吳清 王勇 黃松 唐祥炎 王思捷 余紅喜

摘 要：避雷器是電力系統(tǒng)重要設(shè)備之一，其性能的優(yōu)劣對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行起著很大作用，但輸電線路避雷器目前采用的定期預(yù)防性試驗(yàn)存在時(shí)限性及操作困難等問(wèn)題。針對(duì)輸電線路避雷器的特點(diǎn)，本文提出了基于泄漏電流和雷電沖擊電流測(cè)量的避雷器全運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)。通過(guò)采集泄漏電流評(píng)價(jià)線路避雷器的受潮、老化等狀態(tài)；雷擊時(shí)通過(guò)避雷器沖擊大電流的次數(shù)和峰值，它反映避雷器的剩余壽命以及是否需要預(yù)防性試驗(yàn)；沖擊小電流的次數(shù)，它可為雷電防護(hù)及雷擊事故分析提供極有價(jià)值的科學(xué)依據(jù)。本文研究成果對(duì)提升全網(wǎng)的故障預(yù)防及事故分析能力具有重要的積極意義，有利于提高輸電線路防雷水平及降低輸電線路雷擊跳閘次數(shù)。

關(guān)鍵詞：輸電線路 避雷器 沖擊電流 泄漏電流 在線監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TM86 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）10（a）-0071-05

避雷器主要是用于限制由線路傳來(lái)的雷電過(guò)電壓或由操作引起的內(nèi)部過(guò)電壓，是保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要保護(hù)設(shè)備之一，它的正常運(yùn)行對(duì)保證系統(tǒng)的安全供電起著重要作用。傳統(tǒng)的避雷器（分為保護(hù)間隙避雷器、管式避雷器、閥式避雷器）[1]使用時(shí)必須串聯(lián)間隙。60年代末、70年代初，日本率先研制出了金屬氧化鋅避雷器（MOA），從80年代開(kāi)始，在我國(guó)電力系統(tǒng)推廣應(yīng)用，并已成為電力系統(tǒng)的重要避雷設(shè)備。[2]

根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)行分析，在110～500 KV設(shè)備事故中，雷擊造成的輸電線路跳閘占總次數(shù)的第1位，已嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行。[3-5]輸電線路分布廣，地處曠野多，線路的雷害事故占很大比重，尤其是沿海地區(qū)表現(xiàn)尤為突出。線路落雷后，沿輸電線路傳入變電站的侵入波威脅到變電站內(nèi)的電氣設(shè)備，是造成變電站事故的重要因素。隨著社會(huì)發(fā)展，電力在人類生產(chǎn)、生活中發(fā)揮著不可替代的作用，因此，保證輸電線路的安全、穩(wěn)定與暢通也變得尤其重要。

目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)的研究現(xiàn)狀都還停留在基于泄漏電流的監(jiān)測(cè)上，避雷器的泄漏電流通常作為監(jiān)測(cè)避雷器運(yùn)行狀況的一種重要手段，但對(duì)于輸電線路上帶純空氣間隙的避雷器，在正常運(yùn)行中無(wú)泄漏電流通過(guò)避雷器，也就無(wú)法通過(guò)測(cè)量泄漏電流來(lái)評(píng)價(jià)避雷器的狀態(tài)。并且輸電線路條件復(fù)雜，很難進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)和帶電試驗(yàn)，所以在進(jìn)行泄漏電流在線監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，開(kāi)展基于避雷器雷電沖擊電流的在線監(jiān)測(cè)具有重要的意義和價(jià)值。

1 基本原理及實(shí)現(xiàn)方案

1.1 泄漏電流評(píng)價(jià)避雷器狀態(tài)基本原理

由于金屬氧化物有良好的非線性電阻特性，所以氧化鋅避雷器內(nèi)部沒(méi)有放電間隙。正是由于沒(méi)有放電間隙，在正常運(yùn)行中閥片長(zhǎng)期承受電力系統(tǒng)運(yùn)行電壓的作用，有泄漏電流不斷流過(guò)避雷器的各個(gè)串聯(lián)的氧化鋅電阻片，在加上內(nèi)部受潮或過(guò)熱等因素的影響，因而會(huì)造成閥片非線性電阻特性的劣化。這種劣化的主要表現(xiàn)是正常電壓下的阻性電流的增加，阻性電流的加大造成發(fā)熱量的增加，避雷器內(nèi)部溫度的上升，溫度的上升又加速閥片的老化，形成惡性循壞，最后導(dǎo)致MOA由于過(guò)熱而損壞，嚴(yán)重時(shí)可能引起避雷器的爆炸，引起大面積停電事故。[6]因此可以把測(cè)量避雷器的泄漏電流作為監(jiān)測(cè)避雷器健康狀況的一種重要手段。

