基于沖擊動作特性及泄漏電流的避雷器在線監測系統

吳清 王勇 黃松 唐祥炎 王思捷 余紅喜

摘 要：避雷器是電力系統重要設備之一，其性能的優劣對電網安全運行起著很大作用，但輸電線路避雷器目前采用的定期預防性試驗存在時限性及操作困難等問題。針對輸電線路避雷器的特點，本文提出了基于泄漏電流和雷電沖擊電流測量的避雷器全運行狀態的實時監測技術。通過采集泄漏電流評價線路避雷器的受潮、老化等狀態；雷擊時通過避雷器沖擊大電流的次數和峰值，它反映避雷器的剩余壽命以及是否需要預防性試驗；沖擊小電流的次數，它可為雷電防護及雷擊事故分析提供極有價值的科學依據。本文研究成果對提升全網的故障預防及事故分析能力具有重要的積極意義，有利于提高輸電線路防雷水平及降低輸電線路雷擊跳閘次數。

關鍵詞：輸電線路 避雷器 沖擊電流 泄漏電流 在線監測

中圖分類號：TM86 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（a）-0071-05

避雷器主要是用于限制由線路傳來的雷電過電壓或由操作引起的內部過電壓，是保證電力系統安全運行的重要保護設備之一，它的正常運行對保證系統的安全供電起著重要作用。傳統的避雷器（分為保護間隙避雷器、管式避雷器、閥式避雷器）[1]使用時必須串聯間隙。60年代末、70年代初，日本率先研制出了金屬氧化鋅避雷器（MOA），從80年代開始，在我國電力系統推廣應用，并已成為電力系統的重要避雷設備。[2]

根據實際的生產運行分析，在110～500 KV設備事故中，雷擊造成的輸電線路跳閘占總次數的第1位，已嚴重影響了電網的安全可靠運行。[3-5]輸電線路分布廣，地處曠野多，線路的雷害事故占很大比重，尤其是沿海地區表現尤為突出。線路落雷后，沿輸電線路傳入變電站的侵入波威脅到變電站內的電氣設備，是造成變電站事故的重要因素。隨著社會發展，電力在人類生產、生活中發揮著不可替代的作用，因此，保證輸電線路的安全、穩定與暢通也變得尤其重要。

目前，國內外相關的研究現狀都還停留在基于泄漏電流的監測上，避雷器的泄漏電流通常作為監測避雷器運行狀況的一種重要手段，但對于輸電線路上帶純空氣間隙的避雷器，在正常運行中無泄漏電流通過避雷器，也就無法通過測量泄漏電流來評價避雷器的狀態。并且輸電線路條件復雜，很難進行預防性試驗和帶電試驗，所以在進行泄漏電流在線監測的基礎上，開展基于避雷器雷電沖擊電流的在線監測具有重要的意義和價值。

1 基本原理及實現方案

1.1 泄漏電流評價避雷器狀態基本原理

由于金屬氧化物有良好的非線性電阻特性，所以氧化鋅避雷器內部沒有放電間隙。正是由于沒有放電間隙，在正常運行中閥片長期承受電力系統運行電壓的作用，有泄漏電流不斷流過避雷器的各個串聯的氧化鋅電阻片，在加上內部受潮或過熱等因素的影響，因而會造成閥片非線性電阻特性的劣化。這種劣化的主要表現是正常電壓下的阻性電流的增加，阻性電流的加大造成發熱量的增加，避雷器內部溫度的上升，溫度的上升又加速閥片的老化，形成惡性循壞，最后導致MOA由于過熱而損壞，嚴重時可能引起避雷器的爆炸，引起大面積停電事故。[6]因此可以把測量避雷器的泄漏電流作為監測避雷器健康狀況的一種重要手段。

一般認為僅占總泄漏電流10%～20%的阻性電流的增加是引起氧化鋅避雷器劣化的主要因素，其中主要包括：瓷套內、外表面的沿面泄漏，閥片沿面泄漏及其本身的非線性電阻分量，絕緣支撐件的泄漏等。阻性電流大幅度增加可能是由于密封問題引起的濕度人侵或是氧化鋅閥片的過早老化，而阻性電流的瞬態上升則是由氧化鋅閥片溫度的臨時升高引起的主要原因。所以從總泄漏電流中準確提取其阻性電流才是判斷避雷器運行狀況的關鍵。

