新型配電網(wǎng)智能防雷絕緣子的研制

單林森，黃建楊

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司紹興供電公司，浙江 紹興 312000；2.國網(wǎng)浙江諸暨市供電有限公司，浙江 諸暨 311800）

0 引言

配電網(wǎng)絕緣水平較低，無論是感應(yīng)雷還是直擊雷都會對配電網(wǎng)架空線路和設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重威脅，供電可靠性難以得到保證。對于配電網(wǎng)架空線路本身而言，雷擊后的故障基本上發(fā)生在絕緣子處，擊穿絕緣子后，雷電流通過桿塔入地，從而引發(fā)后續(xù)工頻電流接地或相間短路故障，進(jìn)一步造成斷線、瓷瓶破裂等影響供電的事故發(fā)生[1]。為此，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)多年來研制了很多配電網(wǎng)防雷產(chǎn)品[2]，絕大部分都是圍繞防止絕緣子發(fā)生閃絡(luò)展開研究，如各種結(jié)構(gòu)的帶串聯(lián)空氣間隙的金屬氧化鋅避雷器、絕緣子兩端并聯(lián)空氣間隙等，這些產(chǎn)品和設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行過程中發(fā)揮了較好的效果。但配電網(wǎng)由于點(diǎn)多面廣，施工、安裝、運(yùn)行維護(hù)等工作往往存在諸多問題，導(dǎo)致防雷效果大打折扣。在雷雨天氣時，許多其他原因如零值絕緣子、線路運(yùn)維不到位等引起的配電線路故障，由于缺乏有效的判別手段，經(jīng)常會將其歸結(jié)為雷擊引起，從而造成后續(xù)治理措施出現(xiàn)偏差，不能對癥下藥。雖然目前有雷電定位系統(tǒng)輔助，但由于其主要面向主網(wǎng)，且定位精度不高[3-4]，對配電網(wǎng)故障是否由雷擊引起的識別和診斷支撐作用有限。

目前國內(nèi)已有機(jī)構(gòu)和廠家研制出一種一體式防雷絕緣子，將絕緣子支撐件和金屬氧化鋅閥片串聯(lián)來代替絕緣子使用，固定了雷電放電通道，從而避免了大量的防雷失敗問題。但防雷絕緣子是否雷擊動作、其本身是否在雷擊后損壞等狀況仍然需要通過人工巡檢進(jìn)行排查。在監(jiān)測雷擊動作方面，國內(nèi)目前已實(shí)現(xiàn)的方式主要為電子式放電計(jì)數(shù)器，通過傳統(tǒng)通信模式傳輸雷擊動作信號，其功能僅僅實(shí)現(xiàn)了雷電動作次數(shù)的計(jì)數(shù)和動作信號遠(yuǎn)程傳輸，無法診斷雷擊后防雷裝置是否損壞，不具備故障識別功能。同時由于該類電子式放電計(jì)數(shù)器屬于分體式結(jié)構(gòu)，在復(fù)雜的配電線路上安裝局限性很大，實(shí)用性不強(qiáng)。

為解決雷擊容易造成配電網(wǎng)絕緣子故障問題，同時實(shí)現(xiàn)防雷絕緣子雷擊動作情況和其自身在雷擊后的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測，本文利用NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）通信技術(shù)高性價比、低功耗、廣覆蓋、遠(yuǎn)距離信號傳輸?shù)奶攸c(diǎn)[5]，對一體式防雷絕緣子進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)在線取電、雷電放電動作告警、雷電流和故障電流波形采樣、自我狀態(tài)診斷，并利用NB-IoT 模塊將各種狀態(tài)信息與云平臺進(jìn)行通信，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一款一、二次回路融合的智能防雷絕緣子，可直接代替配電線路的絕緣子使用，結(jié)構(gòu)可靠，安裝簡單。最后，通過模擬雷電流沖擊、模擬故障電流關(guān)鍵功能試驗(yàn)，對該裝置的可行性和實(shí)用性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 智能防雷絕緣子設(shè)計(jì)

1.1 總體架構(gòu)

