電纜終端避雷器監(jiān)測系統(tǒng)研究和開發(fā)

徐欣 操衛(wèi)康 李旭 廖家威

[摘? ? 要]在電力自動化水平逐漸提高的背景下，電力系統(tǒng)檢測和維護設(shè)備方法也在不斷提升，電力系統(tǒng)檢修和維護設(shè)備必然要向狀態(tài)檢修以及實時在線監(jiān)測的方向發(fā)展，檢修主要依據(jù)是在線監(jiān)測系統(tǒng)對設(shè)備進行實時監(jiān)控所測得的數(shù)據(jù)與大數(shù)據(jù)進行分析對比判斷設(shè)備是否正常運行，本文分析了電纜終端避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理、特點、系統(tǒng)設(shè)計等。

[關(guān)鍵詞]電纜終端;避雷器;在線監(jiān)測

[中圖分類號]TM862 [文獻標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）10–0–02

Research and Development of Cable Terminal Lightning Arrester Monitoring System

Xu Xin，Cao Wei-kang，Li Xu，Liao Jia-wei

[Abstract]Under the background of the increasing level of power automation， the power system detection and maintenance equipment are also constantly improved. The power system inspection and maintenance equipment according to the online monitoring system， the working principle and characteristics of cable terminal lightning arreter and further analyzes the hardware circuit design of cable terminal lightning arreter monitoring system.

[Keywords]cable terminal; lightning arrester; online monitoring

隨著計算機技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，在線狀態(tài)檢修方式運用得越來越廣泛。這種方式是對設(shè)備的狀態(tài)進行實時監(jiān)控，將所收集的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，為狀態(tài)評估和運維檢修提供依據(jù)。

1 電纜終端避雷器監(jiān)測系統(tǒng)的研究的意義

避雷器在電力系統(tǒng)中是十分重要的保護設(shè)備，它的正常運行對整個電力系統(tǒng)有著十分重要的意義。常見的氧化鋅避雷器因其保護特性好、通流容量大、結(jié)構(gòu)簡單可靠，獲得了廣泛的應(yīng)用。但仍存在部分不可避免的問題，避雷器閥片長時間直接承受工頻電壓，運行時總有微弱的電流流過閥片，久而久之部分閥片會出現(xiàn)老化、泄漏電流增大的情況。若不能及時發(fā)現(xiàn)，其會繼續(xù)惡化，嚴(yán)重的會導(dǎo)致閥片溫度升高，發(fā)生熱崩潰。此外，避雷器的工作環(huán)境通常為室外，整體密封性能較好，但長時間也會由于外部水分進入使閥片受潮、污穢增加、絕緣性能下降，加之長時間的工頻電壓施加，導(dǎo)致進一步劣化。

以上原因，都容易導(dǎo)致避雷器失效崩潰，無法起到保護作用，研究表明，避雷器出現(xiàn)上述異常時都會伴隨阻性泄漏電流的增加，相對于總泄漏電流以及容性泄漏電流變化十分明顯，現(xiàn)有的避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)雖然能夠做到監(jiān)測泄漏電流以及阻性電流的基本功能，但其系統(tǒng)存在體積大、安裝煩瑣、配套安裝設(shè)備多等不足。

2 相關(guān)技術(shù)的發(fā)展情況

目前避雷器在線監(jiān)測主要方法有全電流法、阻性電流三次諧波法、容性電流補償法、諧波分析法等。其中，全電流法無法對避雷器早期受潮老化等漸進影響進行監(jiān)測;阻性電流三次諧波法由于不同廠家的避雷器閥片存在差異，三次諧波與阻性電流值的函數(shù)關(guān)系各有不同，而閥片的老化前后又有所區(qū)別，對測量存在較大影響，容易形成誤判。容性電流補償法是通過硬件補償電路實現(xiàn)，精度受到采樣周期選點影響，容易出現(xiàn)頻譜泄漏導(dǎo)致測量誤差。而本研究采用諧波分析法，通過采集全電流和阻性電流等信號進行離散數(shù)字化，然后進行傅立葉變換在頻域中求得電流的基波、諧波的幅值和相位。諧波分析法相較于其他方法擁有穩(wěn)定性高、準(zhǔn)確靈敏以及受影響程度小等特點。

3 電纜終端避雷器監(jiān)測系統(tǒng)介紹

3.1 系統(tǒng)簡介

電纜終端避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)由避雷器在線監(jiān)測裝置、數(shù)據(jù)集中裝置、監(jiān)測平臺構(gòu)成，系統(tǒng)本地顯示和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)相互獨立，互不干擾（圖1）。

避雷器在線監(jiān)測裝置采集所監(jiān)測的避雷器數(shù)據(jù)通過Lora傳輸模塊將實時數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)集中裝置。

數(shù)據(jù)集中裝置接收來自避雷器在線監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)發(fā)至監(jiān)測平臺，一臺數(shù)據(jù)集中裝置可接收多臺避雷器在線監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)。

監(jiān)測平臺對避雷器在線監(jiān)測裝置采集到的避雷器實時數(shù)據(jù)進行展示。

3.2 避雷器在線監(jiān)測裝置電路設(shè)計

避雷器在線監(jiān)測裝置的硬件電路主要有泄漏電流輸入整流電路、本地顯示電路、超級電容泄漏電流充電電路、繼電器電源控制電路、繼電器計數(shù)控制電路、運放控制電路、隔離電源電路、一路運放電路、二路運放電路、三路運放電路、單片機電路、Lora傳輸電路（圖2）。

