基于雷擊能量估計方法的氧化鋅避雷器在線失效預警裝置設計

楊慶林

摘 要：本文提出了一種估計氧化鋅避雷器所承受的雷擊能量大小的方法，闡述了氧化鋅避雷器的失效與其所承受的累積雷擊能量之間的關系；設計了一種通過檢測和累積避雷器的雷擊能量預測避雷器失效的在線裝置；設計了該在線預警裝置的功能及實現該功能的技術手段。

關鍵詞：雷擊；預警裝置；避雷器

1 概述

氧化鋅避雷器是一種在電力系統中得到廣泛應用的過電壓保護器件。由于氧化鋅避雷器長期工作于露天環境下的高壓線路上，容易產生失效和誤動作，從而威脅其它電氣設備的安全運行。對氧化鋅避雷器的定期檢查和維護，是采用離線方式，操作專用的檢測儀，判斷氧化鋅避雷器的性能好壞。這一方法不僅帶來繁重的勞動量，而且依據安裝使用時間的檢查規則也不科學。

氧化性避雷器的失效與其經歷的累積雷擊能量的大小強相關[1]，與其安裝使用的時間弱相關。本文設計了一種在線裝置，通過檢測和估算氧化鋅避雷器經歷的雷擊能量，累積雷擊能量并與先驗獲得的失效閾值相比較，當累積的雷擊能量達到閾值時，即判定避雷器將要失效，預警裝置發出預警信息，啟動避雷器的更換和維護工作。

2 雷擊能量估算

雷擊脈沖的捕獲和能量估計原理，可以用RC回路來比擬說明。當雷擊發生時，假設互感器二次線圈測得的電流脈沖有能量E如式（1）所示，電容捕獲雷擊脈沖能量，以電壓為U0的內電場形式存在如式（2）所示；當脈沖過后，能量泄放電流i如式（3）所示，檢測此泄放電流，然后按照式（4）可以估算出脈沖能量。

其中：為式（1）；為式（2）；為式（3）；為式（4）。

由于互感器一次線圈和二次線圈之間的電流關系是線性，實際氧化鋅避雷器承受的雷擊能量應該與式（4）的計算結果之間存在一個當量關系。這個當量關系可以在離線進行的雷擊試驗臺上，統計某型號的避雷器的失效雷擊效應時，通過回歸計算的方法得到，同時得到一個用于在線預警的閾值。

3 在線預警裝置的設計

3.1 雷擊能量檢測、轉換和計量

由于雷擊電流的不可預計的大電流，如圖1所示，電流互感器宜采用空心線圈才會在大電流時出現磁飽和；讓泄放電流導體穿過空心線圈電流互感器，當雷擊電流經過泄放導體時，互感器二次側獲得脈沖電流，此脈沖電流對雷擊能量吸收回路的電容器吸收，然后按照時間常數對電阻放電，并在4倍時間常數時結束。放電期間通過采集放電電阻上的電壓值，可以計算出相應的電流值。

3.2 在線預警裝置的電源設計

由于雷電時的電網過電壓，和復雜強大的電磁干擾，一般的電壓源型電源將引入很大的測量噪聲，因此合理的電源設計是利用電流互感器實現一個電流源型的電源如圖1所示。采用電流互感器供電的直流電源，變電站操作電源的應用中常采用鐵磁諧振交流穩壓器。由于電磁諧振交流穩壓器的電感要求，會導致電源的體積和重量很大，不適合一個微功率的在線電子裝置應用。為解決上述問題，為預警裝置設計了一個全電子器件的并聯穩壓電路。該并聯穩壓電路用電子元件實現了與鐵磁諧振穩壓器等效的直流穩壓輸出。為了保證供電的可靠性，可以設置完全相同的兩路互感器和穩壓電路在輸出端并聯。并聯穩壓電路的原理是，R1，R2構成檢測支路，當負載側的電壓低于設定的閾值時，調整開關斷開、電流源向負載側供電；當負載側電壓高于設定的閾值時，調整開關導通，電流源在電源側斷路形成閉合回路。為滿足不同檢測方案的電壓需求，可以在負載側設置相應的DC-DC變換器。隨著負載側功率消耗的變化，并聯調整開關的占空比會自動變化。

3.3 在線預警裝置的功能設計

（1）具有RS-485通訊接口，將預警信號向外傳輸；（2）具有I2RAM在掉電時存儲歷史數據記錄；（3）具有鍵盤顯示器接口，作為閾值設定和現場檢修時的查看；（4）單片機核心應該做電磁屏蔽設計。

4 結論

（1）本文提出了一種估計氧化鋅避雷器所承受的雷擊能量大小的方法，闡述了氧化鋅避雷器的失效與其所承受的累積雷擊能量之間的關系；設計了一種通過檢測和累積避雷器的雷擊能量預測避雷器失效的在線裝置；設計了該在線預警裝置的功能及實現該功能的技術手段；（2）本文提出的思路和方法在某型智能防雷漏電斷路器上的應用，收到了預期的效果，證明了本文設計的正確性和有效性；（3）當雷擊發生的時間間隔小于4倍的RC時間常數時，雖然波形會出現重疊，但是在系統為線性的假設為真時，并不影響能量雷擊的計算；（4）上述氧化鋅避雷器的在線預警裝置的設計思路，很可能會指導電力企業，徹底改變氧化鋅避雷器的應用管理，也可能引發避雷器生產廠家主動做避雷器和預警裝置的一體化設計，從而出現“智能避雷器”。

參考文獻：

[1]林維勇.從保護范圍及耐雷擊能量評價半導體消雷裝置[J].電網技術，1997.

[2]建筑物防雷設計規范，GB50057-94.

[3]李衛東.對氧化鋅避雷器報警電流參考標準值的建議[J].高壓電器，2003.

[4]黃宗杰.氧化鋅避雷器測試儀的設計[J].蘇州大學，2010.endprint