（1）感知層：包括防雷絕緣子本體、羅氏線圈[6]、取電模塊、信號采集模塊、NB-IoT 通信模塊。根據(jù)防雷絕緣子特點(diǎn)，正常情況下無電流通過。雷擊電流放電時間為微秒級，若防雷絕緣子損壞，雷擊后會產(chǎn)生工頻續(xù)流，由此即可判斷防雷絕緣子氧化鋅模塊是否損壞。設(shè)備端內(nèi)置NBIoT通信模組，可將雷擊次數(shù)、雷擊時間與防雷絕緣子氧化鋅模塊狀態(tài)實(shí)時上傳到客戶端智能絕緣子管理平臺。

（2）網(wǎng)絡(luò)層：通過NB-IoT 通信模組與云平臺實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。云平臺提供相應(yīng)的SDK 與API接口及應(yīng)用層服務(wù)器通信。

（3）平臺層：實(shí)現(xiàn)所有硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和存儲，并提供開發(fā)接口。

（4）應(yīng)用層：由防雷絕緣子管理平臺及配套手機(jī)APP 構(gòu)成。實(shí)現(xiàn)設(shè)備無線組網(wǎng)、多級告警通知、多單位用戶支持、分級用戶管理、系統(tǒng)對接聯(lián)網(wǎng)等功能。可以隨時通過平臺連接的電腦端和移動端來實(shí)現(xiàn)移動遠(yuǎn)程監(jiān)控管理。

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.2 本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

NB-IoT 通信模塊功耗較小，預(yù)期電池壽命可達(dá)到10 年?？紤]到裝置的可靠性，取電方案定為在線取電加內(nèi)置電池方案。由于線路末端電流很小，如果在線路末段應(yīng)用在線取電，取電線圈會非常笨重，且線路電流過小時無法取電[7-9]，影響防雷絕緣子的穩(wěn)定性。同步設(shè)計(jì)太陽能取電，選取最大取電能力為160 mA 的長壽命太陽能板。裝置整體外形如圖2 所示，具體結(jié)構(gòu)組成如圖3 所示。

圖2 一體式防雷絕緣子整體外形

1.3 感知模塊設(shè)計(jì)

圖3 一體式防雷絕緣子結(jié)構(gòu)組成

本設(shè)計(jì)主要目的是實(shí)現(xiàn)雷電流采集和故障電流采集?；诹_氏線圈具有電流可實(shí)時測量、響應(yīng)速度快、不會飽和、幾乎沒有相位誤差等特點(diǎn)[6]，電流采集傳感器采用羅氏線圈。將羅氏線圈嵌入在防雷絕緣子本體中，內(nèi)部與二次回路相連接，自制羅氏線圈如圖4 所示。

圖4 羅氏線圈

羅氏線圈感應(yīng)信號輸出到硬件濾波電路，濾波電路采用二階巴特沃斯濾波器濾除高頻干擾信號[10]。羅氏線圈輸出信號是電流對時間的微分，通過對輸出電壓信號進(jìn)行積分，可以真實(shí)還原輸入電流。再通過運(yùn)行放大器將積分輸出的電壓信號調(diào)整到A/D 轉(zhuǎn)換采集的電壓范圍內(nèi)。

為降低設(shè)備運(yùn)行功耗，防雷絕緣子在無雷電且無故障的情況下，一直處于待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)有雷電流產(chǎn)生時，濾波積分后的電流信號先通過一個窗口比較器以中斷的形式喚醒設(shè)備。喚醒后對積分放大的信號進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換采集，采集頻率設(shè)為1 μs 一次，當(dāng)采集電壓連續(xù)小于最小閾值時，停止A/D 轉(zhuǎn)換，MCU 對采集的信號進(jìn)行處理，判斷氧化鋅閥片是否故障。如果有故障發(fā)生，記錄故障狀態(tài)及時間，并通過NB-IoT 模塊將故障狀態(tài)與故障時間發(fā)送到服務(wù)器后臺，服務(wù)器后臺將接收數(shù)據(jù)保存，并發(fā)送到客戶端展示。

