電纜終端避雷器監(jiān)測(cè)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(dòng)化水平逐漸提高的背景下，電力系統(tǒng)檢測(cè)和維護(hù)設(shè)備方法也在不斷提升，電力系統(tǒng)檢修和維護(hù)設(shè)備必然要向狀態(tài)檢修以及實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的方向發(fā)展，檢修主要依據(jù)是在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控所測(cè)得的數(shù)據(jù)與大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比判斷設(shè)備是否正常運(yùn)行，本文分析了電纜終端避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理、特點(diǎn)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。

[關(guān)鍵詞]電纜終端;避雷器;在線監(jiān)測(cè)

[中圖分類號(hào)]TM862 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]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(jì)算機(jī)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(yùn)用得越來越廣泛。這種方式是對(duì)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，將所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為狀態(tài)評(píng)估和運(yùn)維檢修提供依據(jù)。

1 電纜終端避雷器監(jiān)測(cè)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(hù)設(shè)備，它的正常運(yùn)行對(duì)整個(gè)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(hù)特性好、通流容量大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)間直接承受工頻電壓，運(yùn)行時(shí)總有微弱的電流流過閥片，久而久之部分閥片會(huì)出現(xiàn)老化、泄漏電流增大的情況。若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，其會(huì)繼續(xù)惡化，嚴(yán)重的會(huì)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(shí)間也會(huì)由于外部水分進(jìn)入使閥片受潮、污穢增加、絕緣性能下降，加之長時(shí)間的工頻電壓施加，導(dǎo)致進(jìn)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(hù)作用，研究表明，避雷器出現(xiàn)上述異常時(shí)都會(huì)伴隨阻性泄漏電流的增加，相對(duì)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(cè)系統(tǒng)雖然能夠做到監(jiān)測(cè)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(cè)主要方法有全電流法、阻性電流三次諧波法、容性電流補(bǔ)償法、諧波分析法等。其中，全電流法無法對(duì)避雷器早期受潮老化等漸進(jìn)影響進(jìn)行監(jiān)測(cè);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(duì)測(cè)量存在較大影響，容易形成誤判。容性電流補(bǔ)償法是通過硬件補(bǔ)償電路實(shí)現(xiàn)，精度受到采樣周期選點(diǎn)影響，容易出現(xiàn)頻譜泄漏導(dǎo)致測(cè)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(hào)進(jìn)行離散數(shù)字化，然后進(jìn)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(diǎn)。

3 電纜終端避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹

3.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

電纜終端避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由避雷器在線監(jiān)測(cè)裝置、數(shù)據(jù)集中裝置、監(jiān)測(cè)平臺(tái)構(gòu)成，系統(tǒng)本地顯示和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)相互獨(dú)立，互不干擾（圖1）。

避雷器在線監(jiān)測(cè)裝置采集所監(jiān)測(cè)的避雷器數(shù)據(jù)通過Lora傳輸模塊將實(shí)時(shí)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(cè)裝置的數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)發(fā)至監(jiān)測(cè)平臺(tái)，一臺(tái)數(shù)據(jù)集中裝置可接收多臺(tái)避雷器在線監(jiān)測(cè)裝置的數(shù)據(jù)。

監(jiān)測(cè)平臺(tái)對(duì)避雷器在線監(jiān)測(cè)裝置采集到的避雷器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行展示。

3.2 避雷器在線監(jiān)測(cè)裝置電路設(shè)計(jì)

避雷器在線監(jiān)測(cè)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(jí)電容泄漏電流充電電路、繼電器電源控制電路、繼電器計(jì)數(shù)控制電路、運(yùn)放控制電路、隔離電源電路、一路運(yùn)放電路、二路運(yùn)放電路、三路運(yùn)放電路、單片機(jī)電路、Lora傳輸電路（圖2）。

避雷器在線監(jiān)測(cè)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(shí)泄漏電流無法通過閥片，從而流入監(jiān)測(cè)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(shí)際泄漏電流值。

泄漏電流經(jīng)過本地顯示模塊對(duì)超級(jí)電容泄漏電流充電模塊進(jìn)行充電，充至一定電量的超級(jí)電容，結(jié)合運(yùn)放控制繼電器電路以及繼電器控制電源輸出模塊，以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)裝置的供電。

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

諧波分析法得到的數(shù)據(jù)進(jìn)入單片機(jī)模塊，經(jīng)過單片機(jī)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(jì)

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

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

藍(lán)牙模塊通過單片機(jī)控制與移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行交互，將數(shù)據(jù)展示在移動(dòng)設(shè)備端。

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

單片機(jī)模塊對(duì)來自避雷器在線監(jiān)測(cè)裝置的數(shù)據(jù)進(jìn)行多渠道轉(zhuǎn)發(fā)。

4 影響監(jiān)測(cè)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(duì)電能質(zhì)量的規(guī)定，在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，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(shí)：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(huì)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(yùn)行時(shí)，各類避雷器之間會(huì)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(huì)受到自身相電壓作用的影響，還會(huì)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(jí)影響著這種作用的效果，在避雷器底部泄漏電流和單獨(dú)一相運(yùn)行時(shí)其幅值和相位都會(huì)發(fā)生一定的變化。

4.3 避雷器的污穢泄漏電流對(duì)避雷器閥片泄漏電流的影響

在避雷器表面存在污穢時(shí)，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(gè)分流電阻，這時(shí)在避雷器接地線上測(cè)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(duì)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(huì)經(jīng)過下引線入地，就不會(huì)影響閥片泄漏電流檢測(cè)的結(jié)果。

4.4 電壓波動(dòng)對(duì)避雷器在線監(jiān)測(cè)的影響

在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中，很容易出現(xiàn)電壓波動(dòng)，關(guān)于電能質(zhì)量，國標(biāo)對(duì)電壓波動(dòng)的范圍也是有一定規(guī)定的，根據(jù)電壓等級(jí)和負(fù)荷性質(zhì)的不同，在電壓產(chǎn)生波動(dòng)時(shí)，避雷器的泄漏電流也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的波動(dòng)，隨之監(jiān)測(cè)到的趨勢(shì)曲線也會(huì)發(fā)生波動(dòng)。基于這種情況，可以利用避雷器同一時(shí)刻的監(jiān)測(cè)值進(jìn)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(cè)系統(tǒng)研究的意義、相關(guān)技術(shù)情況、系統(tǒng)原理和實(shí)現(xiàn)方式，為保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了一定的參考。

參考文獻(xiàn)

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