高海拔地區(qū)的雷電分布及避雷器監(jiān)測(cè)方法分析＊

逯憲斌 武超 羅福星 李凱慧 祁春剛

（國(guó)網(wǎng)西藏電力有限公司檢修公司，西藏拉薩 850000）

0.引言

高海拔地區(qū)的氣候多種多樣，容易出現(xiàn)雷暴天氣，該地區(qū)每年都會(huì)出現(xiàn)較多的雷擊導(dǎo)致輸配電線(xiàn)路跳閘的情況，有些線(xiàn)路甚至在一年內(nèi)會(huì)發(fā)生多次因遭受雷擊導(dǎo)致跳閘的現(xiàn)象，有些雷擊點(diǎn)還位于同一桿塔。通過(guò)分析高海拔地區(qū)的雷電分布規(guī)律和避雷器的運(yùn)行狀況，可以有針對(duì)性地采取技術(shù)措施，降低該地區(qū)輸配電線(xiàn)路的跳閘率，并可以降低供電企業(yè)在輸配電線(xiàn)路巡視中的工作量和人員投入。同時(shí)，避雷器容易因雷擊而出現(xiàn)劣化現(xiàn)象，為此也有必要對(duì)避雷器的劣化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以保證避雷器的正?？煽窟\(yùn)行。

1.高海拔地區(qū)的雷電分布

為了獲取高海拔地區(qū)的雷電分布規(guī)律，需要對(duì)高海拔地區(qū)的落雷次數(shù)、落雷密度以及雷暴日等雷電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析，并采用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行擬合，得出具體的雷電分布規(guī)律。對(duì)于雷電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的來(lái)源，由于不同地區(qū)其地形地貌存在著較大的差異，在落雷次數(shù)上也有所不同，可以采用雷電定位系統(tǒng)，對(duì)不同氣象的地區(qū)雷電分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集[1]。當(dāng)獲取到雷電數(shù)據(jù)信息后，可以采用最小二乘法對(duì)雷暴日和落雷密度的關(guān)系進(jìn)行擬合，從而得出該地區(qū)的雷電分布規(guī)律。獲取到高海拔地區(qū)的雷電分布規(guī)律之后，就可以有針對(duì)性地布置避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，達(dá)到高效監(jiān)測(cè)避雷器運(yùn)行狀態(tài)的目的。

2.高海拔地區(qū)的避雷器監(jiān)測(cè)方法

2.1 避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

高海拔地區(qū)的避雷器監(jiān)測(cè)方法，可以采用人工智能技術(shù)，構(gòu)建避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，需要采用傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對(duì)避雷器運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析和處理。其中傳感器技術(shù)主要是用來(lái)對(duì)雷擊電流等參數(shù)進(jìn)行采集，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)主要是用來(lái)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒治隹刂葡到y(tǒng)中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)則可用來(lái)對(duì)所傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中的處理和判斷，起著關(guān)鍵的決策作用。

避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成，主要包括了前端避雷器數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和數(shù)據(jù)處理模塊等。其中前端避雷器數(shù)據(jù)采集模塊主要是借助性能較好的傳感器，對(duì)避雷器的劣化情況進(jìn)行全面的監(jiān)測(cè)[2]。前端系統(tǒng)對(duì)避雷器劣化程度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集之后，再通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，并發(fā)出相應(yīng)的告警信息給運(yùn)維人員，以便使得輸配電線(xiàn)路及避雷器的運(yùn)維人員能夠及時(shí)掌握信息，安排人員進(jìn)行處理，防患于未然。避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖1所示。

圖1 避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

從圖1中可以看出，傳感器采集到的了避雷器的各類(lèi)數(shù)據(jù)信息之后，再通過(guò)放大器以及數(shù)模轉(zhuǎn)換之后，就可以將數(shù)字量通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)進(jìn)行傳輸?shù)街髡镜暮蠖讼到y(tǒng)，經(jīng)過(guò)后端系統(tǒng)處理之后，就可以得到避雷器劣化情況的結(jié)論。由于避雷器的劣化是一個(gè)漸變過(guò)程，需要通過(guò)實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，才能夠保證及時(shí)發(fā)現(xiàn)避雷器的異常運(yùn)行情況，故該避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具備實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)功能。

