新型配電網智能防雷絕緣子的研制

單林森，黃建楊

（1.國網浙江省電力有限公司紹興供電公司，浙江 紹興 312000；2.國網浙江諸暨市供電有限公司，浙江 諸暨 311800）

0 引言

配電網絕緣水平較低，無論是感應雷還是直擊雷都會對配電網架空線路和設備產生嚴重威脅，供電可靠性難以得到保證。對于配電網架空線路本身而言，雷擊后的故障基本上發生在絕緣子處，擊穿絕緣子后，雷電流通過桿塔入地，從而引發后續工頻電流接地或相間短路故障，進一步造成斷線、瓷瓶破裂等影響供電的事故發生[1]。為此，國內外研究機構多年來研制了很多配電網防雷產品[2]，絕大部分都是圍繞防止絕緣子發生閃絡展開研究，如各種結構的帶串聯空氣間隙的金屬氧化鋅避雷器、絕緣子兩端并聯空氣間隙等，這些產品和設備在實際運行過程中發揮了較好的效果。但配電網由于點多面廣，施工、安裝、運行維護等工作往往存在諸多問題，導致防雷效果大打折扣。在雷雨天氣時，許多其他原因如零值絕緣子、線路運維不到位等引起的配電線路故障，由于缺乏有效的判別手段，經常會將其歸結為雷擊引起，從而造成后續治理措施出現偏差，不能對癥下藥。雖然目前有雷電定位系統輔助，但由于其主要面向主網，且定位精度不高[3-4]，對配電網故障是否由雷擊引起的識別和診斷支撐作用有限。

目前國內已有機構和廠家研制出一種一體式防雷絕緣子，將絕緣子支撐件和金屬氧化鋅閥片串聯來代替絕緣子使用，固定了雷電放電通道，從而避免了大量的防雷失敗問題。但防雷絕緣子是否雷擊動作、其本身是否在雷擊后損壞等狀況仍然需要通過人工巡檢進行排查。在監測雷擊動作方面，國內目前已實現的方式主要為電子式放電計數器，通過傳統通信模式傳輸雷擊動作信號，其功能僅僅實現了雷電動作次數的計數和動作信號遠程傳輸，無法診斷雷擊后防雷裝置是否損壞，不具備故障識別功能。同時由于該類電子式放電計數器屬于分體式結構，在復雜的配電線路上安裝局限性很大，實用性不強。

為解決雷擊容易造成配電網絕緣子故障問題，同時實現防雷絕緣子雷擊動作情況和其自身在雷擊后的運行狀態監測，本文利用NB-IoT（窄帶物聯網）通信技術高性價比、低功耗、廣覆蓋、遠距離信號傳輸的特點[5]，對一體式防雷絕緣子進行改造，實現在線取電、雷電放電動作告警、雷電流和故障電流波形采樣、自我狀態診斷，并利用NB-IoT 模塊將各種狀態信息與云平臺進行通信，設計和實現了一款一、二次回路融合的智能防雷絕緣子，可直接代替配電線路的絕緣子使用，結構可靠，安裝簡單。最后，通過模擬雷電流沖擊、模擬故障電流關鍵功能試驗，對該裝置的可行性和實用性進行驗證。

1 智能防雷絕緣子設計

1.1 總體架構

（1）感知層：包括防雷絕緣子本體、羅氏線圈[6]、取電模塊、信號采集模塊、NB-IoT 通信模塊。根據防雷絕緣子特點，正常情況下無電流通過。雷擊電流放電時間為微秒級，若防雷絕緣子損壞，雷擊后會產生工頻續流，由此即可判斷防雷絕緣子氧化鋅模塊是否損壞。設備端內置NBIoT通信模組，可將雷擊次數、雷擊時間與防雷絕緣子氧化鋅模塊狀態實時上傳到客戶端智能絕緣子管理平臺。

（2）網絡層：通過NB-IoT 通信模組與云平臺實現數據的傳輸。云平臺提供相應的SDK 與API接口及應用層服務器通信。

（3）平臺層：實現所有硬件設備的數據采集和存儲，并提供開發接口。

（4）應用層：由防雷絕緣子管理平臺及配套手機APP 構成。實現設備無線組網、多級告警通知、多單位用戶支持、分級用戶管理、系統對接聯網等功能。可以隨時通過平臺連接的電腦端和移動端來實現移動遠程監控管理。

