高海拔地區(qū)避雷器在線智能監(jiān)測(cè)技術(shù)分析

武超，逯憲斌，羅福星，謝忠明，郭樹峰

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

避雷器是保護(hù)輸配電線路免受雷擊跳閘的重要電氣設(shè)備，避雷器的運(yùn)行狀況將影響輸配電線路的運(yùn)行安全。為了能夠及時(shí)準(zhǔn)確地了解避雷器絕緣系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，需要對(duì)避雷器配置智能采集監(jiān)測(cè)終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)避雷器的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本文首先分析了對(duì)高海拔地區(qū)避雷器進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的必要性，之后闡述了具體的避雷器在線智能監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀及技術(shù)原理，最后介紹了避雷器在線智能監(jiān)測(cè)技術(shù)在實(shí)際中的相關(guān)應(yīng)用情況。

1 高海拔地區(qū)避雷器監(jiān)測(cè)的必要性

1.1 避雷器的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理

避雷器主要是給輸電線路提供雷擊過(guò)電壓保護(hù)，工頻過(guò)電壓保護(hù)一般由其他保護(hù)裝置來(lái)完成。在高海拔地區(qū)，經(jīng)常出現(xiàn)雷電天氣，給輸配電線路的可靠運(yùn)行帶來(lái)了一定的挑戰(zhàn)。避雷器當(dāng)運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一定程度的劣化現(xiàn)象。如果避雷器的劣化程度較為嚴(yán)重，則可能會(huì)使得避雷器失效，難以給輸電系統(tǒng)提供過(guò)電壓安全保護(hù)。以氧化鋅避雷器為例，由于避雷器長(zhǎng)時(shí)間被雨水浸泡而受潮，容易出現(xiàn)劣化現(xiàn)象，圖1為氧化鋅避雷器的結(jié)構(gòu)。

圖1 氧化鋅避雷器的結(jié)構(gòu)

從圖1中氧化鋅避雷器的結(jié)構(gòu)中可以看出，氧化鋅避雷器在組成結(jié)構(gòu)中主要包括瓷套、熔絲、氧化鋅、彈簧以及密封墊等組成。當(dāng)雷擊到輸電線路上時(shí)，會(huì)在輸電線路上產(chǎn)生較大的感應(yīng)電流，并且沿著輸電線路進(jìn)入到變電站中，對(duì)變電站中的變電一次設(shè)備的安全運(yùn)行構(gòu)成較大的威脅。為了保證變電站中電氣設(shè)備的運(yùn)行安全，一般都在配置了避雷器設(shè)備，以為變電設(shè)備提供過(guò)電壓保護(hù)。避雷器在運(yùn)行的過(guò)程中具有顯著的特征，在電壓水平較高時(shí)，呈現(xiàn)出低電阻特性，而在電壓水平較低時(shí)，則呈現(xiàn)出高電阻特性。當(dāng)輸電線路遭受雷擊時(shí)，避雷器中的感應(yīng)電壓很高，故能夠?qū)⑤^大的感應(yīng)電流導(dǎo)入到地下，這樣和避雷器相互并聯(lián)的電氣設(shè)備就可以免受雷擊，達(dá)保護(hù)電氣設(shè)備的目的。當(dāng)雷電波在輸電線路中消失之后，則避雷器所承受的電壓恢復(fù)為工頻電壓，重新恢復(fù)為高電阻狀態(tài)，為此應(yīng)保證避雷器具有較強(qiáng)的絕緣恢復(fù)能力。

1.2 高海拔地區(qū)避雷器監(jiān)測(cè)的必要性

當(dāng)輸配電系統(tǒng)中的避雷器出現(xiàn)了劣化情況時(shí)，如果沒有及時(shí)保養(yǎng)，則當(dāng)該輸配電系統(tǒng)再次遭受雷擊時(shí)，可能會(huì)使得電氣設(shè)備遭受雷擊，導(dǎo)致設(shè)備損壞，為此有必要采用高海拔地區(qū)避雷器監(jiān)測(cè)終端設(shè)備。通過(guò)對(duì)高海拔地區(qū)輸配電系統(tǒng)中的避雷器采用高精度采集智能監(jiān)測(cè)終端，進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)避雷器劣化程度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。一旦避雷器出現(xiàn)劣化時(shí)，智能監(jiān)測(cè)終端根據(jù)避雷器的劣化程度，及時(shí)發(fā)出相應(yīng)的告警信息，并及時(shí)通知運(yùn)維人員進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，避免因?yàn)楸芾灼髁踊瘬p壞而造成避雷器后端設(shè)備達(dá)不到應(yīng)有的避雷效果，達(dá)到快速高效判斷出避雷器工作狀態(tài)的目標(biāo)，這也是避雷器在線智能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要作用?？紤]到高海拔地區(qū)輸配電線路運(yùn)行環(huán)境的特點(diǎn)，合理配置避雷器在線智能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2 避雷器在線智能監(jiān)測(cè)的硬件系統(tǒng)分析

