張 鑫，程瀟葦，姚心宇，陳俊杰，曾 楊，張 豪

（國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司神農(nóng)架供電公司，湖北 神農(nóng)架 442400）

0 引 言

電力系統(tǒng)中，避雷器主要起到防雷作用，對(duì)于電力設(shè)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(gòu)成，分別是絕緣瓷瓶、絕緣套以及金屬螺栓。由于避雷器長(zhǎng)期在戶外運(yùn)行，雨水和灰塵易通過縫隙進(jìn)入內(nèi)部造成螺栓生銹[1]。另外，熱脹冷縮作用也會(huì)導(dǎo)致絕緣套和瓷瓶出現(xiàn)不同程度的損壞[2-3]，進(jìn)一步造成絕緣底座電阻下降，最終在站內(nèi)避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后臺(tái)電流數(shù)值降低，影響避雷器的穩(wěn)定性[4-6]。本文針對(duì)變電站避雷器泄漏電流問題，提出了一種解決方案。運(yùn)用無(wú)線通信技術(shù)、數(shù)據(jù)融合、單片機(jī)等技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套避雷器泄漏電流在線系統(tǒng)。通過在絕緣底座不同部位安裝多個(gè)電流傳感器，利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)將多個(gè)傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)融合，從而得到最終的泄漏電流值，然后通過與系統(tǒng)設(shè)定閾值進(jìn)行對(duì)比，從而啟動(dòng)報(bào)警和采取安全措施。

1 系統(tǒng)組成

設(shè)計(jì)的避雷器泄漏電流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由3部分構(gòu)成——信號(hào)采集裝置、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和后臺(tái)?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控模塊主要包括單片機(jī)、報(bào)警模塊和顯示模塊。電阻傳感器和濕度傳感器檢測(cè)的信號(hào)通過WiFi無(wú)線通信模塊傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)通過綜合分析將檢測(cè)結(jié)果反饋給后臺(tái)監(jiān)控，同時(shí)根據(jù)檢測(cè)結(jié)果發(fā)出控制命令來(lái)控制報(bào)警模塊動(dòng)作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

針對(duì)提到的避雷器內(nèi)部進(jìn)水問題，可以先做物理改造，在底座上預(yù)留幾個(gè)排水孔，同時(shí)合理設(shè)置電流傳感器的安裝位置。整個(gè)避雷器外觀機(jī)械圖如圖2所示，改裝后的避雷器絕緣底座外觀結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

1.1 傳感器檢測(cè)終端

傳感器檢測(cè)終端包括絕緣電流檢測(cè)裝置和溫濕度檢測(cè)裝置。電流檢測(cè)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(chǔ)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(jiān)測(cè)鋼桿內(nèi)部水汽濃度和泄露電流，并實(shí)時(shí)將傳輸結(jié)果發(fā)送至現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)，確保避雷器安全運(yùn)行。

1.1.1 電流傳感器檢測(cè)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?jī)?nèi)部的電流通路和線性霍爾傳感器電路完成，具有響應(yīng)時(shí)間快、靈敏度高、低噪聲、誤差小、絕緣電壓高等特點(diǎn)，可滿足應(yīng)用要求。

1.1.2 溫濕度傳感器檢測(cè)模塊

溫濕度傳感器主要安裝在絕緣底座基礎(chǔ)鋼桿底部，用來(lái)檢測(cè)鋼桿內(nèi)部水汽濃度。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和多方面比較，本文選用內(nèi)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(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。該傳感器在吸濕后，介電常數(shù)發(fā)生明顯變化，可做成電容式濕敏元件。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 避雷器外觀機(jī)械圖

圖3 避雷器絕緣底座外觀結(jié)構(gòu)圖

1.2 單片機(jī)控制模塊

采用單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行綜合分析和發(fā)出控制命令。單片機(jī)選擇ATMEGA8L型號(hào)單片機(jī)。該電路由ATMEGA8L 單片機(jī) U1，電容 C1、C2、C3、C4、C5，晶振Y1，電感L4組成。ATMEGA8L單片機(jī)是主控芯片，其端口功能齊全，接線簡(jiǎn)單，內(nèi)部集成程序下載接口、復(fù)位電路、濾波電路等多種功能，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