避雷器在線監(jiān)測裝置串接在避雷器與大地之間，通過避雷器的泄漏電流給裝置供電，無雷擊時泄漏電流無法通過閥片，從而流入監(jiān)測電路的泄漏電流輸入整流模塊。然后流經(jīng)本地顯示模塊，毫安表顯示實際泄漏電流值。

泄漏電流經(jīng)過本地顯示模塊對超級電容泄漏電流充電模塊進行充電，充至一定電量的超級電容，結(jié)合運放控制繼電器電路以及繼電器控制電源輸出模塊，以實現(xiàn)對整個裝置的供電。

泄漏電流輸入整流模塊將整流后的信號輸入高頻信號處理運放電路1、2，高頻信號處理運放電路1、2使用隔離電源模塊提供的隔離電。高頻信號處理運放電路1、2采用諧波分析法，不從PT取信號，安全可靠。

諧波分析法得到的數(shù)據(jù)進入單片機模塊，經(jīng)過單片機的處理后通過Lora傳輸模塊無線傳輸至數(shù)據(jù)集中裝置。

3.3 數(shù)據(jù)集中裝置電路設(shè)計

數(shù)據(jù)集中裝置硬件部分分為電源模塊、Lora接收模塊、藍牙模塊、傳輸模塊、單片機模塊等（圖3）。

Lora接收模塊接收來自避雷器在線監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)然后傳輸至單片機進行處理。

藍牙模塊通過單片機控制與移動設(shè)備進行交互，將數(shù)據(jù)展示在移動設(shè)備端。

傳輸模塊將單片機處理好的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸至監(jiān)測平臺。

單片機模塊對來自避雷器在線監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)進行多渠道轉(zhuǎn)發(fā)。

4 影響監(jiān)測結(jié)果的因素

4.1 電網(wǎng)諧波

在電網(wǎng)中，諧波電壓是不可避免的，根據(jù)國際對電能質(zhì)量的規(guī)定，在電力系統(tǒng)正常運行時，允許存在5 %以內(nèi)的諧波分量。在處于較高電力系統(tǒng)諧波分量時：首先，在諧波電壓作用下所產(chǎn)生的諧波電流和由基波電壓作用在避雷器非線性閥片上產(chǎn)生的反應(yīng)閥片非線性的諧波電流，會產(chǎn)生比較復(fù)雜的交叉關(guān)系，造成提取反應(yīng)避雷器閥片劣化，很容易引起基波電壓作用下產(chǎn)生諧波電流。其次，在系統(tǒng)諧波作用下，泄漏的電流很容易產(chǎn)生容性諧波電流，并且這種容性分量的比重較大。

4.2 相間干擾

在三相避雷器并列運行時，各類避雷器之間會存在雜散電容，在相間雜散電容下各類避雷器之間就有了電氣聯(lián)系。也就是說，各相避雷器不僅會受到自身相電壓作用的影響，還會在相間雜散電容的作用下受到相鄰電壓的作用，他們之間的距離和電壓等級影響著這種作用的效果，在避雷器底部泄漏電流和單獨一相運行時其幅值和相位都會發(fā)生一定的變化。

4.3 避雷器的污穢泄漏電流對避雷器閥片泄漏電流的影響

在避雷器表面存在污穢時，氧化鋅避雷器的等效電路就相當(dāng)于在非線性電阻旁邊并聯(lián)了一個分流電阻，這時在避雷器接地線上測得的泄漏電流就包含了避雷器表面污穢層的電阻產(chǎn)生的沿面泄漏電流。針對這種干擾因素，可以在避雷器底座上安裝屏蔽回流環(huán)，這樣沿面電流就不會經(jīng)過下引線入地，就不會影響閥片泄漏電流檢測的結(jié)果。

4.4 電壓波動對避雷器在線監(jiān)測的影響

在電力系統(tǒng)運行過程中，很容易出現(xiàn)電壓波動，關(guān)于電能質(zhì)量，國標(biāo)對電壓波動的范圍也是有一定規(guī)定的，根據(jù)電壓等級和負(fù)荷性質(zhì)的不同，在電壓產(chǎn)生波動時，避雷器的泄漏電流也會發(fā)生相應(yīng)的波動，隨之監(jiān)測到的趨勢曲線也會發(fā)生波動?；谶@種情況，可以利用避雷器同一時刻的監(jiān)測值進行橫向比較，來排除這種干擾。

5 結(jié)束語

在現(xiàn)有研究理論的基礎(chǔ)上，筆者介紹了電纜終端避雷器監(jiān)測系統(tǒng)研究的意義、相關(guān)技術(shù)情況、系統(tǒng)原理和實現(xiàn)方式，為保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供了一定的參考。

參考文獻

[1] 朱露露.避雷器智能在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].合肥：安徽建筑大學(xué)，2021.

[2] 關(guān)偉良.輸電電纜避雷器運行故障的原因分析及狀態(tài)監(jiān)測[J].農(nóng)村電氣化，2020（12）：36-37.

[3] 林肖斐.福州地區(qū)避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[D].福州：福州大學(xué)，2017.