避雷器的智能在線監測系統設計研究

江 玉，潘俊銳，史經威

（安徽送變電工程有限公司，安徽 合肥 231299）

0 引 言

避雷器的主要功能是通過放電的方式釋放過電壓，以確保電子設備的穩定運行。當避雷器處于工作狀態時，其泄漏電流和工作電壓等參數被視為評估設備運行狀況的關鍵指標。經由數據分析找出避雷器出現問題的根源，可以確定系統監控路徑，并實時追蹤設備運行狀況。此外，能夠實時監測避雷器在運行過程中可能遇到的風險，從而降低設備故障發生的可能性。利用模塊化設備與避雷環境預警監測設備的統一管理系統，能夠立即采集、提交并規避避雷器的運行風險，從而保證避雷器能夠在合適的環境下運行，延長其使用年限。

1 避雷器及其智能在線監測系統的相關闡述

經過多次科技創新與優化，避雷器已逐步發展為現今廣泛應用的金屬氧化物設備，不僅是科技進步的體現，更是對傳統避雷器的升級改造，充分滿足各領域對避雷器的需求。值得注意的是，當前市場上主流的氧化鋅避雷器能夠在操作期間即時監控漏電流，且其內部通常裝有在線監測設備，實現了真正意義上的在線檢測。然而，避雷器的在線監控系統尚未實現24 h 全方位監控，因此深入研究避雷器智能在線監控系統設計方案顯得尤為重要。

在搭建并改進避雷器實時監測系統的過程中，研究人員從多個角度進行深入探討。通過改進模塊，提高避雷器在線檢測系統的效能，確保實現實時遠程監控；通過實時監測避雷設備工作狀態，掌握設備運行情況，并將相關信息及時傳遞給控制系統，系統內部檢測員可根據獲取的實時數據做出相應處理。科研人員解讀數據后，將最終成果呈現給決策層，進而根據設備發展狀況對其進行升級改造或內部部件維護。在設計避雷器智能化在線監控系統時，必須全面評估其工作環境，并特別關注避雷器自身的物質條件和內部結構限制[1]。例如，避雷設備的工作環境應保持在特定溫度范圍內，或遵循特定濕度規定。

2 避雷器的智能在線監測系統設計思路

在構建避雷器智能在線監測系統的過程中，通過計算機即時跟蹤數據避雷器漏電流，深入剖析其影響因素，能夠有效把握避雷器的運行狀況，從而做出精確且全面的評估。常見的避雷器監測方法包括諧波法、泄漏電流法以及補償法等。

為提升避雷器智能在線監測系統的監測精確度，須嚴格把控監測誤差，特別是電磁場對監測點的影響和高次諧波對監測結果的影響。因此，應深入研究電磁場干擾處理方法，實現電纜線的有效屏蔽。通常，采用靜態測量相間電容處理方法，并利用智能化軟件分析電壓的高次諧波變化。各類監測方法各有特點，但在整個流程中具有共性。同時，概括和整理電壓互感器（Potential transformer，PT）的電壓參照信號，PT 的相移和負荷關系變化有助于提高監測精確性和準確性，避免相移問題帶來的負面影響。此外，需要全面評估多種電流方法的重要性，如總泄漏電流法等，通過實時的數據分析和處理，監測避雷器運作狀況[2]。

借助光纖技術，通過智能電網的在線避雷器檢查系統，可以進行遠距離的信息交流，使控制中心（非現場）可以及時、準確地收集避雷設備的工作狀況。通過科學的方法評估避雷設備已存在的問題，并預見未來可能出現的問題，深入了解問題特征、種類、嚴重程度及根源，揭示問題產生與演變方向。通過有效管理避雷器故障進程，實施相應策略解決避雷器問題，防止電力系統出現故障，保障高壓設施的安全性和穩定性，有利于變電站和整體電力系統的平穩運作。

該系統的最大檢測漏電量可達10 mA，符合我國1 000 kV 避雷器在超高電壓線路的檢查需求，同時精確性超越傳統方法5 倍，系統管理員能實時獲取現場避雷器的運作情況。

3 系統硬件電路設計

3.1 電流采樣電路設計

文章的重點是探討避雷器在線監測系統的監測手段，其中許多功能是通過軟件分析來完成的，所以硬件電路的設計相對較為簡單。但由于氧化鋅避雷器（Metal Oxide Arrester，MOA）的阻抗泄漏電流相對較小，因此對其硬件電路的功能要求相對更高。為確保測試數據的精度和一致性，所選硬件設備須具備較強的靈活性、較小的溫差以及較大的共模抑制系數，不僅可以消除外界因素的干擾，還能夠減少信號偏差[3]。

電流采樣電路利用高容量和低電壓的氧化鋅電阻片來創建過電壓的排放通道；調整避雷器的泄露電流，以保證數據的精確度（誤差不超過0.05 mA）。同時，設計了前端壓敏電阻和電壓脈沖抑制器等防護裝置，以確保系統的穩定性。

Proteus 是專門為下位機電子系統的構建與生產而開發的軟件。首要步驟是根據電流采樣電路設計和模擬，然后使用Proteus 軟件的ARES 工具將其輸入到原理圖中，從而產出與印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）有關的文檔，最終完成三維仿真。