一般認(rèn)為僅占總泄漏電流10%～20%的阻性電流的增加是引起氧化鋅避雷器劣化的主要因素，其中主要包括：瓷套內(nèi)、外表面的沿面泄漏，閥片沿面泄漏及其本身的非線性電阻分量，絕緣支撐件的泄漏等。阻性電流大幅度增加可能是由于密封問(wèn)題引起的濕度人侵或是氧化鋅閥片的過(guò)早老化，而阻性電流的瞬態(tài)上升則是由氧化鋅閥片溫度的臨時(shí)升高引起的主要原因。所以從總泄漏電流中準(zhǔn)確提取其阻性電流才是判斷避雷器運(yùn)行狀況的關(guān)鍵。

氧化鋅避雷器絕緣性能下降的因素主要有兩個(gè)：氧化鋅閥片老化和受潮。[7]氧化鋅閥片老化使其非線性特性變差，主要表現(xiàn)為在系統(tǒng)正常運(yùn)行電壓下阻性電流高次諧波分量顯著增大，而阻性電流的基波分量相對(duì)增加較?。籟8]受潮的主要表現(xiàn)為在正常運(yùn)行電壓下阻性電流基波分量顯著增大，而阻性電流的高次諧波分量增加相對(duì)較小。[9]針對(duì)這樣的特性，對(duì)避雷器進(jìn)行阻性電流的監(jiān)測(cè)如果只監(jiān)測(cè)阻性電流的基波分量或只監(jiān)測(cè)阻性電流高次諧波分量都不能準(zhǔn)確地反映其運(yùn)行狀況。因此在本項(xiàng)目中采用的是諧波分析法監(jiān)測(cè)避雷器阻性電流的原理。即通過(guò)對(duì)電壓、電流波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算，得出其阻性電流基波分量和各次諧波分量及變化，通過(guò)比較和綜合判斷才能實(shí)現(xiàn)對(duì)避雷器運(yùn)行狀況的監(jiān)測(cè)。

1.2 沖擊電流峰值評(píng)價(jià)避雷器狀態(tài)基本原理

避雷器標(biāo)稱放電電流是用于劃分避雷器等級(jí)的，它是避雷器最基本的技術(shù)參數(shù)之一，以8/20波形的雷電沖擊電流峰值表示。根據(jù)國(guó)標(biāo)《交流無(wú)間隙金屬氧化物避雷器GB11032》中規(guī)定：避雷器應(yīng)能耐受20次峰值等于避雷器標(biāo)稱額定放電電流而波形為8/20的雷電沖擊電流試驗(yàn)，20次沖擊后避雷器不擊穿、不閃絡(luò)、不損壞。而放電電流遠(yuǎn)小于標(biāo)放電流時(shí)，基本上不會(huì)對(duì)避雷器有影響。

帶間隙金屬氧化物避雷器避免了工頻電壓長(zhǎng)期作用下的老化問(wèn)題，其運(yùn)行狀態(tài)及累積的沖擊破壞與沖擊電流的時(shí)間和幅值有關(guān)，引起沖擊破壞的時(shí)間和放電電流幅值成反比。[10]按照國(guó)標(biāo)的要求，避雷器放電電流峰值大于標(biāo)放電流的次數(shù)大于20次時(shí)就需要進(jìn)行告警和指示。所以通過(guò)避雷器的放電電流峰值及大于標(biāo)放電流的次數(shù)，對(duì)于評(píng)價(jià)避雷器的運(yùn)行狀態(tài)，特別是針對(duì)有間隙的避雷器具有重要的價(jià)值和參考意義。

1.3 輸電線路避雷器在線監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)方案

1.3.1 整體架構(gòu)