氧化鋅避雷器絕緣性能下降的因素主要有兩個：氧化鋅閥片老化和受潮。[7]氧化鋅閥片老化使其非線性特性變差，主要表現為在系統正常運行電壓下阻性電流高次諧波分量顯著增大，而阻性電流的基波分量相對增加較小；[8]受潮的主要表現為在正常運行電壓下阻性電流基波分量顯著增大，而阻性電流的高次諧波分量增加相對較小。[9]針對這樣的特性，對避雷器進行阻性電流的監測如果只監測阻性電流的基波分量或只監測阻性電流高次諧波分量都不能準確地反映其運行狀況。因此在本項目中采用的是諧波分析法監測避雷器阻性電流的原理。即通過對電壓、電流波形數據進行分析、計算，得出其阻性電流基波分量和各次諧波分量及變化，通過比較和綜合判斷才能實現對避雷器運行狀況的監測。

1.2 沖擊電流峰值評價避雷器狀態基本原理

避雷器標稱放電電流是用于劃分避雷器等級的，它是避雷器最基本的技術參數之一，以8/20波形的雷電沖擊電流峰值表示。根據國標《交流無間隙金屬氧化物避雷器GB11032》中規定：避雷器應能耐受20次峰值等于避雷器標稱額定放電電流而波形為8/20的雷電沖擊電流試驗，20次沖擊后避雷器不擊穿、不閃絡、不損壞。而放電電流遠小于標放電流時，基本上不會對避雷器有影響。

帶間隙金屬氧化物避雷器避免了工頻電壓長期作用下的老化問題，其運行狀態及累積的沖擊破壞與沖擊電流的時間和幅值有關，引起沖擊破壞的時間和放電電流幅值成反比。[10]按照國標的要求，避雷器放電電流峰值大于標放電流的次數大于20次時就需要進行告警和指示。所以通過避雷器的放電電流峰值及大于標放電流的次數，對于評價避雷器的運行狀態，特別是針對有間隙的避雷器具有重要的價值和參考意義。

1.3 輸電線路避雷器在線監測實現方案

1.3.1 整體架構

本系統的整體實現方案分為現場在線監測終端和后臺主站采集分析系統兩個部分組成。其中終端采用嵌入式系統，自動采集輸電線路避雷器各種監測數據，包括：避雷器泄漏電流信息、雷擊時沖擊電流大小、動作次數、動作時間、環境溫度、濕度等信息，并進行數據處理、存儲和發送。后臺系統主要負責接收所有前端發送的在線測數據，并完成綜合計算、顯示存儲、趨勢分析、數據庫以及報警管理等任務。同時主站系統實現與其它相關系統的接口，實現數據的共享和綜合分析。

1.3.2 電流傳感器的選型設計

在本項目中，需要測量泄漏電流和雷電沖擊電流峰值，實現輸電線路避雷器的在線監測，測量數據的要求見表1。

根據1中測量數據對傳感器的要求，在本項目中對于采集的數據采用三個電流傳感器以采集不同的數據。三個傳感器的選擇見表2。采用三個一組的電流傳感器既保證了微小泄漏小電流的采集精度，又保證雷電沖擊大電流的采集，三個采集通道，功能互不影響。

1.3.3 泄漏電流采集設計方案

泄漏電流的采集采用了電磁式穿芯小電流傳感器，選用起始導磁率高，損耗小的坡莫合金做鐵心。該傳感器能夠準確檢測100 uA～100 mA的工頻電流。相位變換誤差≤0.05 °，具有極好溫度特性和電磁場干擾能力，完全滿足復雜現場干擾下的設備取樣的精確度要求。

