基于無源無線智能型變電站避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究及應(yīng)用

云南電網(wǎng)怒江供電局 劉凡波 陳志喜

1 引言

我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展對電網(wǎng)的穩(wěn)定運行要求越來越高。近年來，南方電網(wǎng)公司新建了諸多變電站來滿足電力增長的需求，導(dǎo)致變電站內(nèi)金屬氧化鋅避雷器監(jiān)測的工作量增加，需要對諸多變電站的多個金屬氧化鋅避雷器進(jìn)行24h狀態(tài)監(jiān)測[1]。本文利用物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)開發(fā)變電站的金屬氧化鋅避雷器24h 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)與原普通監(jiān)測器不同在于，在監(jiān)測器內(nèi)安裝了避雷器全電流和諧波法阻性電流模擬測試電路、單片機(jī)A/D 轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、利用金屬氧化鋅避雷器泄漏電流充電和遠(yuǎn)程通信模塊，將避雷器的泄漏電流、阻性電流、放電次數(shù)和放電時間，無線遠(yuǎn)傳至后臺計算機(jī)。智能監(jiān)測裝置性能滿足JB/T-10492-2011《金屬氧化物避雷器用監(jiān)測裝置》及其中附錄C 中有關(guān)智能監(jiān)測裝置的技術(shù)要求。

2 氧化鋅避雷器在線監(jiān)測原理及技術(shù)分析

2.1 氧化鋅避雷器機(jī)理概述

金屬氧化物避雷器性能容易變差[2]。金屬氧化物避雷器在工作狀況之下接收不同的電壓差，必將導(dǎo)致金屬氧化物避雷器產(chǎn)生不同情況的劣化。金屬氧化物避雷器的劣化主要包括三方面：第一，內(nèi)部元器件老化；第二，金屬氧化鋅非線性伏安特性的電阻器值的變低；第三，外部絕緣橡膠護(hù)套的劣化。金屬氧化鋅非線性伏安特性的電阻器附屬于固體電解質(zhì)，在運行情況下主要來自電的劣化以及沖擊干擾，而低苯基硅橡膠屬于高分子化合物，在運行情況下主要碰到熱劣化及電暈劣化。

2.1.1 DC劣化機(jī)理

金屬氧化鋅非線性伏安特性的電阻器附在運行進(jìn)程中長時間接收標(biāo)稱電壓，在必定水平上也會導(dǎo)致金屬氧化鋅非線性伏安特性的電阻器附的劣化。當(dāng)DC內(nèi)部過電壓給予在金屬氧化鋅非線性伏安特性的電阻器附時，金屬氧化鋅非線性伏安特性的電阻器附里面的布局產(chǎn)生必然的更動。微觀方面，具有整流特性的金屬產(chǎn)生變異致使傾斜分布，致使傾斜劣化的電流-電壓曲線。

DC 不過0 的信號影響金屬氧化鋅非線性伏安特性的電阻器，grain boundary 處不斷有帶負(fù)電荷的帶電的粒子氣體從空間電荷區(qū)內(nèi)產(chǎn)生轉(zhuǎn)移而堆集，同時匯合處的帶正電荷的帶電的粒子氣體產(chǎn)生廓張。與grain boundary 層比較，空間電荷區(qū)電磁場較弱，沒有顯明的帶電的粒子轉(zhuǎn)移情況，相反帶電的粒子廓張在grain boundary 層中frequency很快，故產(chǎn)生帶正電荷的帶電的粒子氣體堆集及帶負(fù)電荷的帶電的粒子氣體廓張，整流特性的金屬高度都會因帶電的粒子轉(zhuǎn)移形成堆集或廓張而降低。同樣，帶電的粒子轉(zhuǎn)移也產(chǎn)生于加反向電壓grain boundary 層及空間電荷區(qū)中，有所區(qū)別的情況是產(chǎn)生在空間電荷區(qū)的帶電的粒子轉(zhuǎn)移，進(jìn)而產(chǎn)生高度降低的整流特性的金屬；產(chǎn)生在grain boundary層的帶電的粒子轉(zhuǎn)移，進(jìn)而產(chǎn)生高度上升的整流特性的金屬。但由于高度轉(zhuǎn)變量小于正向偏置，故而發(fā)生非對稱整流特性的金屬分布局面。