本系統(tǒng)的整體實(shí)現(xiàn)方案分為現(xiàn)場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)終端和后臺(tái)主站采集分析系統(tǒng)兩個(gè)部分組成。其中終端采用嵌入式系統(tǒng)，自動(dòng)采集輸電線路避雷器各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括：避雷器泄漏電流信息、雷擊時(shí)沖擊電流大小、動(dòng)作次數(shù)、動(dòng)作時(shí)間、環(huán)境溫度、濕度等信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)和發(fā)送。后臺(tái)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)接收所有前端發(fā)送的在線測(cè)數(shù)據(jù)，并完成綜合計(jì)算、顯示存儲(chǔ)、趨勢(shì)分析、數(shù)據(jù)庫(kù)以及報(bào)警管理等任務(wù)。同時(shí)主站系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與其它相關(guān)系統(tǒng)的接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和綜合分析。

1.3.2 電流傳感器的選型設(shè)計(jì)

在本項(xiàng)目中，需要測(cè)量泄漏電流和雷電沖擊電流峰值，實(shí)現(xiàn)輸電線路避雷器的在線監(jiān)測(cè)，測(cè)量數(shù)據(jù)的要求見(jiàn)表1。

根據(jù)1中測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)傳感器的要求，在本項(xiàng)目中對(duì)于采集的數(shù)據(jù)采用三個(gè)電流傳感器以采集不同的數(shù)據(jù)。三個(gè)傳感器的選擇見(jiàn)表2。采用三個(gè)一組的電流傳感器既保證了微小泄漏小電流的采集精度，又保證雷電沖擊大電流的采集，三個(gè)采集通道，功能互不影響。

1.3.3 泄漏電流采集設(shè)計(jì)方案

泄漏電流的采集采用了電磁式穿芯小電流傳感器，選用起始導(dǎo)磁率高，損耗小的坡莫合金做鐵心。該傳感器能夠準(zhǔn)確檢測(cè)100 uA～100 mA的工頻電流。相位變換誤差≤0.05 °，具有極好溫度特性和電磁場(chǎng)干擾能力，完全滿足復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)干擾下的設(shè)備取樣的精確度要求。

傳感器輸出電流信號(hào)首先經(jīng)過(guò)運(yùn)放組成的I/V變換電路變成電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)RC濾波后，再通過(guò)一級(jí)運(yùn)放進(jìn)行放大。由于設(shè)計(jì)中采用CPU片內(nèi)A/D進(jìn)行采集，其電壓輸入范圍為0～3.3 V，因此運(yùn)放的輸出信號(hào)需經(jīng)過(guò)1.8V直流平移電路后，才能輸入CPU片內(nèi)A/D進(jìn)行采集。I/V變換電路由運(yùn)放組成，電路同時(shí)采用了直流負(fù)反饋設(shè)計(jì)，只對(duì)交流電流信號(hào)進(jìn)行放大，對(duì)直流信號(hào)進(jìn)行抑制。I/V變換原理如圖1所示。

通過(guò)電流傳感器獲得流過(guò)避雷器的總電流信號(hào)，獲得避雷器運(yùn)行參考電壓信號(hào)，利用采集裝置將此時(shí)域波形同步地轉(zhuǎn)換為數(shù)字化離散信號(hào)，然后將兩個(gè)離散數(shù)字波形信號(hào)經(jīng)離散傅里葉變換（DFT）或快速傅里葉變換（FFT），求出電壓、電流的各次諧波相角，進(jìn)而從總泄漏電流中分離出阻性電流基波值和阻性電流各次諧波值，針對(duì)輸電線路避雷器在線監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，采用離散傅里葉變化的方法，此種方法相對(duì)FFT具有高效、省時(shí)、運(yùn)算速度快等特點(diǎn)。