1.4 算法框架設(shè)計(jì)

如果氧化鋅閥片損壞，雷電沖擊閃絡(luò)過后，接續(xù)的工頻短路電流會沿雷電放電通道起弧燃燒[11]，工頻續(xù)流起弧燃燒，弧根在電磁力作用下可以沿著導(dǎo)體表面朝負(fù)荷電流流動的方向移動，直至開關(guān)開斷。MCU（微控制單元）先將A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果用DMA（直接內(nèi)存存?。┓绞酱嫒霐?shù)組中，當(dāng)A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束后，MCU 將數(shù)組中數(shù)據(jù)進(jìn)行限幅消抖算法處理，防止偶然因素引起的電磁干擾對測量結(jié)果的影響。然后將處理過的數(shù)據(jù)與雷電標(biāo)準(zhǔn)電流波形比較，如判斷為非雷電，判斷電流持續(xù)時間是否大于故障電流閾值，對采集到的電流波形進(jìn)行頻率計(jì)算，判斷是否為工頻短路電流頻率，若以上條件滿足，則判定為氧化鋅閥片故障，并記錄故障發(fā)生時間。算法框架如圖5 所示。

圖5 算法框架

2 模擬雷電流沖擊試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)說明

本試驗(yàn)的目的是檢測防雷絕緣子在通過雷電流時，能否記錄下通過雷電流的波形及時間，驗(yàn)證防雷絕緣子的采集、通信功能和其本身的防雷可靠性。

2.2 試驗(yàn)情況

試驗(yàn)電流幅值為4.95 kA， 波形為7.7 μs/21.48 μs，符合GB 11032-2010《交流無間隙金屬氧化物避雷器》[12]關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)雷電流波形8 μs/20 μs的規(guī)定。由于NB-IoT 通信模塊無法直接傳輸波形數(shù)據(jù)，因此在試驗(yàn)時，在硬件回路加入EEPROM16MB 存儲器，以方便讀取防雷絕緣子采樣數(shù)據(jù)和波形。沖擊電流試驗(yàn)波形和防雷絕緣子采集電流波形對比如圖6 所示。

圖6 沖擊電流試驗(yàn)波形和防雷絕緣子采集電流波形對比

2.3 后臺信號接收結(jié)果

當(dāng)防雷絕緣子氧化鋅閥片正常時，采集到的是正常雷電波，后臺接收情況見表1。根據(jù)設(shè)備號可以確定發(fā)生雷擊的設(shè)備為哪一臺，其中避雷器狀態(tài)顯示為“正?！保纂姶螖?shù)計(jì)數(shù)增加1 次。

表1 沖擊電流試驗(yàn)后臺接收數(shù)據(jù)

3 氧化鋅閥片故障試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)說明

當(dāng)防雷絕緣子未損壞時，通過雷電流后，采集到的波形應(yīng)該為正常雷電波形，時間為微秒級。如果氧化鋅閥片損壞，采集到正常雷電波后，仍然會有持續(xù)的電流通過。因試驗(yàn)條件有限，雷電流與故障電流不能同時進(jìn)行試驗(yàn)，本次單獨(dú)進(jìn)行氧化鋅電阻片短接后的故障電流試驗(yàn)。

3.2 現(xiàn)場試驗(yàn)

防雷絕緣子的高壓端接工頻6 kV 電壓，低壓端接地，并將氧化鋅閥片短接，模擬氧化鋅閥片故障狀態(tài)，對形成短路后的電流情況進(jìn)行實(shí)際測量，并與智能絕緣子采集到的電流情況進(jìn)行對比，確認(rèn)智能絕緣子能否接收到故障電流并做出故障指示，故障通過電流設(shè)置為0.2 s 后跳閘。現(xiàn)場試驗(yàn)布置如圖7 所示，通過試驗(yàn)系統(tǒng)軟件和防雷絕緣子讀取的波形如圖8 所示。