1.3 報(bào)警模塊

當(dāng)傳感器檢測(cè)的值超過系統(tǒng)設(shè)定的閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過報(bào)警模塊報(bào)警。報(bào)警模塊主要采用聲音報(bào)警電路，工作原理比較簡(jiǎn)單。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)值超過系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)會(huì)第一時(shí)間進(jìn)行綜合判斷，然后通過控制模塊輸出低電平信號(hào)，最終通過放大模塊產(chǎn)生聲音報(bào)警。現(xiàn)場(chǎng)采用蜂鳴報(bào)警裝置，遠(yuǎn)方采用GSM短信報(bào)警。

2 避雷器絕緣底座電流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合

絕緣底座泄露電流檢測(cè)是通過安裝多個(gè)電流傳感器檢測(cè)避雷器底座，通過多傳感器數(shù)據(jù)融合獲得避雷器絕緣底座泄露電流進(jìn)行綜合判斷。多數(shù)據(jù)融合方法步驟如下。

（1）采用離散小波變換實(shí)現(xiàn)信號(hào)濾波。信號(hào)x(t)的連續(xù)小波變換定義為：

其中：

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

在離散小波變換中，常用的離散方法是將j按冪級(jí)數(shù)離散，n在尺寸內(nèi)均勻離散，信號(hào)x(t)的離散小波變換為：

（2）利用小波包能量譜方法對(duì)壓力信號(hào)和傾角信號(hào)進(jìn)行分解處理，提取特征向量：

其中，Ej表示第j個(gè)傳感器頻帶能量，xjk(k=1,2,…,N)為信號(hào)Ej各離散點(diǎn)的值。于是，可計(jì)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(gè)傳感器頻帶能量，為穩(wěn)定性診斷的輸入特征量。

（3）利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)輸電線路桿塔進(jìn)行初步穩(wěn)定性診斷。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由輸入層、隱層和輸出層組成，完成非線性映射。

一般?。?/p>

其中，e為輸入向量，ωi是權(quán)值，ci和σi是基函數(shù)的數(shù)據(jù)中心和寬度，n為中心數(shù)目，φ(·)為徑向基函數(shù)，ω0表示偏差。

（4）利用貝葉斯推理實(shí)現(xiàn)對(duì)初步診斷結(jié)果融合，得出最終融合診斷結(jié)果：

其中，u(k)和un(k)表示二值函數(shù)；Pk(Hi/u1(k),…,ui(k),…,un(k))表示第k次量測(cè)下Hi的后驗(yàn)概率（i=0.1）；H1表示目標(biāo)存在該信號(hào)；H0表示目標(biāo)不存在該信號(hào)。

3 避雷器絕緣底座泄漏電流檢測(cè)調(diào)試分析

根據(jù)模擬系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝的若干電流傳感器，通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)融合后，最終得到避雷器絕緣底座泄露電流的G值。通過設(shè)定的閾值和數(shù)據(jù)融合得到的G值進(jìn)行對(duì)比，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警和遠(yuǎn)方短信報(bào)警。通過模擬施加的不同泄露電流值進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)，實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1可以看出，通過選取的10個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)，不同時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后將得到的數(shù)值G值同系統(tǒng)設(shè)定的閾值進(jìn)行比較。當(dāng)通過多傳感器數(shù)據(jù)融合獲得的G值超過閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)聲光報(bào)警裝置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警，同時(shí)通過GSM短信報(bào)警裝置發(fā)送短信給現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員。其中，表1中，1～6的G值不超過閾值50，所以系統(tǒng)不發(fā)生報(bào)警；7～10的G值超過了閾值50，所以系統(tǒng)發(fā)生報(bào)警。這充分證明了所述系統(tǒng)良好的穩(wěn)定性和精確性，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用性強(qiáng)。

4 結(jié) 論

避雷器在電網(wǎng)設(shè)備安全運(yùn)行中占據(jù)重要地位，但其長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后會(huì)出現(xiàn)老化現(xiàn)象。本文采用多傳感器信息與數(shù)據(jù)融合相結(jié)合的方法，檢測(cè)變電站避雷器底座絕緣電流檢測(cè)的可行性與有效性，結(jié)合實(shí)際案例和通過現(xiàn)場(chǎng)多次試驗(yàn)，全面分析研究了變電站避雷器底座絕緣電流監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)避雷器全方位的在線監(jiān)測(cè)，解決了人工檢測(cè)解決不了的問題，對(duì)于電網(wǎng)的合理高效穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

表1 模擬施加的不同泄露電流值試驗(yàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)