2.1 避雷器監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

當(dāng)避雷器運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，其內(nèi)部會(huì)受潮，同時(shí)，避雷器的閥門也會(huì)發(fā)生老化。目前，對(duì)避雷器的維護(hù)有采用人工的方式，及定期測(cè)量避雷器的絕緣電阻以及避雷器的泄漏電流等參數(shù)，一旦發(fā)現(xiàn)避雷器中的絕緣系統(tǒng)擊穿或者出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的劣化現(xiàn)象，則對(duì)避雷器進(jìn)行更換。這種避雷器的維護(hù)方式難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)避雷器中所存在的缺陷，使得避雷器在運(yùn)行過(guò)程中存在著一定的安全隱患。并且在維護(hù)過(guò)程中也需要耗費(fèi)較多的人力資源成本，不利于提高維護(hù)工作中的經(jīng)濟(jì)性及運(yùn)維效率。為了提高對(duì)避雷器的運(yùn)維效率，在實(shí)際中也采用了避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)評(píng)估避雷器泄漏電流大小來(lái)判斷避雷器的運(yùn)行狀況。在目前現(xiàn)有的避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，系統(tǒng)的功能較為單一，并且監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在抗干擾性能上也相對(duì)不足，難以滿足實(shí)際的應(yīng)用要求，并且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也不夠準(zhǔn)確，以下介紹避雷器在線智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2.2 避雷器在線智能監(jiān)測(cè)的硬件系統(tǒng)

由于避雷器的運(yùn)行環(huán)境具有電磁干擾強(qiáng)、溫度變化大的特點(diǎn)，故在避雷器在線智能監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)采取抗干擾的技術(shù)措施，保證避雷器在線智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用功能的穩(wěn)定。在避雷器在線智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，在避雷器的接地端連接了多個(gè)不同的報(bào)警傳感器，同時(shí)，各個(gè)報(bào)警傳感器和數(shù)據(jù)信息中繼器相連，并將數(shù)據(jù)信息通過(guò)中繼器傳輸至避雷器的在線智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)中。其中報(bào)警傳感器在整個(gè)避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中扮演著重要的角色，一般該報(bào)警傳感器是安裝在接地排和避雷器之間，可以用來(lái)采集避雷器中的泄漏電流信息。

對(duì)于報(bào)警傳感器中的報(bào)警電路，在組成上包括壓敏電阻、電流互感器、電壓比較電路、三極管、二級(jí)管、繼電器和報(bào)警器等。當(dāng)報(bào)警電路監(jiān)測(cè)到避雷器出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的劣化現(xiàn)象后，可以通過(guò)聲音報(bào)警器發(fā)出聲音報(bào)警信息，提醒運(yùn)維人員對(duì)避雷器開展預(yù)防性試驗(yàn)，從而達(dá)到節(jié)約避雷器檢測(cè)資源，并提高檢測(cè)效率的目的，提高線路運(yùn)行的可靠性。對(duì)于避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的采集電路，主要包括時(shí)鐘電路模塊、儲(chǔ)存電路模塊和調(diào)試電路模塊等，在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中分別承擔(dān)著不同的功能。同時(shí)，在避雷器監(jiān)測(cè)的硬件系統(tǒng)中，還包括數(shù)據(jù)通信電路模塊、防雷保護(hù)功能模塊、電源電路模塊等，這些子硬件模塊共同組成了整個(gè)避雷器監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)。通信電路模塊一般是采用無(wú)線通信技術(shù)，以方便各個(gè)監(jiān)測(cè)終端之間的通信組網(wǎng)。由于避雷器監(jiān)測(cè)硬件在實(shí)際使用的過(guò)程中，也可能會(huì)遭受到雷擊，故在硬件系統(tǒng)中配置防雷保護(hù)功能模塊具有較強(qiáng)的必要性，能夠提高避雷器監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)的使用壽命。由于避雷器監(jiān)測(cè)硬件也需要額外的電源進(jìn)行供電才能夠使用，故在該硬件中還設(shè)置了電源電路模塊。

