架空輸電線路氧化鋅避雷器運行狀態實時監測系統

胡偉偉，賀 強，姜 坤，霍穩靜，李 勝

（南陽金牛電氣有限公司，河南 南陽 474750）

0 引 言

氧化鋅避雷器是電力系統中不可缺少的重要組成部分，在不同的行業得到了廣泛的應用[1]。隨著我國電力需求的不斷增大，對于氧化鋅避雷器的運行性能也提出了更高的要求。在實際運行過程中，使用年限、內部結構性能以及安裝方式等都會直接影響到氧化鋅避雷器的使用壽命。當前我國部分電力企業在對避雷器進行檢修時僅通過簡單的巡視進行例行檢修，這種方式存在一定的安全隱患[2]。針對避雷器中存在的問題設計實時監測系統，利用低耗能的遠距離無線電（Long Range Radio，LoRa）通信技術及時發現避雷器運行時出現的各種事故，從而延長避雷器的使用壽命，減少漏電事故的發生，具有較好的實際應用意義[3,4]。

1 氧化鋅避雷器運行狀態實時監測系統整體架構

氧化鋅避雷器運行狀態實時監測系統主要由避雷器運行狀態監測終端、中繼網關、后臺數據中心以及遠程監控平臺構成，如圖1所示。

圖1 實時監測系統構成

（1）避雷器運行狀態監測終端。針對避雷器運行過程中出現的泄漏電流、雷擊電流以及原始信號采集等進行優化處理，經平臺統一處理后將對應的數據傳輸到中繼網關終端。

（2）中繼網關。利用中繼網關對相應區域內終端檢測到的數據進行統一接收和處理，將處理好的數據直接發送至遠程控制中心，供后臺統一化管理。

（3）后臺數據中心。后臺數據中心主要進行數據接收和處理，將收集到的數據傳輸至遠程監控平臺讀取。

（4）遠程監控平臺。通過遠程監控平臺實現避雷器運行中產生數據的顯示、查詢以及整理，技術人員可以直接通過該平臺對避雷器運行中產生的各項數據進行遠程操控，以便在第一時間制定出針對性的處理措施[5]。

2 檢測原理

2.1 泄漏電流檢測

避雷器的使用對于電力行業而言具有非常重要的意義，將其應用在電力系統中有助于避免和減少因雷擊造成的系統故障。避雷器能夠直接將大電壓分散至大地，從而確保電力系統及相關設備不受影響。氧化鋅避雷器主要由氧化鋅閥片、壓力釋放裝置和瓷套構成。

流經氧化鋅避雷器的總電流由阻性分量和容性分量合成，最終產生的主要是無功功率，借助無功功率能夠間接性分析出整個運行系統在運行過程中出現氧化鋅閥片發熱的主要原因，有助于技術人員及時采取針對性的處理措施。同時，產生有功功率導致氧化鋅閥片發熱的主要是阻性電流中的基波分量，只要能檢測到總泄漏電流中的阻性電流基波分量，就能判斷氧化鋅閥片的性能是否良好。

2.2 雷擊電流檢測

利用雷電流流過防雷設備泄流通道時會在其周圍空間產生變化磁場的原理進行感應監測，從而實現雷擊電流的間接測量，以便技術人員能夠檢測雷擊電流[6]。當電流通過時，周圍的空間會產生一定的磁場，雷擊電流經過后磁場的感應強度會增強，借助這種方式還能分析產生的雷電流大小。

3 硬件設計

3.1 避雷器狀態監測終端

避雷器狀態監測終端主要由電池供電單元、信號采集單元、信號AD轉換單元、電源電壓采集單元、實時時鐘單元、LoRa通信單元、串口通信接口單元以及微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）構成，對于整個系統的運行有較大的幫助。

3.2 中繼網關

本設計中，中繼網關主要由太陽能供電單元、LoRa通信單元以及4G通信單元等組成。

3.3 遠程監控平臺

遠程監控平臺主要是對系統中產生的數據進行遠程監控的一個重要平臺，能夠實現數據實時監控和后續統計和分析，為技術人員制定防雷措施提供支撐。

4 軟件設計

4.1 避雷器狀態監測終端驅動程序

本設計中避雷器狀態監測終端驅動程序主要由泄露電流采集軟件驅動、累計電流采集軟件驅動、電源電壓采集軟件驅動、LoRa通信軟件驅動、串口通信軟件驅動、內存EEPROM軟件驅動、實時時鐘軟件驅動以及程序遠程更新軟件驅動構成，具體功能如下。

泄漏電流采集軟件驅動具有遠程監控數據的功能，維修人員在實際檢修過程中能夠直接結合監控數據的變化情況采取針對性的應對措施，同時還能直接對驅動芯片中的數據進行采集。

通過雷擊電流采集軟件驅動能夠直接喚醒處于睡眠模式的中央處理器（Central Processing Unit，CPU），采集和統計雷擊數據，最終將采集到的數據直接傳輸到中繼網關，以便技術人員能夠在第一時間采取針對性的處理措施[7]。

電源電壓采集軟件驅動能夠向單片機內部模數轉換器（Analog to Digital Converter，ADC）下發指令，采集雷擊電流值。

相較于中繼網關的整體系統運行而言，LoRa通信軟件驅動本身具有上傳指令和下達指令的功能，能夠對產生的各項數據進行分析。

串口通信軟件驅動能夠直接對監測到的數據進行重新配置，還能實現打印數據的功能[8]。

內存EEPROM軟件驅動能夠實現對數據的監測和配置，為用戶提供便利。

實時時鐘軟件驅動能夠為技術人員的檢修和相關的信號喚醒等提供信號支撐，幫助其快速開展工作。

技術人員直接通過程序遠程更新軟件驅動進行最終的操控工作和升級更新，從而達到自動化的操控標準[9,10]。

4.2 避雷器運行狀態實時監測終端控制方法

結合實時監測要求，筆者設計了避雷器在運行過程中監測終端的控制方式，具體流程如圖2所示。

圖2 避雷器運行狀態實時監測終端控制流程

該監測終端在實際運行過程中可以直接獲取漏電流值和對應的電壓值等，且檢測獲取的時間較短，通過對通信數據進行解析，判斷是否為有效指令。系統將監測獲得的數據等直接上傳至中繼網關中，有助于監測工作的高效進行。在運行過程中，針對外部中斷環節產生的泄漏電流值、供電電壓、雷電流值進行累計計數，將累計后的數據上傳至中繼網關，降低失誤率。

5 結 論

通過分析氧化鋅避雷器使用的各種在線監測技術、雷電流在線監測技術以及互聯網技術，提出了一種架空輸電線路氧化鋅避雷器運行狀態實時監測系統。通過分析不同狀態下避雷器運行過程中產生的泄漏電流、雷電流信號等，有助于工作人員第一時間了解避雷器的運行情況和老化情況，從而采取針對性的維修措施，減少漏電和爆炸事故的發生，提高避雷器的運行安全性，對于保障我國用電安全有一定的積極作用。