3.2 光電轉換及信號處理電路設計

采樣電路將泄漏電流轉換為光脈沖信號，然后借助光纖送入光電轉換設備。在此過程中，紅外接收器將聲音轉化為電流，然后經過放大器的處理，這些信號最終送達主要的編碼和計算中心。信號處理中心基于編碼和計算中心，其中包含紅外接口電路、信號放大電路、信號跟隨電路、系統級芯片（System on Chip，SoC）、RS-485 通信接口電路以及電源電路等。

安裝Proteus 軟件后，在PCB 設計過程中，Proteus的封裝庫有時候難以檢索出預定的規格元素，如電阻、二極管以及一些普通的微控制器等，特別在光電轉換和信息處理電路的構建中。此時，應手動制作所需的元件封裝，制作過程可遵循以下幾步。首先，依據技術指南來確定元件的推薦尺寸；其次，使用游標卡尺來確定元件的實際參數；最后，Proteus 軟件完成并儲存中間系統到中間系統（Intermediate System to Intermediate System，ISIS）封裝庫的所有信息。

3.3 電源電路設計

鑒于常規智能控制設備結構簡便，能耗相對較低，常見的控制功率不超過200 W，故其系統電源由阻抗降低電路提供。然而，長距離數據無線傳輸可能需瞬間投入大量能源，同時高效繼電器在阻抗降低時提供的電力來源或顯不足。因此，選擇使用磁保持繼電器和12 V 開關電源模塊來設定該系統，以滿足高功率電流切換和節能的需求。

3.4 其他電路設計

針對控制設備的需求，在綜合考慮各類芯片存儲特性后，選用AT89C2051 與AT24C02 兩款芯片。前者由于“先擦除，再寫入”的操作模式和擦寫頻率限制，適用于處理不常變動的數據，如避雷器位置、放電時長等；后者表現出優秀的存儲性能，能保存電子參數測定結果[4]。

此外，控制設備需具備展示避雷器操作狀況、放電記錄、預警記錄等關鍵信息的能力，并執行RS-485通信和無線遠程傳輸任務。在此環境下，通信電路能完成基礎的通信工作，如獲取監控參數、調整系統參數及執行數據處理指令等；紅外接收與發送電路則有助于提高數據獲取和管理效率，并確保其穩定性。

4 上位機軟件設計

通過串口線，監測系統與專門的計算機串口（COM2）進行互動，將監測系統內顯示設備（或轉換單元）的RS-232 接口與安裝了應用軟件的計算機串口相連。RS-485 總線作為轉換器的交流手段，具有1 200 m 的傳輸距離。

整個系統的核心是上位機管理軟件，主要職責是實現人機交互，設計應考慮系統的總體架構、各級別上/中/下位機的特性、通信規則以及用戶需求。如果將管理工具安裝于遠程服務器，用戶就可以通過瀏覽網頁的方式，在局域網或者互聯網中實現遠程訪問，從而獲取并管理系統的信息。

使用VB 高級編程語言來構建上位機程序，其中監測數據呈現得非常明確，方便搜索與保存。程序整合了監控數據展示和參數管理的功能。監測數據呈現功能涵蓋過去的數據檢索、即時電流展示以及電流頻率展示，通過使用參數管理功能，用戶可以在軟件界面上迅速修改系統的所有參數，同時進行閱讀、移除、輸出以及復制等操作。

4.1 歷史數據的操作界面

使用鼠標點擊上位機管理軟件主頁面上的“瀏覽過去的信息”按鈕，即可瀏覽過去的信息。按下鼠標右鍵，在歷史數據的頁面中會展示菜單，點擊“清除數據”按鈕，就能清除所有歷史數據；點擊“輸出信息”按鈕，將全部的過去信息輸入Excel 工具欄，能夠利用Excel 的特性，實現對全部過去信息的復制、修改及打印等操作。

4.2 放電次數及時間查詢

該系統提升了避雷器放電頻率的顯示效果，并具備自動追蹤放電時間的功能，便于用戶實時查閱與使用。成功接入系統后，用戶可查詢放電次數和持續時間。在主界面，通過鼠標左鍵雙擊放電次數空白框，系統將自動計算相應位置的放電頻率和持續時間[5]。僅在成功連接且電流顯示情況下，可觀察到放電次數和時間，每次僅能觀察一個相位。系統具備42 次存儲能力，用于追蹤各相位放電時間，用戶可以對獲取的時間信息進行二次編輯。在收集結果界面，通過右鍵點擊，選擇“導出”按鈕，可將放電時間信息導入Excel 工作表，進而復制、修改及打印。在完成輸入和保存操作后，如果需要消除釋放電流，可返回主控制器主頁，點擊“系統管理”下的“消除釋放次數和時長”，系統將在5 s 內自動完成消除。

5 結 論

避雷器在線監測系統，作為智能電網的核心組成部分，致力于全面提升安全、科學及智能化水平，以適應智能電網的飛速發展。在這些設備中，通信、計算機及自動化等技術大規模應用，并與傳統檢測技術緊密結合，從而顯著提升檢測設備的智能水平。通過信息技術手段，能夠在系統中全方位預測潛在避雷器問題，給予必要的技術支持。在電力系統面臨停電風險時，能迅速采取相應措施，使無人值守電站變為現實。利用遠程數據收集，使系統完全信息化，極大地減少了事故的發生概率，從而保證電力系統的穩定性。