2.1.2 AC劣化機(jī)理

在AC電壓下較與DC劣化不同，金屬氧化鋅非線性伏安特性的電阻器附具備對稱轉(zhuǎn)變的電流-電壓曲線，很容易觀察到對稱轉(zhuǎn)變出自對稱轉(zhuǎn)變的雙整流特性的金屬。金屬氧化鋅非線性伏安特性的電阻器附接收AC電壓時，帶電的粒子在同樣強(qiáng)度的正、負(fù)電磁場下轉(zhuǎn)移速率及交換水平大致相同，可以認(rèn)為帶電的粒子密度一般不會變化，如此金屬氧化鋅非線性伏安特性的電阻器附特性曲線仍舊是對稱分布的。與此同時不一樣的是，空間電荷區(qū)內(nèi)的電磁場強(qiáng)度具有差異，主要是正向偏置電壓與加反向電壓不同。其中帶電的粒子轉(zhuǎn)移在電磁場較弱的正向偏置強(qiáng)度較弱，而加反向電壓帶電的粒子交換水平明顯較大，如此正加反向電壓帶電的粒子的轉(zhuǎn)移速率及堆集水平致使雙整流特性的金屬產(chǎn)生轉(zhuǎn)變，但這樣的轉(zhuǎn)換仍然維系對稱轉(zhuǎn)變，最終金屬氧化鋅非線性伏安特性的電阻器附產(chǎn)生劣化以至無效。

根據(jù)交、DC 劣化機(jī)理所知，全泄漏電流10%～20%的阻性電流的增多是引起金屬氧化鋅避雷器劣化的主導(dǎo)成分，因此從全泄漏電流里精確采集其阻性電流是分析金屬氧化物避雷器正常與否的重要步驟。

本項目采用物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)手段對變電站的金屬氧化鋅避雷器實時狀態(tài)監(jiān)測，采集到的信息用無線模式傳送到后臺，利用大數(shù)據(jù)智能處理方法來對金屬氧化鋅避雷器的實時狀態(tài)進(jìn)行實時掌控。研究人員為抑制變電站內(nèi)電磁干擾，影響阻性電流測量精密度及基波分量，研究開發(fā)出智能系統(tǒng)辨識法，從被影響的相應(yīng)電流中取出準(zhǔn)確的基波分量，進(jìn)而實現(xiàn)對金屬氧化鋅避雷器實時運行的故障監(jiān)測。

2.2 氧化鋅避雷器的常用監(jiān)測方法

現(xiàn)在慣用的氧化鋅避雷器遠(yuǎn)程監(jiān)控手段有總電流法、補(bǔ)償法、阻性電流三次諧波法、基次諧波法測阻性電流以及西林電橋介損測量法等。

2.2.1 總電流法

監(jiān)控氧化鋅避雷器上安全回路線中的全泄漏電流，經(jīng)過該泄漏電流的程度，來分析氧化鋅避雷器劣化情況的監(jiān)控辦法。總電流法測試是經(jīng)過在金屬氧化鋅避雷器的安全回路線串接在DC 或AC 毫安表,因此來測試總的泄漏電流。研究主要檢測金屬氧化鋅避雷器的老化或受潮問題，在氧化鋅避雷器劣化或受到潮濕時，阻性電流增多，從而全電流隨之增加。

2.2.2 補(bǔ)償法

經(jīng)過補(bǔ)償?shù)姆椒?對容性電流進(jìn)行補(bǔ)償，經(jīng)過取得系統(tǒng)標(biāo)稱電壓補(bǔ)償全泄漏電流的電容性電流的分量,因而只剩下電阻性電流的分量。

