聲表面波測溫法在金屬氧化物避雷器在線監(jiān)測中的應(yīng)用

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(1.國家電網(wǎng)公司華中分部，武漢 430000； 2.南陽金冠電氣有限公司，河南 南陽 473000)

0 引言

中國網(wǎng)內(nèi)輸電線路廣泛采取的防雷措施主要包括降低接地電阻、加強絕緣、加裝塔頭避雷針及地線防雷側(cè)針、安裝金屬氧化物避雷器(MOA)等。MOA具有良好的非線性特性，當(dāng)感應(yīng)過電壓時呈現(xiàn)低阻抗將過電壓泄放入地，泄放后快速呈現(xiàn)高阻抗不影響系統(tǒng)的正常工作，因此安裝線路避雷器能明顯降低線路雷擊跳閘率，改善系統(tǒng)穩(wěn)定性，更好的保障電力線路安全運行[1-5]。

然而MOA長期運行在高電壓作用下，當(dāng)MOA的荷電率超出其所能承受的最大限度時，電阻片就會加速老化，最終喪失保護(hù)作用而被擊穿，引起接地短路故障造成停電事故，避雷器內(nèi)部受潮也是造成避雷器事故的一個重要因素，因此在電力系統(tǒng)中對避雷器的特性監(jiān)測尤為重要[6-10]。目前，國內(nèi)避雷器在線監(jiān)測儀大多數(shù)都是通過測量避雷器的泄漏全電流或者泄漏電流的阻性分量來監(jiān)測避雷器的運行狀況。這種監(jiān)測儀表的優(yōu)點是安裝簡單，讀數(shù)直觀，其不足是避雷器電氣參數(shù)具有很多干擾，提取阻性分量算法復(fù)雜，所需檢測設(shè)備復(fù)雜，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性不高[7-9]。

針對這些問題，項目組根據(jù)故障MOA產(chǎn)生有功功率損耗上升的最后結(jié)果將導(dǎo)致閥片溫度上升的原理[10-14]，采用無源無線聲表面波(SAW)傳感器進(jìn)行避雷器內(nèi)部溫度采集，通過監(jiān)測避雷器閥片溫度來判斷避雷器是否工作于健康狀態(tài)，為MOA在線監(jiān)測提供準(zhǔn)確指導(dǎo)。

1 聲表面波測溫法

1.1 電氣參數(shù)測量法

傳統(tǒng)的MOA在線監(jiān)測方法主要有全電流法、三次諧波阻性法和容性電流補償法等電氣參數(shù)測量法[13-14]。但這3種在線監(jiān)測方法均未考慮相間干擾的影響，難以準(zhǔn)確監(jiān)測出避雷器的阻性泄漏電流，無法判斷避雷器的真實運行狀態(tài)。在正常工作情況下，流過避雷器的全電流和泄漏阻性電流都非常小，全電流只有幾百微安到幾毫安，阻性電流更小，只占全電流的5%～20%，且阻性電流具有非線性，對溫度和濕度敏感，容易受環(huán)境因素影響。相間干擾對全電流和阻性電流的測量產(chǎn)生較大影響，由于現(xiàn)場場地會對避雷器布置方式產(chǎn)生很大的限制，每相的MOA都不可避免的受到其它兩相的影響，由于相間電容耦合所形成的干擾電流在被測相電壓矢量的投影作為“阻性分量”混入真實的阻性電流中，相間干擾電流的分量可能占真實阻性電流的較大比例，造成測量失真。

1.2 金屬氧化物避雷器工作特性

MOA在系統(tǒng)電壓作用下的溫度與其能量損失有關(guān)，但與系統(tǒng)電壓的諧波含量以及環(huán)境干擾等因素沒有直接關(guān)系，避雷器在正常工作時，能量損耗的吸收能力很好，即能量的損耗遠(yuǎn)小于能量吸收，避雷器閥片溫度變化波動范圍很小，即便出現(xiàn)短時間的過電壓現(xiàn)象，閥片溫度會有一定量的升高，但可以慢慢回落至正常范圍。但如果避雷器存在受潮或老化故障，能量損失會大幅度增長，進(jìn)而使閥片溫度持續(xù)不斷的升高并出現(xiàn)不可逆的趨勢，因此閥片溫度能反應(yīng)避雷器損壞的累積效應(yīng)和病狀發(fā)展趨勢，從而可以進(jìn)行避雷器在線故障診斷。