傳感器輸出電流信號首先經過運放組成的I/V變換電路變成電壓信號，電壓信號經過RC濾波后，再通過一級運放進行放大。由于設計中采用CPU片內A/D進行采集，其電壓輸入范圍為0～3.3 V，因此運放的輸出信號需經過1.8V直流平移電路后，才能輸入CPU片內A/D進行采集。I/V變換電路由運放組成，電路同時采用了直流負反饋設計，只對交流電流信號進行放大，對直流信號進行抑制。I/V變換原理如圖1所示。

通過電流傳感器獲得流過避雷器的總電流信號，獲得避雷器運行參考電壓信號，利用采集裝置將此時域波形同步地轉換為數字化離散信號，然后將兩個離散數字波形信號經離散傅里葉變換（DFT）或快速傅里葉變換（FFT），求出電壓、電流的各次諧波相角，進而從總泄漏電流中分離出阻性電流基波值和阻性電流各次諧波值，針對輸電線路避雷器在線監測的特點，采用離散傅里葉變化的方法，此種方法相對FFT具有高效、省時、運算速度快等特點。

已知一組數字信號記錄x（n），長度為M，則x（n）的N離散傅里葉變換為：

X（k）=DFT[x（n）]=，k=0，1，…N-1 （1）

其中，=cos（）-jsin（）

（2）

將（3-2）帶入公式（3-1）可得：

X（k）= DFT[x（n）]=

，k=0，1，…N-1 （3）

公式（3）中，k=1代表基波，k=2代表2次諧波，k=N代表N次諧波。

X（k）可以分成實部R（k）和虛步I（k）分別求和，則一次諧波（基波）幅值計算公式為：

A（1）= （4）

同理，K次諧波的幅值計算公式為

A（k）= （5）

在計算阻性電流時，設電壓基波矢量U=A+Bj；電流基波矢量A（1）=R（1）+I（1）j；可以求出兩個向量間的夾角w，則基波阻性電流分量為：A（1）*cos（w）；其它諧波阻性分量計算方法類似。

上文中描述的方法是可以從總泄漏電流中分離出阻性電流基波值、阻性電流各次諧波值和總阻性電流值。通過對阻性電流基波值、諧波值和總阻性電流值的監測，與系統歷史采集數據的縱向比較，可全面地評價避雷器的運行工況。當避雷器阻性電流值發生變化幅度較大時，應當注意其運行情況，避雷器就可能存在潛在的隱患。當避雷器在系統正常運行電壓下阻性電流高次諧波分量顯著增大，但基波分量相對增加較小時，可以判斷避雷器的氧化鋅閥片可能存在老化現象；而在正常運行電壓下阻性電流基波分量顯著增大，而高次諧波分量增加相對較小時，一般可以判斷避雷器的氧化鋅閥片可能受潮。

根據上文中的分析，必須要同步采集電流信號以及電壓信號。但在高壓輸電線路桿塔上采集電壓信號不僅會給輸電線路帶來安全隱患，并且會增加終端安裝的現場實施難度，所以在同步電壓信號采集上利用GPS時鐘采用同步采集的方案。

在變電站內安裝PT電壓采集裝置，該裝置配置有GPRS通信模塊和GPS模塊。由于GPS模塊有高精度的秒脈沖信息輸出，包括秒脈沖信號和相應的時間信息，根據設置的固定的采集周期，輸電線路避雷器在線監測裝置和站內PT電壓采集裝置采用秒脈沖的上升沿產生中斷，這樣可以保證兩個采集單元在同一秒脈沖時刻同步采集，同步誤差保證在0.5 us以內。數據采集完成后，兩個采集單元通過GPRS網絡將數據上送到上位機監控軟件，由上位機監控軟件通過計算得到阻性電流基波值以及各次諧波值。同步采集的原理圖如2所示。

1.3.4 沖擊電流峰值采集設計方案

沖擊電流峰值的測量采用羅戈夫斯基線圈（羅氏線圈），利用被測電流產生的磁場在線圈內感應的電壓來測量電流。一次側為單根載流導線，二次側為羅戈夫斯基線圈。因為所測電流的等效頻率很高，所以采用空心的互感器，這樣可以避免鐵心飽和所帶來的損耗及非線性影響。

