電力物聯(lián)網(wǎng)中避雷器遠(yuǎn)程故障監(jiān)測與維護(hù)

孫 震 楊希磊 樊子暉 朱立勤 王遜峰 王明邦

1.國網(wǎng)上海嘉定供電公司 上海 2018992.國網(wǎng)上海市電力公司 上海 2001223.上海兆邦電力器材有限公司 上海 201315

1 研究背景

在以計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云儲存、機(jī)器人為核心的智能時代,輸配電網(wǎng)正面臨深刻變革,輸配電線路的智能遠(yuǎn)程控制是未來的發(fā)展方向。電力物聯(lián)網(wǎng)圍繞電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié),充分應(yīng)用移動互聯(lián)和人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)、先進(jìn)通信技術(shù),實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)萬物互聯(lián)、人機(jī)交互,建立具有狀態(tài)全面感知、信息高效處理、應(yīng)用便捷靈活特征的智慧服務(wù)系統(tǒng)。

電力裝備是“中國制造2025”十大領(lǐng)域之一,上海市智能電網(wǎng)發(fā)展迅速,分布式電源、微電網(wǎng)智能用電、智能變電站、配電自動化、設(shè)備狀態(tài)檢測、用電信息采集、智能樓宇、電動汽車充換電站等廣泛實(shí)現(xiàn)試點(diǎn),互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)與電力系統(tǒng)更加緊密融合,已初步具備構(gòu)建城市能源互聯(lián)網(wǎng)的條件。

筆者研究電力物聯(lián)網(wǎng)中避雷器的遠(yuǎn)程故障監(jiān)測與維護(hù),設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的高可靠性無線避雷器在線監(jiān)測裝置,涵蓋發(fā)、輸、變、配、用、調(diào)度等各領(lǐng)域,運(yùn)用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、5G等現(xiàn)代信息通信技術(shù),與控制技術(shù)深度融合,為智能電網(wǎng)提供全生命周期的一體化、專業(yè)化避雷信息服務(wù)。研究成果首先在上海實(shí)施應(yīng)用,逐步成為上海電網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)的有機(jī)組成部分,然后進(jìn)一步推廣,對實(shí)現(xiàn)高效、安全的能源供應(yīng)具有重要意義,具有廣泛的市場前景,社會效益與經(jīng)濟(jì)效益顯著。

2 存在的問題

現(xiàn)有的避雷器監(jiān)測裝置一般為有線式,與避雷器就近連接在一起,用于監(jiān)測避雷器的漏電流和遭雷擊次數(shù)。查看避雷器監(jiān)測裝置監(jiān)測數(shù)據(jù)時,需要爬到線上,危險(xiǎn)性較高。無線式避雷器監(jiān)測裝置的監(jiān)測終端一般由單片機(jī)、無線收發(fā)模塊、漏電流采集電路、雷擊次數(shù)采集電路、供電電源組成,單片機(jī)通過無線收發(fā)模塊將漏電流采集電路和雷擊次數(shù)采集電路所采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)測主機(jī),查看監(jiān)測數(shù)據(jù)較為方便。但是,現(xiàn)有的無線式避雷器監(jiān)測裝置需要加裝太陽能電池板提供電能,這樣不僅提高了監(jiān)測裝置的復(fù)雜程度,增大了整體體積,增加了制造成本,而且還降低了可靠性。

3 研究內(nèi)容

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足,筆者設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的高可靠性無線避雷器在線監(jiān)測裝置。這一避雷器在線監(jiān)測裝置由與避雷器串聯(lián)的整流橋、電源變換電路、單片機(jī)、與單片機(jī)相連的監(jiān)測信號采集電路、無線收發(fā)模塊組成。電源變換電路包括儲能電容、開關(guān)管組件、高電壓檢測器和電阻。儲能電容并聯(lián)在整流橋的輸出端,端電壓經(jīng)開關(guān)管組件和三端穩(wěn)壓器為避雷器在線監(jiān)測裝置供電。儲能電容端電壓還經(jīng)過由第一電阻和第二電容組成的積分延時電路,施加至高電壓檢測器的輸入端。擬采用在避雷器內(nèi)部植入溫度、電流傳感器和嵌入式芯片的方式,實(shí)現(xiàn)對溫度、電流等信號的監(jiān)測。擬采用消息隊(duì)列遙測傳輸協(xié)議作為通信協(xié)議,定義一套完整的信號接口,涵蓋溫度、電流等檢測信號,以及避雷器故障、避雷器短路、避雷器失效、電池電壓不足、通信系統(tǒng)故障等故障報(bào)警信號。

4 理論依據(jù)