1.3 聲表面波測溫法原理

在線監(jiān)測MOA的電氣參數(shù)具有很多干擾，提取阻性分量算法復(fù)雜，所需檢測設(shè)備復(fù)雜。早在1999年德國研究學(xué)者就提出了基于無線鈍化表面聲波溫度傳感器的在線監(jiān)測方法，其靈敏度高可適用于任何復(fù)雜電磁環(huán)境下而不受干擾。然而，該技術(shù)在國內(nèi)外一直沒有科研人員對聲表面測溫法應(yīng)用于MOA在線監(jiān)測做深入研究。

聲表面波(SAW)測溫的工作原理見圖1[15-16]。由無線讀取單元發(fā)射一定頻率的電磁波信號經(jīng)天線傳送至SAW器件的叉指換能器，叉指換能器通過逆壓電效應(yīng)將接收的電信號轉(zhuǎn)換成沿基片表面?zhèn)鞑サ臋C械振動波。該波遇到反射柵后有部分被反射回叉指換能器，再經(jīng)叉指換能器轉(zhuǎn)換成回波電信號，最后通過天線傳回讀取單元。如果SAW器件表面溫度發(fā)生變化即會引起聲波速度發(fā)生變化，從而引起無線單元接受的反射信號的諧振頻率發(fā)生相應(yīng)改變，這種改變隨溫度的改變在一定溫度范圍內(nèi)呈線性變化，見圖2，因此容易實現(xiàn)對被測物體溫度的測量。

圖1 聲表面波測溫原理結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of SAW temperature measurement

圖2 聲表面溫度傳感器“頻率—溫度”測試曲線Fig.2 Test curve of SAW temperature sensor "Frequency-Temperature"

基于聲表面波技術(shù)的測溫傳感器是一種被動式的感應(yīng)器件，無需額外供電，無線讀取數(shù)據(jù)，能直接把被測量溫度的變化轉(zhuǎn)換為頻率的變化，便于處理器處理；由于工作特性取決于壓電材料本身，因此使得這種傳感器具有優(yōu)良抗高壓及電磁輻射能力，可工作在-50℃～200℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行精確測量。由于聲表面波測溫傳感器重量輕、體積小、信號易于檢測、可工作于極端惡劣環(huán)境等優(yōu)點，近幾年已經(jīng)成功應(yīng)用于高壓開關(guān)柜、電纜接頭、變壓器接頭和高壓斷路器等電力設(shè)備測溫系統(tǒng)。

2 聲表面波測溫方案可行性驗證

2.1 聲表面波測溫傳感器選型

項目組根據(jù)需求，選擇江蘇聲立傳感技術(shù)有限公司生產(chǎn)的WTS-SG-1型無源無線溫度傳感器為測溫模塊，該傳感器屬陶瓷基底傳感器，由專業(yè)傳感器廠家制造，為了讀取聲表測溫傳感器的溫度數(shù)據(jù)，廠家配套的有信號調(diào)理電路，縮短項目開發(fā)時間。SAW測溫傳感器頭具有純無源、免維護(hù)、體積小，安裝靈活，可以方便的安裝在被測點上，準(zhǔn)確地跟蹤發(fā)熱點的溫度變化，并可以以無線方式將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送出來，實現(xiàn)對被測點溫度信息進(jìn)行實時采集，實現(xiàn)非接觸溫度測量[16-19]，因此將此傳感器應(yīng)用于避雷器測溫不僅不會影響避雷器的密封性，而且還能實時監(jiān)測避雷器腔體內(nèi)溫度，進(jìn)而實現(xiàn)避雷器的智能化。

2.2 測溫傳感器的安裝與指標(biāo)測試

金屬氧化物避雷器閥片與閥片之間可以通過閥片間的金屬墊塊來調(diào)整間隔，金屬墊塊導(dǎo)熱性良好，能夠更好的反應(yīng)此時避雷器的溫度，閥片間的金屬墊塊處安裝溫度測量點將不會影響避雷器的整體性能，本次實驗所用的避雷器經(jīng)過對金屬墊塊加工進(jìn)行開槽處理，把其做成一個恰好可以將溫度傳感器安裝進(jìn)去的安裝孔，在使用的時候?qū)囟葌鞲衅靼仓糜诒芾灼鞯慕饘賶|塊的安裝孔上，該安裝方案不僅使測量的溫度更加準(zhǔn)確，而且對避雷器本體的溫度表征也會更有價值。金屬墊塊的安裝孔見圖3。當(dāng)組裝避雷器的時候可以按照傳統(tǒng)的裝配方式進(jìn)行，當(dāng)測量溫度時候只需將溫度傳感器插進(jìn)槽孔即可。溫度傳感器的具體安裝位置如圖4所示。