圖7 試驗(yàn)場景

圖8 模擬接地故障時試驗(yàn)電流與采集電流波形對比

3.3 后臺信號接收結(jié)果

當(dāng)防雷絕緣子氧化鋅閥片損壞，采集到異常故障電流波形時，由NB-IoT 模塊發(fā)送避雷器故障狀態(tài)量，并在后臺直接顯示為“故障”，同時考慮到該結(jié)構(gòu)避雷器閥片損壞原因絕大多數(shù)應(yīng)為直擊雷引起，同步將雷電次數(shù)計(jì)數(shù)增加1 次，后臺數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 故障狀態(tài)后臺接收數(shù)據(jù)

4 試驗(yàn)分析

防雷絕緣子由于本身的反應(yīng)時間延遲，在雷電流沖擊試驗(yàn)時并沒有捕捉到前端波形。由于濾波回路和喚醒時間延遲影響，導(dǎo)致防雷絕緣子讀取的波形失真，采樣存在漏點(diǎn)可能，無法準(zhǔn)確讀取波長時間，但波形下降沿能較好地捕捉到一段。從波形比較來看，裝置從休眠狀態(tài)到喚醒時間應(yīng)在8 μs 以下，電流峰值誤差為3%，NB-IoT通信模塊在大電流沖擊下工作正常，未出現(xiàn)二次回路損壞問題。試驗(yàn)比對結(jié)果如表3 所示。

本次模擬氧化鋅閥片的故障，故障起始時間基本沒有誤差。裝置捕捉到了短路時的起始振蕩過程，根據(jù)氧化鋅避雷器截?cái)喙ゎl續(xù)流的特性，不會超過半個工頻周期，也就是小于10 ms[13-15]，由于采樣頻率較高，因此設(shè)置采樣時間8 ms 后，采樣自動停止，并向后臺發(fā)送故障信號。本次測量電流峰值與施加電流峰值誤差為8.7%，電流波形與實(shí)際施加電流波形存在一定差異，原因是線圈為采集千安級的雷電流設(shè)計(jì)，誤差屬于可接受范圍之內(nèi)，裝置能正確識別故障狀態(tài)，并通過NB-IoT 模塊傳輸至后臺，試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比如表4所示。

表4 模擬氧化鋅閥片故障結(jié)果比對

裝置可以采集的電流范圍在數(shù)安培至5 000安培之間，因此實(shí)際單相接地故障電流、相間短路電流以及雷電流均在可測量范圍內(nèi)。本次試驗(yàn)主要驗(yàn)證裝置二次模塊性能，未進(jìn)行更大沖擊電流的破壞性試驗(yàn)。

5 結(jié)論

（1）本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種新型配電網(wǎng)智能防雷絕緣子。該裝置適用于10～20 kV 配電線路，可代替線路絕緣子和各種線路防雷裝置使用。

（2）該裝置可實(shí)現(xiàn)自我狀態(tài)檢測，通過采集和積分回路判斷故障類型，準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)雷擊記錄和故障判別，實(shí)際運(yùn)行過程中，可通過對設(shè)備提前編號，如某某線某某桿某相防雷絕緣子，實(shí)現(xiàn)故障設(shè)備的精準(zhǔn)定位功能。

（3）如二次設(shè)備損壞，并不影響裝置的防雷功能和絕緣子支撐功能，可結(jié)合維護(hù)計(jì)劃延后處理相關(guān)問題。

（4）線圈結(jié)構(gòu)的一體式防雷絕緣子可加入對線路導(dǎo)線上電流的監(jiān)測功能，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有故障指示器及定位的所有功能。

（5）由于現(xiàn)場試運(yùn)行設(shè)備尚未遭受自然界真實(shí)落雷，今后的運(yùn)行數(shù)據(jù)可應(yīng)用到感應(yīng)雷或直擊雷的分析判斷中，同時采集雷電放電電流和工頻電流放電過程，為配電網(wǎng)防雷相關(guān)基礎(chǔ)理論和計(jì)算提供數(shù)據(jù)支撐。由于NB-IoT 模塊的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)互通互聯(lián)，擴(kuò)展更多功能以后，可通過智能算法實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)各個節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)量和信息采集，簡化和優(yōu)化配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提升配電網(wǎng)智能化水平。