)、站用電源交流屏的進線端均并聯(lián)安裝型號TH-FD/T1+T2（SY）智能電子級間能量配合電涌（雷電）保護器以及型號SY-1A-R01全功能型智能數(shù)據(jù)采集模塊，其上傳數(shù)據(jù)涵蓋：運行環(huán)境參數(shù)、雷擊環(huán)境參數(shù)、全生命周期參數(shù)和劣化報警信號等。

（2）分別在站用電源系統(tǒng)逆變器的交流側(cè)、各GIS控制柜環(huán)形交流電源系統(tǒng)的進線端、各站用照明、動力和風機控制配電箱的進線端，均并聯(lián)安裝型號TH-FD/T2/3+N（SY）智能C級電涌保護器及型號SY-1A-R03基本功能型智能數(shù)據(jù)采集模塊，其上傳數(shù)據(jù)涵蓋了雷擊環(huán)境參數(shù)、全生命周期參數(shù)和劣化報警信號等。

（3）在站用通信電源母排上安裝型號THDZ48（SY）、智能直流48 V電涌保護器及型號SY-1A-R03基本功能型智能數(shù)據(jù)采集模塊。

（4）在各GIS控制柜直流電源的進線端、站用電源逆變器的直流側(cè)均安裝型號THD-Z220（SY）、智能直流220 V電涌保護器以及型號SY-1A-R03基本功能型智能數(shù)據(jù)采集模塊。

（5）在站用電源系統(tǒng)內(nèi)安裝型號THJD-ZNCS-01接地電阻值監(jiān)測儀。

（6）在各站用檢修箱內(nèi)安裝型號TH-FD/T2/3+N傳統(tǒng)C級電源電涌保護器。

（7）在站用電源系統(tǒng)內(nèi)安裝型號C2000 N3400-M串口數(shù)據(jù)服務(wù)器（內(nèi)置RS485信號自動轉(zhuǎn)換TCP信號的協(xié)議），各智能數(shù)據(jù)采集模塊的RS485信號通過星型的總線結(jié)構(gòu)上傳至串口數(shù)據(jù)服務(wù)器，輸出TCP信號至服務(wù)器主機。其中組網(wǎng)和布線的技術(shù)步驟為：①各數(shù)據(jù)采集模塊按安裝次序設(shè)定地址，平臺軟件通過訪問該地址設(shè)備獲取相關(guān)采集數(shù)據(jù)；②按施工圖的要求，將每一線上數(shù)據(jù)采集模塊的RS485輸出串聯(lián)成總線結(jié)構(gòu)；③485總線電纜采用帶屏蔽層的多股軟線，均經(jīng)由站內(nèi)電纜橋架的弱電通道敷設(shè)。

（8）在控制室安裝服務(wù)器和顯示器等，并將平臺運行軟件安裝于服務(wù)器內(nèi)，通過人機交換平臺操作系統(tǒng)的運行，如表2所示。

表2系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)果中已充分實現(xiàn)項目設(shè)計的初衷。在低壓電涌防護技術(shù)方面，應(yīng)用了領(lǐng)先的級間能量配合技術(shù)，提高了針對變電站低壓電涌的整體防護水平；在智能技術(shù)應(yīng)用方面，實施低壓電涌保護設(shè)備的智能化管理，從實質(zhì)上彌補了目前變電站智能監(jiān)測領(lǐng)域的技術(shù)空白，告別人工巡檢的時代，從而跨入高、中、低壓電涌（雷電）防護設(shè)備整體監(jiān)測的新時代，為提升變電站的綜合安全管理能力打下了堅實的基礎(chǔ)；在系統(tǒng)的應(yīng)用效果方面，實時高效是它的主題，簡單明確是它的目的，是保障變電站設(shè)備可靠運行的一種行之有效手段。

4 系統(tǒng)建設(shè)中存在的問題及解決辦法

（1）電涌保護效果問題。受保護設(shè)備的內(nèi)部元件布置影響，導(dǎo)致防雷引入線過長或接地線過長（按國標要求：引入線+接地線的長度應(yīng)≤0.5 m），造成電涌保護的效果還存在一定的偏差。解決辦法：主設(shè)備廠家安裝電涌保護器應(yīng)先考慮電涌保護效果，后講究工藝美觀。無法實現(xiàn)安裝線長時，可根據(jù)國標的等電位連接措施實現(xiàn)（分等電位排）。

表1 兩種雷電防護系統(tǒng)差異性對比分析

表2 平臺界面顯示的數(shù)據(jù)類型

（2）系統(tǒng)平臺的兼容性問題。該系統(tǒng)軟件采用Windows系統(tǒng)進行編寫，安裝中未能與國家電網(wǎng)公司的Linux系統(tǒng)兼容，從而影響了系統(tǒng)投入運行時間節(jié)點。解決辦法：系統(tǒng)版本應(yīng)綜合考慮國家電網(wǎng)公司的特性，推出多版本結(jié)合的模式。

5 系統(tǒng)推廣價值

（1）電子級間能量配合型電涌保護器的應(yīng)用，將雷電危害和電涌危害進行有機結(jié)合，按其理論推算，可有效延長智能電源一體化設(shè)備的使用壽命達30年，就單個變電站而言，每年可節(jié)省因雷電或電涌造成的維修費用約5萬元。

（2）系統(tǒng)的監(jiān)測管理手段應(yīng)用，可將低壓電涌保護系統(tǒng)進行集中式管理，無需人員巡檢，按電力維護規(guī)程，單人+車輛+每日所需產(chǎn)生的費用達1 000元左右，還不包含因巡檢人員的因素造成的設(shè)備延誤維修損失。因此，集中式管理系統(tǒng)每年可節(jié)省運行維護費用約10萬元。

（3）低壓電涌監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用，可杜絕維護人員的工作失誤所造成的雷擊（或電涌）損壞設(shè)備事故，按維護人員的專業(yè)培訓(xùn)費用計算，可節(jié)省人員的培訓(xùn)費用約5萬元；并可節(jié)省每年的專業(yè)檢測費用約2萬元。

因此，智能化低壓電涌（雷電）防護和管理系統(tǒng)信息化管理平臺的建設(shè)從技術(shù)上完善了智能變電站的內(nèi)涵，從根本上提高了智能變電站中的安全管理水平，實現(xiàn)了電涌防護系統(tǒng)的管理可控化。

6 結(jié)語

智能化低壓電涌（雷電）防護和管理系統(tǒng)的應(yīng)用，有效解決了雷電防護和電涌防護的雙重防護因素，同時實現(xiàn)了低壓電涌保護器的實時監(jiān)測，使低壓電涌防護系統(tǒng)的管理可控化。當然，如何將該系統(tǒng)融合至變電站現(xiàn)有的防雷在線監(jiān)測中是后續(xù)深入開展的要就課題。所以，隨著該系統(tǒng)在智能變電站建設(shè)中的普及，其功能將快速優(yōu)化，從而最大限度保障智能化變電站的安全可靠運行。