2.2 避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集

由于避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，需要綜合利用多種不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)，才能夠達(dá)到分析和判斷避雷器運(yùn)行狀態(tài)的目的。當(dāng)輸電線(xiàn)路遭受到雷擊之后，會(huì)在輸電線(xiàn)路上形成一個(gè)較強(qiáng)的沖擊電流，則避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集模塊就需要對(duì)沖擊電流進(jìn)行采樣，并將采集到的數(shù)據(jù)信息加以存儲(chǔ)。這些工作都已完成之后，就可以將避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的主控制器發(fā)送輸電線(xiàn)路的雷擊信號(hào)。避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中沖擊電流的采集程序流程圖2所示。

圖2 沖擊電流的采集程序流程圖

從圖2中可以看出，程序首先是初始化外部中斷，之后就進(jìn)入到檢測(cè)是否存在雷擊信號(hào)的模塊，如果避雷器中存在雷擊信號(hào)，則觸發(fā)外部中斷，并接收所采集到的雷擊信號(hào)數(shù)據(jù)。當(dāng)程序判斷已經(jīng)接收完畢所有的雷擊沖擊電流數(shù)據(jù)信息之后，就可以將這些數(shù)據(jù)信息發(fā)生到數(shù)據(jù)處理程序模塊中，如果沒(méi)有接收完所有的數(shù)據(jù)，則程序?qū)⒗^續(xù)接收，這樣就完成了對(duì)雷擊沖擊電流數(shù)據(jù)的采集。其中，數(shù)據(jù)采集功能模塊和數(shù)據(jù)處理功能模塊之后需要通過(guò)通信接口模塊，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的相互通信，保證數(shù)據(jù)信息在傳輸過(guò)程中的可靠性。由于數(shù)據(jù)信息在發(fā)生和傳遞的過(guò)程中，所采用的通信方式為無(wú)線(xiàn)通信方式，故在通信功能模塊中還應(yīng)加入數(shù)據(jù)信息的安全保護(hù)功能，保證這些數(shù)據(jù)信息不會(huì)被外界所干擾，或者被非法篡改，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能失效。這些都是在避雷器監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要重點(diǎn)考慮的關(guān)鍵問(wèn)題，對(duì)于避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用性能也具有直接的影響。

2.3 避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理

避雷器監(jiān)測(cè)后端系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)避雷器運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在數(shù)據(jù)分析和處理算法的選擇上，應(yīng)保證數(shù)據(jù)信息處理的高效性，才能夠使得避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠快速進(jìn)行響應(yīng)，及時(shí)發(fā)出避雷器的異常運(yùn)行狀態(tài)的告警信息。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，可以借助人工智能中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，來(lái)對(duì)避雷器運(yùn)行數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行訓(xùn)練，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用原理結(jié)構(gòu)圖3所示。通過(guò)在避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以提高避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的故障診斷及在線(xiàn)監(jiān)測(cè)能力。

圖3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

從上圖3中可以看出，可分為輸入層、隱含層和輸出層3個(gè)不同的數(shù)據(jù)計(jì)算層次，輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)隱含層的處理之后，再經(jīng)過(guò)輸出層，得出具體的計(jì)算結(jié)果。其中對(duì)于輸入層，可以選取評(píng)估避雷器絕緣狀況的特征量，如絕緣電阻、泄漏電流等作為輸入元素。在隱含層中包括了多個(gè)神經(jīng)元，個(gè)數(shù)由樣本數(shù)據(jù)在訓(xùn)練過(guò)程中的收斂速度以及目標(biāo)誤差來(lái)決定[3]。對(duì)于輸出量，可以設(shè)置4個(gè)不同的特征量，分別用來(lái)代表避雷器絕緣系統(tǒng)的4種運(yùn)行狀態(tài)，即用y1值代表避雷器正常運(yùn)行狀態(tài)、用y2值代表避雷器輕度劣化、用y3值代表避雷器中度劣化、用y4值代表避雷器嚴(yán)重劣化等。每個(gè)輸出元素的數(shù)值大小在零與一之間，當(dāng)數(shù)值越趨近與一時(shí)，則代表該避雷器的劣化程度越嚴(yán)重，從而量化評(píng)估避雷器的運(yùn)行狀況。

