基于多傳感器數據融合的變電站避雷器底座絕緣電流監測系統研究

張 鑫，程瀟葦，姚心宇，陳俊杰，曾 楊，張 豪

（國網湖北省電力有限公司神農架供電公司，湖北 神農架 442400）

0 引 言

電力系統中，避雷器主要起到防雷作用，對于電力設備安全具有重要意義。避雷器底部安裝有底座，主要起到固定作用。底座一般由3部分構成，分別是絕緣瓷瓶、絕緣套以及金屬螺栓。由于避雷器長期在戶外運行，雨水和灰塵易通過縫隙進入內部造成螺栓生銹[1]。另外，熱脹冷縮作用也會導致絕緣套和瓷瓶出現不同程度的損壞[2-3]，進一步造成絕緣底座電阻下降，最終在站內避雷器監測系統后臺電流數值降低，影響避雷器的穩定性[4-6]。本文針對變電站避雷器泄漏電流問題，提出了一種解決方案。運用無線通信技術、數據融合、單片機等技術，設計了一套避雷器泄漏電流在線系統。通過在絕緣底座不同部位安裝多個電流傳感器，利用數據融合技術將多個傳感器檢測數據融合，從而得到最終的泄漏電流值，然后通過與系統設定閾值進行對比，從而啟動報警和采取安全措施。

1 系統組成

設計的避雷器泄漏電流在線監測系統主要由3部分構成——信號采集裝置、現場監控和后臺。現場監控模塊主要包括單片機、報警模塊和顯示模塊。電阻傳感器和濕度傳感器檢測的信號通過WiFi無線通信模塊傳輸給單片機，單片機通過綜合分析將檢測結果反饋給后臺監控，同時根據檢測結果發出控制命令來控制報警模塊動作。系統結構如圖1所示。

針對提到的避雷器內部進水問題，可以先做物理改造，在底座上預留幾個排水孔，同時合理設置電流傳感器的安裝位置。整個避雷器外觀機械圖如圖2所示，改裝后的避雷器絕緣底座外觀結構圖如圖3所示。

1.1 傳感器檢測終端

傳感器檢測終端包括絕緣電流檢測裝置和溫濕度檢測裝置。電流檢測傳感器位于絕緣底座下方，采用貼片安裝方式；溫濕度傳感器位于絕緣底座基礎鋼桿底部，采用貼片式安裝。通過電流傳感器和濕度傳感器監測鋼桿內部水汽濃度和泄露電流，并實時將傳輸結果發送至現場監控終端，實現遠程在線監測，確保避雷器安全運行。

1.1.1 電流傳感器檢測模塊

電流傳感器采用ACS712電流傳感器。該傳感器是由Allegro公司推出的一種線性電流傳感器，其傳感邏輯主要依靠內部的電流通路和線性霍爾傳感器電路完成，具有響應時間快、靈敏度高、低噪聲、誤差小、絕緣電壓高等特點，可滿足應用要求。

1.1.2 溫濕度傳感器檢測模塊

溫濕度傳感器主要安裝在絕緣底座基礎鋼桿底部，用來檢測鋼桿內部水汽濃度。根據現場實際情況和多方面比較，本文選用內部集成高分子材料的濕敏元件的DHT12溫濕度傳感器，具有體積小、低功耗、使用簡單等優點。該傳感器在吸濕后，介電常數發生明顯變化，可做成電容式濕敏元件。

圖1 系統結構圖

圖2 避雷器外觀機械圖

圖3 避雷器絕緣底座外觀結構圖

1.2 單片機控制模塊

采用單片機對信號進行綜合分析和發出控制命令。單片機選擇ATMEGA8L型號單片機。該電路由ATMEGA8L 單片機 U1，電容 C1、C2、C3、C4、C5，晶振Y1，電感L4組成。ATMEGA8L單片機是主控芯片，其端口功能齊全，接線簡單，內部集成程序下載接口、復位電路、濾波電路等多種功能，完全滿足系統設計要求。