已知一組數(shù)字信號(hào)記錄x（n），長(zhǎng)度為M，則x（n）的N離散傅里葉變換為：

X（k）=DFT[x（n）]=，k=0，1，…N-1 （1）

其中，=cos（）-jsin（）

（2）

將（3-2）帶入公式（3-1）可得：

X（k）= DFT[x（n）]=

，k=0，1，…N-1 （3）

公式（3）中，k=1代表基波，k=2代表2次諧波，k=N代表N次諧波。

X（k）可以分成實(shí)部R（k）和虛步I（k）分別求和，則一次諧波（基波）幅值計(jì)算公式為：

A（1）= （4）

同理，K次諧波的幅值計(jì)算公式為

A（k）= （5）

在計(jì)算阻性電流時(shí)，設(shè)電壓基波矢量U=A+Bj；電流基波矢量A（1）=R（1）+I（1）j；可以求出兩個(gè)向量間的夾角w，則基波阻性電流分量為：A（1）*cos（w）；其它諧波阻性分量計(jì)算方法類似。

上文中描述的方法是可以從總泄漏電流中分離出阻性電流基波值、阻性電流各次諧波值和總阻性電流值。通過(guò)對(duì)阻性電流基波值、諧波值和總阻性電流值的監(jiān)測(cè)，與系統(tǒng)歷史采集數(shù)據(jù)的縱向比較，可全面地評(píng)價(jià)避雷器的運(yùn)行工況。當(dāng)避雷器阻性電流值發(fā)生變化幅度較大時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意其運(yùn)行情況，避雷器就可能存在潛在的隱患。當(dāng)避雷器在系統(tǒng)正常運(yùn)行電壓下阻性電流高次諧波分量顯著增大，但基波分量相對(duì)增加較小時(shí)，可以判斷避雷器的氧化鋅閥片可能存在老化現(xiàn)象；而在正常運(yùn)行電壓下阻性電流基波分量顯著增大，而高次諧波分量增加相對(duì)較小時(shí)，一般可以判斷避雷器的氧化鋅閥片可能受潮。

根據(jù)上文中的分析，必須要同步采集電流信號(hào)以及電壓信號(hào)。但在高壓輸電線路桿塔上采集電壓信號(hào)不僅會(huì)給輸電線路帶來(lái)安全隱患，并且會(huì)增加終端安裝的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施難度，所以在同步電壓信號(hào)采集上利用GPS時(shí)鐘采用同步采集的方案。

在變電站內(nèi)安裝PT電壓采集裝置，該裝置配置有GPRS通信模塊和GPS模塊。由于GPS模塊有高精度的秒脈沖信息輸出，包括秒脈沖信號(hào)和相應(yīng)的時(shí)間信息，根據(jù)設(shè)置的固定的采集周期，輸電線路避雷器在線監(jiān)測(cè)裝置和站內(nèi)PT電壓采集裝置采用秒脈沖的上升沿產(chǎn)生中斷，這樣可以保證兩個(gè)采集單元在同一秒脈沖時(shí)刻同步采集，同步誤差保證在0.5 us以內(nèi)。數(shù)據(jù)采集完成后，兩個(gè)采集單元通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上送到上位機(jī)監(jiān)控軟件，由上位機(jī)監(jiān)控軟件通過(guò)計(jì)算得到阻性電流基波值以及各次諧波值。同步采集的原理圖如2所示。

1.3.4 沖擊電流峰值采集設(shè)計(jì)方案

沖擊電流峰值的測(cè)量采用羅戈夫斯基線圈（羅氏線圈），利用被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在線圈內(nèi)感應(yīng)的電壓來(lái)測(cè)量電流。一次側(cè)為單根載流導(dǎo)線，二次側(cè)為羅戈夫斯基線圈。因?yàn)樗鶞y(cè)電流的等效頻率很高，所以采用空心的互感器，這樣可以避免鐵心飽和所帶來(lái)的損耗及非線性影響。

由于沖擊電流持續(xù)時(shí)間段、變化快，只需測(cè)量沖擊電流的峰值。因此，傳感器信號(hào)經(jīng)前置調(diào)理電路送入保持電路作電壓信號(hào)保持，以保證A/D能夠采集到峰值電壓信號(hào)，保持電路由整流橋，電容，電阻分壓組成。傳感器輸出電流信號(hào)先通過(guò)電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再通過(guò)整流橋把傳感器輸出的正負(fù)極性沖擊電流信號(hào)整流成正極性沖擊電壓，用此電壓對(duì)電容進(jìn)行充電。當(dāng)被測(cè)一次電流到峰值時(shí)，電容電壓也會(huì)相應(yīng)充電到峰值電壓，而當(dāng)被測(cè)一次電流從峰值在20 us內(nèi)變化到0 V時(shí)，整流橋由于輸出電壓比輸入電壓高而斷開(kāi)，與電容并聯(lián)的放電回路電阻選擇兆歐級(jí)，可以讓電容電壓從峰值放電到0 V的時(shí)間為幾十個(gè)ms，從而保證CPU能對(duì)峰值電壓進(jìn)行采集和記數(shù)。峰值保持電路原理圖如圖3所示。

