基于大數(shù)據(jù)的避雷器泄漏電流異常分析方法

摘" 要：避雷器是電力系統(tǒng)中的重要保護設(shè)備，其運行狀態(tài)直接影響電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定。該文設(shè)計并開發(fā)一套避雷器泄漏電流帶電檢測缺陷試驗與實訓(xùn)平臺，通過模擬避雷器的不同泄漏電流情況，研究電壓諧波對測量結(jié)果的影響，并提出改進的檢測方法。通過建立指紋數(shù)據(jù)庫、設(shè)計泄漏電流模擬發(fā)生模塊和電壓向量基準對標模塊，實現(xiàn)對避雷器健康狀況的準確評估。該平臺填補現(xiàn)有研究在實際應(yīng)用方面的空白，提升避雷器故障檢測的準確性和實用性。

關(guān)鍵詞：避雷器；帶電檢測；諧波補償；指紋數(shù)據(jù)庫；大數(shù)據(jù)

中圖分類號：TM862""""" 文獻標志碼：A""""""""" A文章編號：2095-2945（2025）04-0160-04

Abstract： Lightning arresters are important protective equipment in power systems， and their operating status directly affects the safety and stability of power grids. In this paper， a set of live detection and training platform for lightning arrester leakage current is designed and developed. By simulating different leakage current conditions of lightning arrester， the impact of voltage harmonics on measurement results is studied， and improved detection methods are proposed. By establishing a fingerprint database， designing a leakage current simulation generation module and a voltage vector benchmark benchmarking module， accurate assessment of the health status of the lightning arrester is achieved. This platform fills the gap in existing research in practical applications and improves the accuracy and practicality of lightning arrester fault detection.

Keywords： lightning arrester; live detection; harmonic compensation; fingerprint database; big data

在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，避雷器是保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵設(shè)備，有效限制和調(diào)控泄漏電流是其核心功能之一[1]。它能避免設(shè)備因泄漏電流導(dǎo)致發(fā)熱、局部放電，防止絕緣老化和故障，維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，提升供電可靠性。但當前避雷器技術(shù)在控制泄漏電流上存在局限[2]。隨著電力系統(tǒng)發(fā)展，現(xiàn)有技術(shù)難以滿足需求。因此，本文旨在設(shè)計并開發(fā)一套避雷器泄漏電流帶電檢測缺陷試驗與實訓(xùn)平臺，以填補現(xiàn)有研究在實際應(yīng)用方面的空白。

1" 國內(nèi)外研究綜述

避雷器泄漏電流帶電檢測的研究最早由德國、日本、挪威等國家的學(xué)者開展[3]。其中，日本學(xué)者對泄漏電流帶電檢測的補償法進行了深入研究，而挪威相關(guān)行業(yè)公司則對阻性電流三次諧波法進行了相關(guān)研究。在早期階段，各國學(xué)者主要集中于理論方法的提出和簡單研究。

近年來，國內(nèi)外部分公司基于這些理論原理，開發(fā)了相關(guān)的避雷器帶電檢測裝置。然而，由于實際應(yīng)用中電壓諧波對測量結(jié)果的影響，這些裝置的測量結(jié)果并不能準確地反映避雷器的故障和問題。針對這一難題，現(xiàn)階段各研究機構(gòu)在補償法的基礎(chǔ)上，進行了深入研究，提出了變系數(shù)諧波補償、多元補償法等技術(shù)，以盡量消除電壓諧波對測量結(jié)果的影響[4]。

目前，避雷器泄漏電流帶電檢測方法逐步發(fā)展，常用的方法包括總泄漏電流法、零序電流法、容性電流補償法、阻性電流基波法等?？傂孤╇娏鞣ㄍㄟ^測量流過避雷器的全電流來進行檢測；零序電流法則基于氧化鋅避雷器的總阻性電流與阻性電流三次諧波在大小上存在比例關(guān)系，通過檢測氧化鋅避雷器三相總泄漏電流中阻性電流三次諧波分量來判斷其總阻性電流的變化。雖然這些理論依據(jù)已經(jīng)基本健全，但在試驗與實訓(xùn)平臺中的應(yīng)用仍處于空白狀態(tài)，尚需進一步研究和發(fā)展。