1.3 報警模塊

當傳感器檢測的值超過系統設定的閾值時，系統會通過報警模塊報警。報警模塊主要采用聲音報警電路，工作原理比較簡單。當系統檢測值超過系統設定值時，單片機會第一時間進行綜合判斷，然后通過控制模塊輸出低電平信號，最終通過放大模塊產生聲音報警。現場采用蜂鳴報警裝置，遠方采用GSM短信報警。

2 避雷器絕緣底座電流監測數據融合

絕緣底座泄露電流檢測是通過安裝多個電流傳感器檢測避雷器底座，通過多傳感器數據融合獲得避雷器絕緣底座泄露電流進行綜合判斷。多數據融合方法步驟如下。

（1）采用離散小波變換實現信號濾波。信號x(t)的連續小波變換定義為：

其中：

表示小波基函數，x(t)是每個傳感器檢測的信號，ψj,n(t)是小波基數，j是尺度因子，n是平移因子。適當選擇母小波ψ(t)，可使ψj,n(t)及其傅里葉變換ψj,n(ω)同時具有較好的局限性，因此小波分析是時-頻分析。

在離散小波變換中，常用的離散方法是將j按冪級數離散，n在尺寸內均勻離散，信號x(t)的離散小波變換為：

（2）利用小波包能量譜方法對壓力信號和傾角信號進行分解處理，提取特征向量：

其中，Ej表示第j個傳感器頻帶能量，xjk(k=1,2,…,N)為信號Ej各離散點的值。于是，可計算所述各頻帶能量占總能量的百分比ei=Ej/∑En，其中En表示第n個傳感器頻帶能量，為穩定性診斷的輸入特征量。

（3）利用RBF神經網絡方法對輸電線路桿塔進行初步穩定性診斷。RBF神經網絡由輸入層、隱層和輸出層組成，完成非線性映射。

一般取：

其中，e為輸入向量，ωi是權值，ci和σi是基函數的數據中心和寬度，n為中心數目，φ(·)為徑向基函數，ω0表示偏差。

（4）利用貝葉斯推理實現對初步診斷結果融合，得出最終融合診斷結果：

其中，u(k)和un(k)表示二值函數；Pk(Hi/u1(k),…,ui(k),…,un(k))表示第k次量測下Hi的后驗概率（i=0.1）；H1表示目標存在該信號；H0表示目標不存在該信號。

3 避雷器絕緣底座泄漏電流檢測調試分析

根據模擬系統現場安裝的若干電流傳感器，通過數據融合技術融合后，最終得到避雷器絕緣底座泄露電流的G值。通過設定的閾值和數據融合得到的G值進行對比，從而實現現場報警和遠方短信報警。通過模擬施加的不同泄露電流值進行相應的試驗，實測的數據如表1所示。

從表1可以看出，通過選取的10個數據進行試驗，不同時間進行數據采集，然后將得到的數值G值同系統設定的閾值進行比較。當通過多傳感器數據融合獲得的G值超過閾值時，系統會自動啟動聲光報警裝置進行現場報警，同時通過GSM短信報警裝置發送短信給現場維護人員。其中，表1中，1～6的G值不超過閾值50，所以系統不發生報警；7～10的G值超過了閾值50，所以系統發生報警。這充分證明了所述系統良好的穩定性和精確性，現場實用性強。

4 結 論

避雷器在電網設備安全運行中占據重要地位，但其長時間運行后會出現老化現象。本文采用多傳感器信息與數據融合相結合的方法，檢測變電站避雷器底座絕緣電流檢測的可行性與有效性，結合實際案例和通過現場多次試驗，全面分析研究了變電站避雷器底座絕緣電流監測裝置，實現了對避雷器全方位的在線監測，解決了人工檢測解決不了的問題，對于電網的合理高效穩定運行具有重要意義。

表1 模擬施加的不同泄露電流值試驗的實測數據