圖3 金屬墊塊安裝孔Fig.3 Mounting hole of metal pad

圖4 傳感器安裝位置Fig.4 Location of sensor installation

選取南陽金冠電氣有限公司生產(chǎn)的復(fù)合外套金屬氧化物線路避雷器為實驗樣品，在避雷器腔體內(nèi)部等距安置6只聲表面波測溫傳感器，數(shù)據(jù)讀取器離避雷器最遠(yuǎn)端170 cm，為了便于保存分析測量數(shù)據(jù)，設(shè)計讀取器通過通訊接口和PC機相連。搭建的實驗系統(tǒng)見圖5。在實驗時，測溫系統(tǒng)依次掃描6只傳感器，按照避雷器測溫應(yīng)用情況，測試過程關(guān)注3個關(guān)鍵指標(biāo)：讀取器與溫度測點的距離、溫度測量速度(或單個測點測量需要時間)、溫度測量準(zhǔn)確度，測試數(shù)據(jù)見表1和表2。

圖5 天線距離避雷器最遠(yuǎn)端170 cm實驗Fig.5 Experiment of antenna distance from the arrester at the most distal 170 cm

表1 單節(jié)避雷器溫度測點采樣速度表(環(huán)境溫度25.3℃)Table 1 Sampling speed data of single arrester temperature measurement point a Ambient temperature 25.3℃) s

表2 單節(jié)避雷器溫度測量準(zhǔn)確度列表(環(huán)境溫度25.3℃)Table 2 Accuracy data of single arrester temperature measurement(ambient temperature 25.3℃) ℃

2.3 實驗結(jié)果分析

從測試數(shù)據(jù)可分析得到如下結(jié)論。

1)聲表面波溫度傳感器的讀取速度：6個測點S1、S2、S3、S4、S5、S6按照距離由遠(yuǎn)到近依次安裝，讀取時按照S1、S2、S3、S4、S5、S6的次序依次讀取，共輪詢測量10次，分別記錄每個測點一個有效測量數(shù)據(jù)測量時間，單位為秒。從表1可看出，聲表測溫系統(tǒng)單個測點溫度讀取時間介于1～6 s之間，其中大多數(shù)讀取時間為2 s內(nèi)，但首次第一輪讀取較長，達(dá)到11 s，而且每輪讀取第一個傳感器的讀取時間較長，達(dá)到6 s。

2)聲表面波溫度傳感器的讀取距離：從表1可看出，在有效讀取距離內(nèi)距離對讀取時間的影響不是很大。進(jìn)一步分析表2可以看出，在有效讀取距離內(nèi)距離對測量精度的影響不是很大。測試最大距離，按照雙節(jié)避雷器配置方式，最大距離可達(dá)4.2 m，且在4.2 m內(nèi)測試速度和精度沒有明顯影響，但4.2 m以上，數(shù)據(jù)就無法讀取。

3)聲表面波溫度傳感器的溫度準(zhǔn)確性：從表2可看出，聲表測溫系統(tǒng)單個測點溫度精度介于±1℃之間，其中大多數(shù)讀取時間為±0.5℃內(nèi)。

由于溫度是一個慢變化量，且在避雷器閥片測溫過程中，存在顯示的熱傳導(dǎo)過程，溫度不會巨變，在實際測溫過程，對于測溫速度個體差異情況，可采用數(shù)學(xué)擬合校正的方法彌補不足；關(guān)于距離，從單體避雷器測試情況看，可以滿足500 kv線路避雷器340 m間距的應(yīng)用需求；從實際測量來看，避雷器遭受雷擊后溫度變化可達(dá)40～100℃之間，溫度誤差±0.5℃屬可忍受范圍。綜合上述分析，該測溫方法基本滿足項目要求。