由于沖擊電流持續時間段、變化快，只需測量沖擊電流的峰值。因此，傳感器信號經前置調理電路送入保持電路作電壓信號保持，以保證A/D能夠采集到峰值電壓信號，保持電路由整流橋，電容，電阻分壓組成。傳感器輸出電流信號先通過電阻轉換成電壓信號，再通過整流橋把傳感器輸出的正負極性沖擊電流信號整流成正極性沖擊電壓，用此電壓對電容進行充電。當被測一次電流到峰值時，電容電壓也會相應充電到峰值電壓，而當被測一次電流從峰值在20 us內變化到0 V時，整流橋由于輸出電壓比輸入電壓高而斷開，與電容并聯的放電回路電阻選擇兆歐級，可以讓電容電壓從峰值放電到0 V的時間為幾十個ms，從而保證CPU能對峰值電壓進行采集和記數。峰值保持電路原理圖如圖3所示。

設計中分大小沖擊電流采集，所以要分別裝2個獨立的沖擊電流傳感器，小沖擊電流起始點為±50 A，CPU只需根據中斷信號對其記數即可，不需要做采集；大沖擊電流起始點為±4KA，CPU根據中斷信號對其記數的同時，還要采集峰值電壓大小，然后再由后臺軟件換算成實際沖擊電流峰值大小。

1.4 相關試驗

為了驗證終端設備的各項功能性能指標，在項目的相關試驗中采用分流器—示波器測量法來測量沖擊電流的準確性，測試原理如圖4所示。其中RS為分流器，則沖擊電流的實際值為：

其中：u1為示波器測得分流器RS兩端的電壓值；

RS為分流器RS的阻值，本實驗選用的分流器的阻值為0.1 mΩ。

沖擊電流測試數據見表3，泄漏電流測試數據見表4，通過測試可以得出，終端的各項技術指標均滿足要求。

2 結論

輸電線路避雷器由于安裝位置、運行環境、維護方式等因素的特殊性，一直都沒有一種有效的手段來評價避雷器的運行狀態。針對高壓輸電線路避雷器在線監測存在的各種困難和問題，本文在分析了傳統的避雷器在線監測實現原理的基礎上，提出了一種適合輸電線路避雷器的全運行狀態實時監測技術。本項目的研究實現了輸電線路避雷器的在線監測，減少了檢修和停電導致的經濟損失，使得輸電線路避雷器日常運維工作有據可依，提高電網運行的可靠性。

參考文獻

[1] 成永紅.電力設備絕緣檢測與診斷[M].北京：中國電力出版社，2001.

[2] 黃盛潔，姚文捷，馬治亮，等.電氣設備絕緣在線監溯和狀態維修[M].北京：中國水利水電出版社，2004.

[3] 蘇勝新，何金良，咸日常，等.線路用避雷器應用中的幾個關鍵問題[J].電磁避雷器，2000（4）：3-10.

[4] Ishida K， Dokai K. Development of a 500 kV transmission lines arrester and its characteristics[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1992，7（3）：1265-1274.

[5] Sakshaug E C. Metal oxide arresters on distribution systems fundamental consideration [J].IEEE Transmission on Power Delivery，1989，4（4）：2076-2089.

[6] 潘翔.金屬氧化物避雷器在線監測系統的研究[D].合肥工業大學，2013.

[7] 周龍，陳繼東.金屬氧化鋅避雷器檢測與診斷技術中的信號處理方法分析[J].電瓷避雷器，1997（4）：29.

[8] Li Yan-yong，Li Sheng-ta0，Li Lei，Liu Fu—yi.An automatic measuring device based on Pc for MOAsaging test[J].Properties and Applications of Dielectric Materials，2000.Proceedings of the 6th International Conference on，2000，6（2）：1026—1028.

[9] 周龍，陳繼東.MOA多元診斷參量有效性的模糊星座聚類分析[J].高壓電器，2000（1）：54-56.

[10] 吳維韓，何金良，高玉明.金屬氧化物非線性電阻特性和應用[M].北京：清華大學出版社，1998.