2.2.3 阻性電流三次諧波法

金屬氧化鋅避雷器具有良好的非線性特性，致使全電流里電阻性的分量不只包括有基波，并且還有3次、5次、7次、9次、11次，甚至更高次諧波，其所持分量順序逐步減弱。金屬氧化鋅避雷器泄漏電流里的3次諧波IR3是一個特征量，明銳地反應(yīng)氧化鋅避雷器的劣化以及問題。電阻性電流三次諧波法是將總電流流經(jīng)過BPF分析出三次諧波的分量,按照金屬氧化物避雷器的全電阻性電流與三次諧波電阻性分量中間具備的特殊的比值相關(guān)來獲得阻性電流最大瞬間值。

2.2.4 基次諧波法測阻性電流

測量時用電壓互感器測量電網(wǎng)電壓信號，用一個CT直接接在氧化鋅避雷器的安全回路線上，經(jīng)過相應(yīng)的計算可以測得阻性電流基波值，按照電阻性電流基波所持比值的轉(zhuǎn)變來分析金屬氧化鋅避雷器的運行情況。

2.2.5 西林電橋介損測量法

金屬氧化鋅避雷器閥片在單相小電流下的電路等效模型，其是由一個非線性電阻與線性電容并聯(lián)而成。通過長期的研究和積累經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，介損測量能夠有效判斷介質(zhì)受潮老化等整體劣化重要特征量。

3 變電站金屬氧化鋅避雷器無源無線智能型在線監(jiān)控性能研究

3.1 對金屬氧化鋅避雷器運行時的信號進(jìn)行智能化采集

信號采集技術(shù)是在線監(jiān)測儀的一個重要的技術(shù)，由于避雷器的泄漏電流為微安級，所以如何對信號進(jìn)行采集就是采集技術(shù)的關(guān)鍵點，擬采用穿芯式高精度電流互感器進(jìn)行采集。此外，對于如此微弱的電流信號，系統(tǒng)需要高精度的電路來對信號采集分析處理，確保數(shù)據(jù)的真實有效性。

3.2 對金屬氧化鋅避雷器時鐘模塊研究

基于高精度計時芯片DS1302Z，DS1302Z是低成本、高準(zhǔn)確度通用串行總線I2C 微小的脈沖電流充電低功耗及時時鐘模塊rtc時鐘，具備集成的全溫度補(bǔ)償石英晶體振蕩器和石英晶體。機(jī)件包括輸入端，中斷供電時依然維系精準(zhǔn)的記錄時間，并且提供商業(yè)級和工業(yè)級溫度范圍。集成的全溫度補(bǔ)償石英晶體振蕩器，提升了機(jī)件持久準(zhǔn)確度，縮小了裝配線的元器件使用量。

3.3 自動組建金屬氧化鋅避雷器實時狀態(tài)數(shù)據(jù)庫

站控層的裝備狀況測試與評價系統(tǒng)可以根據(jù)得到的裝備狀況數(shù)據(jù)，選取基于多數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)手段的集合評價模式，結(jié)合裝備的構(gòu)造特征和參數(shù)、工作狀況記錄以及環(huán)境成分，對裝備工作狀況和余下年限做出評價；對已然產(chǎn)生、正在產(chǎn)生或或許產(chǎn)生的問題進(jìn)行分析、判斷和預(yù)報，明確問題的性質(zhì)、類型、水平、原因，提出問題產(chǎn)生和變化的走向和其后果，指出限制問題變化和解除問題的有效方法，達(dá)到防止裝備事故產(chǎn)生，確保裝備安穩(wěn)、可靠、正常工作的目標(biāo)[3]。

3.4 對金屬氧化鋅避雷器運行情況進(jìn)行智能分析

選取最前線的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號措置補(bǔ)充計算方法，對包含強(qiáng)烈干擾信號的金屬氧化鋅避雷器泄漏電流信號，進(jìn)行數(shù)字自動化換算，選取措置器進(jìn)行數(shù)字處理濾波，用以提升濾波的特殊效果，避免模擬數(shù)據(jù)信號濾波器不易措置雜亂干擾信號的缺陷。