3 避雷器在線智能監(jiān)測(cè)的軟件系統(tǒng)分析

3.1 避雷器監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)中的主程序

在避雷器在線智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，除了硬件系統(tǒng)，還需要軟件系統(tǒng)配合運(yùn)行。在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)中，需要對(duì)軟件系統(tǒng)的主程序、采樣程序、數(shù)據(jù)處理程序等分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證各個(gè)軟件子系統(tǒng)的功能正常發(fā)揮。其中主程序起著主要的邏輯分析及判斷作用，能夠?qū)Σ蓸映绦蛑械臄?shù)據(jù)進(jìn)行合理的利用。在避雷器在線智能監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)的開發(fā)中，首先應(yīng)加強(qiáng)對(duì)主程序的流程設(shè)計(jì)，圖2為避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主程序流程圖。

圖2 避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主程序流程圖

從圖2的避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主程序軟件流程圖中可以看出，軟件程序首先判斷是否收到了啟動(dòng)監(jiān)測(cè)的消息幀，如果收到了，則對(duì)消息幀進(jìn)行解析，并啟動(dòng)后續(xù)的數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)發(fā)送到中繼器等一系列環(huán)節(jié)，完成整個(gè)避雷器運(yùn)行狀況的在線監(jiān)測(cè)任務(wù)。當(dāng)監(jiān)測(cè)到避雷器中出現(xiàn)了異常情況時(shí)，可以以告警的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，達(dá)到在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。當(dāng)這些流程都運(yùn)行完畢后，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的軟件程序會(huì)繼續(xù)運(yùn)行在監(jiān)測(cè)狀態(tài)，保證對(duì)避雷器監(jiān)測(cè)的連續(xù)性。在具體的監(jiān)測(cè)程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，采樣程序、數(shù)據(jù)處理程序都可以通過(guò)額外編寫相應(yīng)的函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，并在監(jiān)測(cè)主程序中對(duì)這些函數(shù)進(jìn)行調(diào)用。

3.2 避雷器監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)中的采樣及數(shù)據(jù)處理程序

在避雷器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采樣環(huán)節(jié)，需要采集的主要避雷器特征量包括泄漏電流、阻性電流、基波電流、諧波電流以及容性電流等。對(duì)于采集周期的選取，可以在采集程序中設(shè)置每隔一分鐘發(fā)送一次避雷器運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)采集廣播信息，廣播信息主要是用來(lái)通知系統(tǒng)中的前端采集模塊開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。當(dāng)發(fā)送完廣播信息后，就可以接著再依次發(fā)送單播信息，用來(lái)提取避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中各個(gè)監(jiān)測(cè)器中所采集的特征數(shù)據(jù)。這種特征數(shù)據(jù)在加上一定的時(shí)間戳后，就可以送入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊進(jìn)行保存。如果發(fā)送完一次單播信息后，沒有采集到所需要的特征量數(shù)據(jù)，則可以再次向監(jiān)測(cè)器發(fā)送數(shù)據(jù)采集單播信息。如果多次都沒有收到采集信息，則可以認(rèn)定該監(jiān)測(cè)器運(yùn)行故障，并發(fā)出相應(yīng)的告警提示信息，方便運(yùn)維人員對(duì)該監(jiān)測(cè)器進(jìn)行更換。

其中基波電流和諧波電流，需要采用相應(yīng)的算法提取才能夠獲取得到?？梢詫?duì)避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的采樣數(shù)據(jù)，采取快速傅里葉變換的算法進(jìn)行處理，如果出現(xiàn)了信號(hào)頻率波動(dòng)的情況，也可以采用算法進(jìn)行插值修正，保證基波電流和諧波電流能夠正常提取。隨著避雷器在線智能監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)中，可以對(duì)數(shù)據(jù)處理所采用到的算法進(jìn)行優(yōu)化，以便提高對(duì)數(shù)據(jù)分析及處理的效率，更好地掌握避雷器的運(yùn)行狀況信息，保證避雷器處于良好的運(yùn)行狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

雷擊給高海拔地區(qū)的輸配電線路運(yùn)行帶來(lái)了較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，故在雷擊危害較嚴(yán)重的地區(qū)，應(yīng)推廣應(yīng)用避雷器在線智能監(jiān)測(cè)技術(shù)。通過(guò)在高海拔地區(qū)采取避雷器在線智能監(jiān)測(cè)技術(shù)，有利于提高避雷器設(shè)備運(yùn)行的健康水平，從而更好地保障電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，提高高海拔地區(qū)電網(wǎng)的供電可靠性。