設(shè)計(jì)中分大小沖擊電流采集，所以要分別裝2個(gè)獨(dú)立的沖擊電流傳感器，小沖擊電流起始點(diǎn)為±50 A，CPU只需根據(jù)中斷信號(hào)對(duì)其記數(shù)即可，不需要做采集；大沖擊電流起始點(diǎn)為±4KA，CPU根據(jù)中斷信號(hào)對(duì)其記數(shù)的同時(shí)，還要采集峰值電壓大小，然后再由后臺(tái)軟件換算成實(shí)際沖擊電流峰值大小。

1.4 相關(guān)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證終端設(shè)備的各項(xiàng)功能性能指標(biāo)，在項(xiàng)目的相關(guān)試驗(yàn)中采用分流器—示波器測(cè)量法來(lái)測(cè)量沖擊電流的準(zhǔn)確性，測(cè)試原理如圖4所示。其中RS為分流器，則沖擊電流的實(shí)際值為：

其中：u1為示波器測(cè)得分流器RS兩端的電壓值；

RS為分流器RS的阻值，本實(shí)驗(yàn)選用的分流器的阻值為0.1 mΩ。

沖擊電流測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，泄漏電流測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表4，通過(guò)測(cè)試可以得出，終端的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足要求。

2 結(jié)論

輸電線路避雷器由于安裝位置、運(yùn)行環(huán)境、維護(hù)方式等因素的特殊性，一直都沒(méi)有一種有效的手段來(lái)評(píng)價(jià)避雷器的運(yùn)行狀態(tài)。針對(duì)高壓輸電線路避雷器在線監(jiān)測(cè)存在的各種困難和問(wèn)題，本文在分析了傳統(tǒng)的避雷器在線監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)原理的基礎(chǔ)上，提出了一種適合輸電線路避雷器的全運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)。本項(xiàng)目的研究實(shí)現(xiàn)了輸電線路避雷器的在線監(jiān)測(cè)，減少了檢修和停電導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失，使得輸電線路避雷器日常運(yùn)維工作有據(jù)可依，提高電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1] 成永紅.電力設(shè)備絕緣檢測(cè)與診斷[M].北京：中國(guó)電力出版社，2001.

[2] 黃盛潔，姚文捷，馬治亮，等.電氣設(shè)備絕緣在線監(jiān)溯和狀態(tài)維修[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2004.

[3] 蘇勝新，何金良，咸日常，等.線路用避雷器應(yīng)用中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題[J].電磁避雷器，2000（4）：3-10.

[4] Ishida K， Dokai K. Development of a 500 kV transmission lines arrester and its characteristics[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1992，7（3）：1265-1274.

[5] Sakshaug E C. Metal oxide arresters on distribution systems fundamental consideration [J].IEEE Transmission on Power Delivery，1989，4（4）：2076-2089.

[6] 潘翔.金屬氧化物避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2013.

[7] 周龍，陳繼東.金屬氧化鋅避雷器檢測(cè)與診斷技術(shù)中的信號(hào)處理方法分析[J].電瓷避雷器，1997（4）：29.

[8] Li Yan-yong，Li Sheng-ta0，Li Lei，Liu Fu—yi.An automatic measuring device based on Pc for MOAsaging test[J].Properties and Applications of Dielectric Materials，2000.Proceedings of the 6th International Conference on，2000，6（2）：1026—1028.

[9] 周龍，陳繼東.MOA多元診斷參量有效性的模糊星座聚類分析[J].高壓電器，2000（1）：54-56.

[10] 吳維韓，何金良，高玉明.金屬氧化物非線性電阻特性和應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，1998.