3.高海拔地區(qū)避雷器監(jiān)測(cè)方法的應(yīng)用

3.1 避雷器監(jiān)測(cè)要點(diǎn)的應(yīng)用

對(duì)于高海拔地區(qū)避雷器監(jiān)測(cè)的要點(diǎn)，以氧化鋅避雷器的監(jiān)測(cè)技術(shù)為例進(jìn)行分析。氧化鋅避雷器對(duì)輸配電線(xiàn)路的保護(hù)性能良好、質(zhì)量較輕、性能也相對(duì)穩(wěn)定，并且氧化鋅避雷器在耐污性能上也較為出色。在輸配電線(xiàn)路中采用氧化鋅避雷器，能夠有效限制輸配電線(xiàn)路中的過(guò)電壓，降低輸配電線(xiàn)路因雷擊而導(dǎo)致的跳閘事件數(shù)量。對(duì)于氧化鋅避雷器的工作原理，當(dāng)工作電壓水平較低時(shí)，此時(shí)流過(guò)氧化鋅避雷器的電流值較小。當(dāng)工作電壓較高時(shí)，此時(shí)由于氧化鋅避雷器中的電阻快速降低，此時(shí)就可以起到釋放電壓能量的作用，達(dá)到保護(hù)輸配電線(xiàn)路絕緣系統(tǒng)不被擊穿的目的。避雷器在運(yùn)行的過(guò)程中，承受著一定的運(yùn)行電壓，故會(huì)產(chǎn)生一定的泄漏電流，但該電流值相對(duì)較小。但當(dāng)避雷器因受潮導(dǎo)致劣化時(shí)，此時(shí)避雷器的泄漏電流將會(huì)出現(xiàn)明顯的增加。故利用這一避雷器監(jiān)測(cè)指標(biāo)，能夠很好地判別避雷器的實(shí)際劣化程度，劣化情況越嚴(yán)重，則避雷器的泄漏電流越大[4]。當(dāng)監(jiān)測(cè)到避雷器中的泄漏電流超過(guò)了所設(shè)定的閾值之后，就可以啟動(dòng)報(bào)警器發(fā)出報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)避雷器的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.2 避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的調(diào)試及應(yīng)用

避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在投入實(shí)際應(yīng)用之前，需要對(duì)避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能進(jìn)行調(diào)試，保證避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能能夠正常發(fā)揮。首先可以采用沖擊電流發(fā)生器來(lái)模擬實(shí)際的雷擊電流，觀察避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是否能夠可靠發(fā)生相應(yīng)的告警信息。在避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能測(cè)試過(guò)程中，還應(yīng)觀察系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣是否準(zhǔn)確可靠、無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的傳輸是否問(wèn)題、硬件電路系統(tǒng)是否存在局部溫度偏高發(fā)熱的情況等，這些都是在避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)和性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。在調(diào)試軟件界面上，應(yīng)合理設(shè)置好登陸模塊、串口設(shè)置模塊、地址設(shè)置模塊、電流監(jiān)測(cè)模塊等。通過(guò)在調(diào)試終端中合理設(shè)置好各項(xiàng)參數(shù)信息后，就可以使得調(diào)試終端和避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相互通信，達(dá)到對(duì)避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)調(diào)試的目的。在調(diào)試軟件的設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能方便調(diào)試人員的操作，避免設(shè)置過(guò)于復(fù)雜的界面，否則會(huì)給調(diào)試人員登錄設(shè)備后臺(tái)系統(tǒng)增加困難，降低調(diào)試的效率。同時(shí)在應(yīng)用功能的界面設(shè)計(jì)方面，應(yīng)將避雷器的泄漏電流、放電次數(shù)、阻性電流以及放電時(shí)間等數(shù)據(jù)信息，展示在應(yīng)用功能界面上，方便對(duì)避雷器的劣化情況進(jìn)行查看。此外，還應(yīng)該在功能界面上，展示出泄漏電流中的基波和諧波波形，以及各種波形的數(shù)值大小，以便進(jìn)一步分析避雷器劣化的詳細(xì)特點(diǎn)。

4.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在高海拔地區(qū)對(duì)輸配電系統(tǒng)中的避雷器采取在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的方法，可以防止或減輕雷電給輸配電線(xiàn)路帶來(lái)的災(zāi)害，提高輸配電系統(tǒng)防御雷電災(zāi)害的綜合能力，保證輸配電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。本文研究的高海拔地區(qū)避雷器監(jiān)測(cè)方法，可以在實(shí)際的高海拔輸配電系統(tǒng)中加以應(yīng)用。