2" 研究系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

2.1" 指紋數(shù)據(jù)庫的建立

2.1.1" 金屬氧化物避雷器缺陷機理分析

金屬避雷器在變電站中的使用是有統(tǒng)一標準與操作流程的，受限于當?shù)氐膶嶋H工作環(huán)境與相關(guān)電壓的沖擊，主要是雷電過電壓和人工操作過電壓2種，會導(dǎo)致金屬氧化物避雷器出現(xiàn)各種狀態(tài)的損壞。此外，該裝置的使用年限并不固定，會隨著其使用周期的增加而出現(xiàn)非線性的壽命變化趨勢，再加上其所處的濕熱污穢環(huán)境，避雷器容易發(fā)生各種內(nèi)部和外部的故障或缺陷，包括內(nèi)部受潮、閥片老化、污穢發(fā)熱以及表面裂化等。

內(nèi)部受潮：避雷器上節(jié)底部因受潮而銹蝕，容易導(dǎo)致其內(nèi)部電阻的絕緣部分受潮，從而失去了絕緣效果變得容易導(dǎo)電，此時會極大地增加泄漏電流的峰值，引發(fā)熱故障。

閥片老化：閥片通常由金屬氧化物制成，具備良好的非線性電阻特性，可以在正常電壓下保持高阻抗狀態(tài)，而在過電壓時迅速降低阻抗，提供有效的保護。然而，隨著避雷器長期運行，閥片材料會發(fā)生老化現(xiàn)象，其主要表現(xiàn)為電氣特性和物理性能的劣化。閥片老化會導(dǎo)致其電壓-電流特性曲線發(fā)生明顯變化。具體表現(xiàn)為在低電場區(qū)，閥片的電阻值顯著降低，使得正常運行時的泄漏電流增大。此外，老化閥片的非線性系數(shù)減小，導(dǎo)致其在過電壓下的保護效果變差，不能迅速降低阻抗，從而無法有效保護設(shè)備。

污穢發(fā)熱：主要由于避雷器長期暴露于污染環(huán)境中，表面附著的污垢積聚所引起。避雷器的外絕緣通常由瓷套或硅橡膠傘裙構(gòu)成，這些表面在運行中會受到空氣中的灰塵、鹽霧、工業(yè)廢氣等污染物的影響。這些污染物在避雷器表面積累，形成一層導(dǎo)電膜，當濕度增加時，導(dǎo)電膜的電導(dǎo)率顯著提高，導(dǎo)致表面泄漏電流增加，進而引發(fā)污穢發(fā)熱現(xiàn)象。

2.1.2" 基于泄漏電流相位角的缺陷分析

避雷器在工作過程中，容性電流是通過其的主要電流類型，此時阻性電流占比很小，可忽略不計。但當避雷器出現(xiàn)故障而導(dǎo)致其絕緣性能變差，導(dǎo)電性能變強時，阻性電流會大幅增加。因此，判斷阻性電流的變化趨勢成為判斷避雷器是否故障的重要標準。相關(guān)電路模型如圖1所示，其中U是電壓， I是全電流（阻性電流與容性電流的矢量和）。

根據(jù)圖1所示，可以計算基波阻性電流IR1和基波容性電流IC1

IR1=Icos（？椎），

基波阻性電流峰值IR1P為

IR1P=1.414×IR1 ，

基波容性電流IC1為

IC1=Isin（？椎） ，

基波容性電流峰值IC1P為

IC1P=1.414×IC1 。

阻性電流為IR1：全電流可以用來評估避雷器的性能，但其靈敏度不如阻性電流。假設(shè)容性電流IC1不變，當相位角？椎從85°減小到65°時，阻性電流增加了4.8倍，而全電流僅增加了1.1倍。雖然放電計數(shù)器通常配有全電流表，顯示全電流的顯著增加也能反映避雷器性能的劣化，但其敏感性較低。

相位角為？椎：用該參數(shù)來判斷避雷器性能。因為運行電壓會隨電網(wǎng)負載變化，這種變化會影響I和IR1，但？椎不受影響，且？椎與介損本質(zhì)相同。介損等于tan（？啄），其中？啄=90°-？椎在90°附近，阻性電流基本與？啄成正比，與？椎偏離90°的距離成正比。根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，可得到表1。

由表1數(shù)據(jù)可知，質(zhì)量良好的避雷器出廠時？椎約為86°，現(xiàn)場測量大多數(shù)避雷器的？椎在83°附近。一些數(shù)據(jù)表明，當？椎低于60°時，避雷器接近發(fā)生熱崩潰。由此可見，通過精確測量和分析泄漏電流相位角，可以有效評估避雷器的健康狀態(tài)，及時檢測和處理避雷器的潛在缺陷，確保電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運行。