3.5 利用金屬氧化鋅避雷器的本體泄漏電流提供電源

研究人員利用金屬氧化鋅避雷器泄漏電流能量供電，設(shè)備里面沒有電池電源，無須外接太陽能板或者外部電源供電，當(dāng)金屬氧化鋅避雷器泄漏電流高于或者是接近120μA，避雷器監(jiān)測裝置就可以遠(yuǎn)傳此刻泄漏電流及雷擊動作次數(shù)，數(shù)據(jù)永不丟失。

4 無源無線智能型變電站避雷器在線監(jiān)測技術(shù)關(guān)鍵問題

4.1 強(qiáng)干擾環(huán)境下金屬氧化鋅避雷器微弱持續(xù)電流信號監(jiān)測與智能化采集

消除干擾的傳統(tǒng)手段是使用數(shù)字濾波和模擬濾波。但是傳統(tǒng)的極窄帶低通濾波器或者陷波器的時域響應(yīng)長，對于強(qiáng)干擾需要長時間才能夠得到穩(wěn)定的測量結(jié)果，為了降低濾波器的穩(wěn)定時間，考慮使用沖擊響應(yīng)長度有效的“矩形窗”濾波器，該濾波器的優(yōu)點在于不需要乘法運算，只需要不斷累加輸入信號就能夠?qū)崿F(xiàn)干擾消除，并完成直流信號的精確測量。

4.2 金屬氧化鋅避雷器內(nèi)部過電壓情況的準(zhǔn)確監(jiān)測

雷電擊中變電站內(nèi)設(shè)備具有不確定性，根據(jù)多年運行的經(jīng)驗證明，直接雷擊和過電壓對35kV 及以上的變電所內(nèi)裝備的破壞程度大。變電站內(nèi)帶固定無間隙避雷器。當(dāng)金屬氧化鋅避雷器受到直接雷擊時，雷電流流過導(dǎo)致的高電壓、大電流超出其53%沖擊放電電壓時，金屬氧化鋅避雷器的串聯(lián)無間隙氧化鋅閥片被擊穿，金屬氧化鋅避雷器跳動，金屬氧化鋅避雷器動作計算器進(jìn)行計數(shù)，導(dǎo)致裝備與接線間的電勢差低于絕緣子串的擊穿電壓，從而防止線路自動跳閘斷電，確保了供電的正常化[4]。

4.3 金屬氧化鋅避雷器實時狀態(tài)的智能分析

監(jiān)測到有強(qiáng)干擾變電站內(nèi)金屬氧化鋅避雷器的微小鏈接泄漏電流數(shù)據(jù)，含有隔壁相以及周邊高電壓與大電流的電磁場環(huán)境干擾進(jìn)來的煩瑣影響，就算母線取電壓數(shù)據(jù)，不足以分離出真正的阻性電流基波分量。因此，本項目針對該種干擾信號開展細(xì)致的鉆研，研究開發(fā)出一種智能系統(tǒng)辨識法，從被影響的相應(yīng)電流中取出準(zhǔn)確的基波分量，來實現(xiàn)對金屬氧化鋅避雷器實時運行的故障監(jiān)測。

5 結(jié)論

應(yīng)用金屬氧化鋅避雷器遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，運行人員無須到實施現(xiàn)場測試避雷器在線監(jiān)測儀的運行數(shù)據(jù)，即可第一時間獲取并查看相關(guān)數(shù)據(jù)，能夠給電力管理人員和現(xiàn)場工作人員的工作帶來便捷性，同時實現(xiàn)室內(nèi)和移動辦公，減少人力和物力，節(jié)約制造成本，提升了供電企業(yè)工作人員的工作效率。基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化避雷器遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對整條輸電線路避雷器智能化管理，保障電網(wǎng)的安全運行，推動智能電網(wǎng)的健康發(fā)展。