避雷器泄漏電流指在正常額定電壓下,避雷器工作時所流過的電流。一般而言,在正常的工作狀態(tài)下,可以將避雷器看作絕緣體,不存在過電壓時,避雷器泄漏電流非常小,不會大于1 mA。隨著避雷器長時間工作,受外界因素影響,避雷器內(nèi)部閥片的性能會有所降低,此時避雷器泄漏電流就會變大。避雷器泄漏電流在一定程度上反映了避雷器的絕緣程度,是在運(yùn)行狀態(tài)下判斷避雷器性能的一個極為重要的指標(biāo)。

筆者依托泛載物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)來布置和連接線路避雷器,依照基本雷電防護(hù)原理,滿足信息化、智能化防雷需求,設(shè)計(jì)無線避雷器在線監(jiān)測裝置,構(gòu)建具有實(shí)時監(jiān)測、遠(yuǎn)程監(jiān)測、雷擊記錄、災(zāi)害預(yù)警等功能的綜合信息化智能防雷系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)從防護(hù)到預(yù)警,從巡檢到自檢的全新雷電防護(hù)模式。

在研究中,依靠智能監(jiān)測技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)信號傳輸技術(shù),實(shí)現(xiàn)對大面積避雷器工作狀態(tài)和雷擊次數(shù)的監(jiān)測。在感知層,傳感器實(shí)時檢測避雷器閥片溫度、泄漏電流及動作次數(shù)。北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)用于定位故障點(diǎn)。在傳輸層,應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)感知層與后臺服務(wù)層的實(shí)時信息傳送。

5 創(chuàng)新點(diǎn)

采用并聯(lián)接線法,基于電流互感器感應(yīng)并聯(lián)導(dǎo)線上電流的原理和方法,可以同時測量金屬氧化物避雷器的泄漏電流和雷擊次數(shù)。在金屬氧化物避雷器中金屬氧化物接近底部的位置放置一個金屬薄片,引一根導(dǎo)線穿過電流互感器后接至避雷器外殼地,此導(dǎo)線與底部的金屬氧化物形成并聯(lián)。在金屬氧化物絕緣性能良好的狀態(tài)下,金屬氧化物無泄漏電流,電流互感器感應(yīng)到導(dǎo)線上的電流為零。在金屬氧化物絕緣性能變差的狀態(tài)下,有微弱的電流流過金屬氧化物,當(dāng)電流流至接近金屬氧化物底部時,由于金屬氧化物底部阻性大,電流會全部流至并聯(lián)的導(dǎo)線上,電流互感器感應(yīng)到導(dǎo)線上有微弱電流,一般為0～50 mA,此電流即為金屬氧化物的泄漏電流。當(dāng)直擊雷或感應(yīng)雷到達(dá)金屬氧化物時,由于金屬氧化物的物理特性,雷擊電壓大于金屬氧化物的截止電壓閾值,金屬氧化物導(dǎo)通,大電流流至金屬氧化物底部。此時,絕大部分電流通過金屬氧化物流至外殼地,同時會分流部分電流,大小為1～5 A。電流互感器感應(yīng)到導(dǎo)線上的大電流,即可記錄雷擊次數(shù)。

測量金屬氧化物的溫度,與環(huán)境溫度對比,判斷金屬氧化物是否發(fā)熱。結(jié)合測量得到的金屬氧化物泄漏電流,雙參數(shù)分析金屬氧化物避雷器的絕緣性能,準(zhǔn)確性高,可以避免誤判。頂端承載的高壓線電壓沒有限制,可以適用10 kV或35 kV不同高壓等級,不需要修改測量單元的任何參數(shù)。采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),功耗低,延時短,成本低,體積小,測量數(shù)據(jù)直接傳輸至云平臺,安全可靠?？梢愿鶕?jù)用戶要求定時傳輸數(shù)據(jù),在發(fā)生雷擊時,實(shí)時快速上傳數(shù)據(jù),方便管理人員及時進(jìn)行管理。

6 產(chǎn)品介紹

在線監(jiān)測裝置與金屬氧化物避雷器的普通組合如圖1所示。金屬氧化物避雷器當(dāng)于一個很大的電阻,處于絕緣狀態(tài)。一旦系統(tǒng)發(fā)生過電壓,金屬氧化物避雷器立即激活進(jìn)入工作狀態(tài),成為導(dǎo)體,將高電壓釋放至大地,之后恢復(fù)為絕緣狀態(tài),阻斷續(xù)流。金屬氧化物避雷器可以避免系統(tǒng)電壓持續(xù)升高,保護(hù)設(shè)備和人身安全。絕緣掛板起支撐連接且固定金屬氧化物避雷器的作用。智能監(jiān)測模塊通過監(jiān)測流過金屬氧化物避雷器的泄漏電流,實(shí)現(xiàn)對金屬氧化物避雷器狀態(tài)的監(jiān)測。脫離器受到大電流沖擊時會自行脫落,方便定位線路中的故障點(diǎn)。