2.1.3" 基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的缺陷分析

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是在貝葉斯分類的基礎(chǔ)上，對客觀事實進行描述和分析推理的工具。它通過種類歸屬的先驗概率及樣本的特征屬性值，將樣本進行分類。算法總體根據(jù)貝葉斯推理構(gòu)建避雷器缺陷診斷模型，基于樣本特征從運行狀態(tài)分類集中獲取最大概率的避雷器狀態(tài)類型。算法流程如圖2所示。

通過上述流程的數(shù)據(jù)累計，可以得到本設(shè)計中的核心部分——缺陷指紋數(shù)據(jù)庫。具體信息見表2。

2.2" 泄漏電流模擬發(fā)生模塊研制

在本項目中，為了有效模擬避雷器的不同泄漏電流情況，設(shè)計了一個泄漏電流模擬發(fā)生模塊。該模塊通過將基準電壓發(fā)生模塊與泄漏電流發(fā)生模塊相互解耦，以一阻性電流代替避雷器泄漏的全電流。通過設(shè)置該阻性電流與基準電壓存在一定的相位角，便可以模擬出避雷器的各種泄漏電流情形。

2.2.1" 電路設(shè)計

泄漏電流模擬發(fā)生模塊的電路圖如圖3所示。電路使用STM32F103C8T6作為系統(tǒng)主控，負責(zé)基準同步信號的接收、控制信號的接收及模擬電流的產(chǎn)生。

2.2.2" 模塊功能實現(xiàn)

整個泄漏電流模擬發(fā)生模塊通過STM32F103C8T6主控單元協(xié)調(diào)工作。首先，主控單元接收來自高速LORA模塊的基準同步信號，以確保模擬電流的基準。其次，主控單元從低速LORA模塊接收模擬全電流信號的幅值和相位設(shè)定值，并將這些設(shè)定值傳送給AD5304數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。AD5304數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片根據(jù)設(shè)定值產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號，通過OPA990運算放大器進行調(diào)節(jié)后，通過電阻轉(zhuǎn)換成所需的模擬電流。

2.3" 電壓向量基準對標模塊

電壓向量基準對標模塊的主要功能是產(chǎn)生特定幅值的三相電壓信號，以便避雷器泄漏電流測量儀器能夠采集該電壓信號，并將其作為采集到的電流信號的相位參考。

圖4展示了A相電壓向量基準電路的設(shè)計。具體設(shè)計步驟和原理如下。

使用AD5304數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生一個毫伏級別的直流正弦電壓信號。該信號作為初始的基準信號，為后續(xù)處理提供基礎(chǔ)。該直流正弦電壓信號首先經(jīng)過高通濾波器，以濾除直流成分和低頻信號。經(jīng)過高通濾波后，信號變?yōu)榧冋医涣麟妷盒盘?。正弦交流電壓信號隨后進入功率放大電路。功率放大電路的作用是提高信號的驅(qū)動能力和電壓幅值，使其能夠滿足實際應(yīng)用的需求。

為了模擬現(xiàn)場110 kV變電站的實際情況，電壓向量基準對標模塊的輸出電壓幅值需要與現(xiàn)場PT（Potential Transformer，電壓互感器）的輸出電壓一致。具體而言，現(xiàn)場110 kV變電站的PT變比為1 100∶1，輸出線電壓為100 V，相電壓為57.7 V。因此，在功率放大電路后添加一個適當變比的變壓器，將信號相電壓升高至約57.7 V，以匹配現(xiàn)場PT的輸出電壓水平。

3" 結(jié)論

本文通過設(shè)計并開發(fā)避雷器泄漏電流帶電檢測缺陷試驗與實訓(xùn)平臺，提出了新的檢測方法和系統(tǒng)架構(gòu)。通過深入分析避雷器缺陷機理，建立基于泄漏電流相位角和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的缺陷分析模型，形成了完整的指紋數(shù)據(jù)庫。在系統(tǒng)設(shè)計上，采用STM32F103C8T6作為主控單元，通過高速和低速LORA模塊進行同步信號和控制信號的接收，利用AD5304數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片和OPA990運算放大器生成預(yù)設(shè)的泄漏電流和電壓信號。實驗結(jié)果表明，該平臺能夠有效模擬避雷器的泄漏電流情況，提高故障檢測的準確性和效率，為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供了可靠保障。未來的研究將進一步優(yōu)化系統(tǒng)性能，并在實際運行中進行更多測試和驗證。

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