網絡架構如圖1 所示。

圖1 網絡架構

1.2 本體結構設計

NB-IoT 通信模塊功耗較小，預期電池壽命可達到10 年。考慮到裝置的可靠性，取電方案定為在線取電加內置電池方案。由于線路末端電流很小，如果在線路末段應用在線取電，取電線圈會非常笨重，且線路電流過小時無法取電[7-9]，影響防雷絕緣子的穩定性。同步設計太陽能取電，選取最大取電能力為160 mA 的長壽命太陽能板。裝置整體外形如圖2 所示，具體結構組成如圖3 所示。

圖2 一體式防雷絕緣子整體外形

1.3 感知模塊設計

圖3 一體式防雷絕緣子結構組成

本設計主要目的是實現雷電流采集和故障電流采集。基于羅氏線圈具有電流可實時測量、響應速度快、不會飽和、幾乎沒有相位誤差等特點[6]，電流采集傳感器采用羅氏線圈。將羅氏線圈嵌入在防雷絕緣子本體中，內部與二次回路相連接，自制羅氏線圈如圖4 所示。

圖4 羅氏線圈

羅氏線圈感應信號輸出到硬件濾波電路，濾波電路采用二階巴特沃斯濾波器濾除高頻干擾信號[10]。羅氏線圈輸出信號是電流對時間的微分，通過對輸出電壓信號進行積分，可以真實還原輸入電流。再通過運行放大器將積分輸出的電壓信號調整到A/D 轉換采集的電壓范圍內。

為降低設備運行功耗，防雷絕緣子在無雷電且無故障的情況下，一直處于待機狀態，當有雷電流產生時，濾波積分后的電流信號先通過一個窗口比較器以中斷的形式喚醒設備。喚醒后對積分放大的信號進行A/D 轉換采集，采集頻率設為1 μs 一次，當采集電壓連續小于最小閾值時，停止A/D 轉換，MCU 對采集的信號進行處理，判斷氧化鋅閥片是否故障。如果有故障發生，記錄故障狀態及時間，并通過NB-IoT 模塊將故障狀態與故障時間發送到服務器后臺，服務器后臺將接收數據保存，并發送到客戶端展示。

1.4 算法框架設計

如果氧化鋅閥片損壞，雷電沖擊閃絡過后，接續的工頻短路電流會沿雷電放電通道起弧燃燒[11]，工頻續流起弧燃燒，弧根在電磁力作用下可以沿著導體表面朝負荷電流流動的方向移動，直至開關開斷。MCU（微控制單元）先將A/D 轉換結果用DMA（直接內存存取）方式存入數組中，當A/D 轉換結束后，MCU 將數組中數據進行限幅消抖算法處理，防止偶然因素引起的電磁干擾對測量結果的影響。然后將處理過的數據與雷電標準電流波形比較，如判斷為非雷電，判斷電流持續時間是否大于故障電流閾值，對采集到的電流波形進行頻率計算，判斷是否為工頻短路電流頻率，若以上條件滿足，則判定為氧化鋅閥片故障，并記錄故障發生時間。算法框架如圖5 所示。

圖5 算法框架

2 模擬雷電流沖擊試驗

2.1 試驗說明

本試驗的目的是檢測防雷絕緣子在通過雷電流時，能否記錄下通過雷電流的波形及時間，驗證防雷絕緣子的采集、通信功能和其本身的防雷可靠性。

2.2 試驗情況

試驗電流幅值為4.95 kA， 波形為7.7 μs/21.48 μs，符合GB 11032-2010《交流無間隙金屬氧化物避雷器》[12]關于標準雷電流波形8 μs/20 μs的規定。由于NB-IoT 通信模塊無法直接傳輸波形數據，因此在試驗時，在硬件回路加入EEPROM16MB 存儲器，以方便讀取防雷絕緣子采樣數據和波形。沖擊電流試驗波形和防雷絕緣子采集電流波形對比如圖6 所示。

圖6 沖擊電流試驗波形和防雷絕緣子采集電流波形對比

2.3 后臺信號接收結果

當防雷絕緣子氧化鋅閥片正常時，采集到的是正常雷電波，后臺接收情況見表1。根據設備號可以確定發生雷擊的設備為哪一臺，其中避雷器狀態顯示為“正常”，雷電次數計數增加1 次。