圖1 在線監(jiān)測裝置與金屬氧化物避雷器普通組合

采用如上組合,能夠保護(hù)電力系統(tǒng)中各電器設(shè)備免受過電壓損壞,基于電力物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)避雷器與后臺服務(wù)器的實(shí)時信息傳送,由后臺服務(wù)器保存信息,并進(jìn)行大數(shù)據(jù)處理,達(dá)到一二次融合的避雷器故障識別功能。系統(tǒng)發(fā)生過電壓時,能夠及時收到信息,并確認(rèn)故障點(diǎn)。后臺通過數(shù)據(jù)綜合判斷避雷器是否需要更換,使架空線路發(fā)生雷擊后的損失降到最低。

在線監(jiān)測裝置與金屬氧化物避雷器的腔室組合如圖2所示。絕緣護(hù)罩起絕緣與保護(hù)的作用,絕緣殼體起支撐、阻隔與絕緣的作用,絕緣外套是由硅橡膠制成的絕緣傘裙。金屬氧化物避雷器、智能檢測模塊、脫離器的作用與前述相同。鋁合金卡套用于卡住金屬氧化物避雷器芯體,并接地。金屬支架起支撐連接且固定金屬氧化物避雷器的作用。

圖2 在線監(jiān)測裝置與金屬氧化物避雷器腔室組合

采用如上組合,當(dāng)避雷器因雷擊損壞時,只需要應(yīng)用絕緣操作桿更換避雷器芯體,簡單方便,并可以帶電作業(yè)。采用如上組合,還可以提高線路絕緣等級,產(chǎn)品的拆裝、維修、更換均不需要爬桿,在地面借助絕緣操作桿就可以完成,省時省力。避雷器安裝在腔室內(nèi),避免日照、雨淋及霧霾作用,避雷器的使用壽命延長。

7 技術(shù)參數(shù)

無線避雷器在線監(jiān)測裝置防護(hù)等級為IP68,技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 無線避雷器在線監(jiān)測裝置技術(shù)參數(shù)

8 推廣前景

當(dāng)前,我國電力工業(yè)發(fā)展迅速,發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量逐年增加。絕緣子避雷器作為輸配電設(shè)備不可缺少的組成部分,與電力工業(yè)的發(fā)展有密切關(guān)系。電力工業(yè)是絕緣子避雷器產(chǎn)品最主要的應(yīng)用市場,城鄉(xiāng)電網(wǎng)建設(shè)和改造、西電東送工程、電氣化鐵路建設(shè)、特高壓產(chǎn)品市場不僅為絕緣子避雷器產(chǎn)品提供了廣闊的市場空間,而且對絕緣子避雷器產(chǎn)品提出了新的要求,促進(jìn)絕緣子避雷器產(chǎn)品的市場結(jié)構(gòu)調(diào)整和新技術(shù)研發(fā)力度。強(qiáng)度等級高、耐污性能好、可靠性高的絕緣子避雷器將成為未來電力工業(yè)的重點(diǎn)應(yīng)用產(chǎn)品。

筆者設(shè)計(jì)的無線避雷器在線監(jiān)測裝置具有競爭優(yōu)勢。目前市場上的避雷器產(chǎn)品只具有單一防雷功能,安裝工序復(fù)雜費(fèi)時。在達(dá)到相同防雷電壓參數(shù)的前提下,筆者設(shè)計(jì)的無線避雷器在線監(jiān)測裝置實(shí)現(xiàn)實(shí)時檢測泄漏電流、工作溫度、動作次數(shù)等功能,并且能夠在線分析,判斷避雷器的質(zhì)量,對避雷器故障進(jìn)行提前預(yù)警。

無線避雷器在線監(jiān)測裝置還支持移動巡檢,在現(xiàn)場巡檢中通過智能移動電話應(yīng)用軟件直接獲取避雷器的工作狀態(tài),基于動作次數(shù)、泄漏電流大小對比,快速定位故障避雷器,提高檢修作業(yè)效率。無線避雷器在線監(jiān)測裝置完全適應(yīng)電網(wǎng)現(xiàn)代化建設(shè)的需要,符合電力線路器材向低能耗、無故障、長壽命、免檢修發(fā)展的要求。

9 結(jié)束語

架空線路的防雷在電力系統(tǒng)中具有重要地位,如果防護(hù)措施不當(dāng),雷擊過電壓將會對電廠、變電站的電氣設(shè)備造成破壞,嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。架空導(dǎo)線上直接安裝避雷器是一種有效的防雷方法,但避雷器一旦遭雷擊損壞,就成為架空導(dǎo)線的短路障礙,無法輸送電,且故障點(diǎn)的查找一直是一個難題。筆者通過研究電力物聯(lián)網(wǎng)中避雷器的遠(yuǎn)程故障監(jiān)測與維護(hù),設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的高可靠性無線避雷器在線監(jiān)測裝置,具有較高的應(yīng)用和推廣價值。