3 聲表面測溫法有效性驗證

3.1 聲表面測溫傳感器實驗平臺搭建

在前期試驗的基礎(chǔ)上，項目組重新搭建了如圖6所示的MOA在線測試系統(tǒng)，聲表面溫度傳感器把測量的溫度信號以無線的形式通過天線將信號傳輸至電路系統(tǒng)，電路系統(tǒng)中的預(yù)處理電路就會把溫度信號轉(zhuǎn)化為溫度值，電路系統(tǒng)中的中央處理單元對溫度值進(jìn)行處理，然后把經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)云端，云端數(shù)據(jù)由遠(yuǎn)程PC以客戶界面的形式對測量的溫度值進(jìn)行顯示。避雷器發(fā)熱主要集中在距其端部1/3位置處，也是溫度值最高的地方，考慮到工程運用的可靠性，項目組距避雷器兩端1/3位置處各裝配一個溫度傳感器進(jìn)行測量，一個作為主傳感器，一個備用傳感器。測試現(xiàn)場見圖7。

圖6 現(xiàn)場測量系統(tǒng)搭建方案Fig.6 Program of field measurement system

圖7 現(xiàn)場安裝測試環(huán)境Fig.7 Test environment of field

3.2 聲表面測溫模擬現(xiàn)場測試

分別測量一只因受潮而老化的避雷器和一只全新的避雷器在施加相同電壓時溫度隨時間變化情況來模擬避雷器在掛網(wǎng)運行時的情況。這項測試不僅能夠驗證項目組搭建的測溫實驗系統(tǒng)的科學(xué)性，而且還能夠真實反映已老化的避雷器和能正常工作的避雷器之間的數(shù)據(jù)差異，項目組設(shè)定當(dāng)避雷器溫度達(dá)到70℃時斷開電壓。表3和表4分別記錄了正常避雷器和故障避雷器在123 kV電壓下避雷器的溫度變化數(shù)據(jù)。其中溫度1和溫度2代表在123 kV電壓下正常避雷器傳感器1和2的溫度值，溫度3和溫度4代表在123 kV電壓下故障避雷器傳感器1和2的溫度值。由于測量時間節(jié)點較多，大量數(shù)據(jù)不便于在表格中一一列出，因此在表格中只是列出了部分?jǐn)?shù)據(jù)。

表3 123 kV電壓下正常避雷器實驗表格(環(huán)境溫度15.5℃)Table 3 Experimental data of 123 kV voltage under the normalstatus(ambient temperature 15.5℃)

表4 123 kV電壓下故障避雷器實驗表格(環(huán)境溫度15.5℃)Table 4 Experimental data of 123 kV voltage under the fault status(ambient temperature 15.5℃)

3.3 測試結(jié)果分析

分析以上表格數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：

1)通過表格數(shù)據(jù)我們可以看到避雷器溫度值會隨著通電時間的增加而逐漸升高，這是由于避雷器在高壓狀態(tài)下通過避雷器閥片的阻性電流做功，產(chǎn)生熱量，這部分熱量使避雷器腔體內(nèi)溫度升高。

2)避雷器在高壓狀態(tài)下發(fā)熱過程中，溫度和時間的關(guān)系并非是嚴(yán)格的正比關(guān)系，前期的發(fā)熱過程較為緩慢，當(dāng)溫度逐漸上升的時候，其發(fā)熱速度也會有所增加，這是因為當(dāng)溫度上升后閥片的阻值減小，阻性電流增加，因此閥片的發(fā)熱速度更快。

3)分別對比正常避雷器和故障避雷器的傳感器1(3)和傳感器2(4)的溫度可以看到，傳感器1(3)和2(4)的溫度基本相同，誤差在±0.5℃范圍內(nèi)，說明其中一個傳感器做主傳感器另一個做備用傳感器的方案是可行的。

4)在表格數(shù)據(jù)中可以看到，正常工作的避雷器升溫較為平緩，升溫至70℃所用時間較長，而故障避雷器的升溫較快，升溫至70℃所用時間明顯較短。這說明避雷器腔體內(nèi)的溫度變化能夠反映避雷器是否已經(jīng)損壞，這證明聲表面測溫法的有效性。

4 結(jié)語

通過監(jiān)測MOA 電氣參數(shù)判斷避雷器是否老化過程中容易受外界干擾，采用無源無線的聲表面測溫法能真實反映避雷器的健康狀況。在南陽金冠電氣有限公司的支持下，項目組通過大量實驗驗證了聲表面測溫法用于在線監(jiān)測金屬氧化物避雷器運行狀況的可行性和有效性，為其他電壓等級的避雷器在線監(jiān)測提供參考。