表1 沖擊電流試驗后臺接收數據

3 氧化鋅閥片故障試驗

3.1 試驗說明

當防雷絕緣子未損壞時，通過雷電流后，采集到的波形應該為正常雷電波形，時間為微秒級。如果氧化鋅閥片損壞，采集到正常雷電波后，仍然會有持續的電流通過。因試驗條件有限，雷電流與故障電流不能同時進行試驗，本次單獨進行氧化鋅電阻片短接后的故障電流試驗。

3.2 現場試驗

防雷絕緣子的高壓端接工頻6 kV 電壓，低壓端接地，并將氧化鋅閥片短接，模擬氧化鋅閥片故障狀態，對形成短路后的電流情況進行實際測量，并與智能絕緣子采集到的電流情況進行對比，確認智能絕緣子能否接收到故障電流并做出故障指示，故障通過電流設置為0.2 s 后跳閘。現場試驗布置如圖7 所示，通過試驗系統軟件和防雷絕緣子讀取的波形如圖8 所示。

圖7 試驗場景

圖8 模擬接地故障時試驗電流與采集電流波形對比

3.3 后臺信號接收結果

當防雷絕緣子氧化鋅閥片損壞，采集到異常故障電流波形時，由NB-IoT 模塊發送避雷器故障狀態量，并在后臺直接顯示為“故障”，同時考慮到該結構避雷器閥片損壞原因絕大多數應為直擊雷引起，同步將雷電次數計數增加1 次，后臺數據如表2 所示。

表2 故障狀態后臺接收數據

4 試驗分析

防雷絕緣子由于本身的反應時間延遲，在雷電流沖擊試驗時并沒有捕捉到前端波形。由于濾波回路和喚醒時間延遲影響，導致防雷絕緣子讀取的波形失真，采樣存在漏點可能，無法準確讀取波長時間，但波形下降沿能較好地捕捉到一段。從波形比較來看，裝置從休眠狀態到喚醒時間應在8 μs 以下，電流峰值誤差為3%，NB-IoT通信模塊在大電流沖擊下工作正常，未出現二次回路損壞問題。試驗比對結果如表3 所示。

本次模擬氧化鋅閥片的故障，故障起始時間基本沒有誤差。裝置捕捉到了短路時的起始振蕩過程，根據氧化鋅避雷器截斷工頻續流的特性，不會超過半個工頻周期，也就是小于10 ms[13-15]，由于采樣頻率較高，因此設置采樣時間8 ms 后，采樣自動停止，并向后臺發送故障信號。本次測量電流峰值與施加電流峰值誤差為8.7%，電流波形與實際施加電流波形存在一定差異，原因是線圈為采集千安級的雷電流設計，誤差屬于可接受范圍之內，裝置能正確識別故障狀態，并通過NB-IoT 模塊傳輸至后臺，試驗數據對比如表4所示。

表4 模擬氧化鋅閥片故障結果比對

裝置可以采集的電流范圍在數安培至5 000安培之間，因此實際單相接地故障電流、相間短路電流以及雷電流均在可測量范圍內。本次試驗主要驗證裝置二次模塊性能，未進行更大沖擊電流的破壞性試驗。

5 結論

（1）本文設計和實現了一種新型配電網智能防雷絕緣子。該裝置適用于10～20 kV 配電線路，可代替線路絕緣子和各種線路防雷裝置使用。

（2）該裝置可實現自我狀態檢測，通過采集和積分回路判斷故障類型，準確實現雷擊記錄和故障判別，實際運行過程中，可通過對設備提前編號，如某某線某某桿某相防雷絕緣子，實現故障設備的精準定位功能。

（3）如二次設備損壞，并不影響裝置的防雷功能和絕緣子支撐功能，可結合維護計劃延后處理相關問題。

（4）線圈結構的一體式防雷絕緣子可加入對線路導線上電流的監測功能，可實現現有故障指示器及定位的所有功能。

（5）由于現場試運行設備尚未遭受自然界真實落雷，今后的運行數據可應用到感應雷或直擊雷的分析判斷中，同時采集雷電放電電流和工頻電流放電過程，為配電網防雷相關基礎理論和計算提供數據支撐。由于NB-IoT 模塊的應用，可實現海量數據互通互聯，擴展更多功能以后，可通過智能算法實現電網各個節點的狀態量和信息采集，簡化和優化配電網結構，提升配電網智能化水平。