避雷器的智能在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計研究

江 玉，潘俊銳，史經(jīng)威

（安徽送變電工程有限公司，安徽 合肥 231299）

0 引 言

避雷器的主要功能是通過放電的方式釋放過電壓，以確保電子設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)避雷器處于工作狀態(tài)時，其泄漏電流和工作電壓等參數(shù)被視為評估設(shè)備運(yùn)行狀況的關(guān)鍵指標(biāo)。經(jīng)由數(shù)據(jù)分析找出避雷器出現(xiàn)問題的根源，可以確定系統(tǒng)監(jiān)控路徑，并實時追蹤設(shè)備運(yùn)行狀況。此外，能夠?qū)崟r監(jiān)測避雷器在運(yùn)行過程中可能遇到的風(fēng)險，從而降低設(shè)備故障發(fā)生的可能性。利用模塊化設(shè)備與避雷環(huán)境預(yù)警監(jiān)測設(shè)備的統(tǒng)一管理系統(tǒng)，能夠立即采集、提交并規(guī)避避雷器的運(yùn)行風(fēng)險，從而保證避雷器能夠在合適的環(huán)境下運(yùn)行，延長其使用年限。

1 避雷器及其智能在線監(jiān)測系統(tǒng)的相關(guān)闡述

經(jīng)過多次科技創(chuàng)新與優(yōu)化，避雷器已逐步發(fā)展為現(xiàn)今廣泛應(yīng)用的金屬氧化物設(shè)備，不僅是科技進(jìn)步的體現(xiàn)，更是對傳統(tǒng)避雷器的升級改造，充分滿足各領(lǐng)域?qū)Ρ芾灼鞯男枨蟆Ｖ档米⒁獾氖?，?dāng)前市場上主流的氧化鋅避雷器能夠在操作期間即時監(jiān)控漏電流，且其內(nèi)部通常裝有在線監(jiān)測設(shè)備，實現(xiàn)了真正意義上的在線檢測。然而，避雷器的在線監(jiān)控系統(tǒng)尚未實現(xiàn)24 h 全方位監(jiān)控，因此深入研究避雷器智能在線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案顯得尤為重要。

在搭建并改進(jìn)避雷器實時監(jiān)測系統(tǒng)的過程中，研究人員從多個角度進(jìn)行深入探討。通過改進(jìn)模塊，提高避雷器在線檢測系統(tǒng)的效能，確保實現(xiàn)實時遠(yuǎn)程監(jiān)控；通過實時監(jiān)測避雷設(shè)備工作狀態(tài)，掌握設(shè)備運(yùn)行情況，并將相關(guān)信息及時傳遞給控制系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部檢測員可根據(jù)獲取的實時數(shù)據(jù)做出相應(yīng)處理?？蒲腥藛T解讀數(shù)據(jù)后，將最終成果呈現(xiàn)給決策層，進(jìn)而根據(jù)設(shè)備發(fā)展?fàn)顩r對其進(jìn)行升級改造或內(nèi)部部件維護(hù)。在設(shè)計避雷器智能化在線監(jiān)控系統(tǒng)時，必須全面評估其工作環(huán)境，并特別關(guān)注避雷器自身的物質(zhì)條件和內(nèi)部結(jié)構(gòu)限制[1]。例如，避雷設(shè)備的工作環(huán)境應(yīng)保持在特定溫度范圍內(nèi)，或遵循特定濕度規(guī)定。

2 避雷器的智能在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計思路

在構(gòu)建避雷器智能在線監(jiān)測系統(tǒng)的過程中，通過計算機(jī)即時跟蹤數(shù)據(jù)避雷器漏電流，深入剖析其影響因素，能夠有效把握避雷器的運(yùn)行狀況，從而做出精確且全面的評估。常見的避雷器監(jiān)測方法包括諧波法、泄漏電流法以及補(bǔ)償法等。

為提升避雷器智能在線監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測精確度，須嚴(yán)格把控監(jiān)測誤差，特別是電磁場對監(jiān)測點的影響和高次諧波對監(jiān)測結(jié)果的影響。因此，應(yīng)深入研究電磁場干擾處理方法，實現(xiàn)電纜線的有效屏蔽。通常，采用靜態(tài)測量相間電容處理方法，并利用智能化軟件分析電壓的高次諧波變化。各類監(jiān)測方法各有特點，但在整個流程中具有共性。同時，概括和整理電壓互感器（Potential transformer，PT）的電壓參照信號，PT 的相移和負(fù)荷關(guān)系變化有助于提高監(jiān)測精確性和準(zhǔn)確性，避免相移問題帶來的負(fù)面影響。此外，需要全面評估多種電流方法的重要性，如總泄漏電流法等，通過實時的數(shù)據(jù)分析和處理，監(jiān)測避雷器運(yùn)作狀況[2]。

借助光纖技術(shù)，通過智能電網(wǎng)的在線避雷器檢查系統(tǒng)，可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離的信息交流，使控制中心（非現(xiàn)場）可以及時、準(zhǔn)確地收集避雷設(shè)備的工作狀況。通過科學(xué)的方法評估避雷設(shè)備已存在的問題，并預(yù)見未來可能出現(xiàn)的問題，深入了解問題特征、種類、嚴(yán)重程度及根源，揭示問題產(chǎn)生與演變方向。通過有效管理避雷器故障進(jìn)程，實施相應(yīng)策略解決避雷器問題，防止電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障，保障高壓設(shè)施的安全性和穩(wěn)定性，有利于變電站和整體電力系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)作。

該系統(tǒng)的最大檢測漏電量可達(dá)10 mA，符合我國1 000 kV 避雷器在超高電壓線路的檢查需求，同時精確性超越傳統(tǒng)方法5 倍，系統(tǒng)管理員能實時獲取現(xiàn)場避雷器的運(yùn)作情況。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

3.1 電流采樣電路設(shè)計

文章的重點是探討避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測手段，其中許多功能是通過軟件分析來完成的，所以硬件電路的設(shè)計相對較為簡單。但由于氧化鋅避雷器（Metal Oxide Arrester，MOA）的阻抗泄漏電流相對較小，因此對其硬件電路的功能要求相對更高。為確保測試數(shù)據(jù)的精度和一致性，所選硬件設(shè)備須具備較強(qiáng)的靈活性、較小的溫差以及較大的共模抑制系數(shù)，不僅可以消除外界因素的干擾，還能夠減少信號偏差[3]。

電流采樣電路利用高容量和低電壓的氧化鋅電阻片來創(chuàng)建過電壓的排放通道；調(diào)整避雷器的泄露電流，以保證數(shù)據(jù)的精確度（誤差不超過0.05 mA）。同時，設(shè)計了前端壓敏電阻和電壓脈沖抑制器等防護(hù)裝置，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

Proteus 是專門為下位機(jī)電子系統(tǒng)的構(gòu)建與生產(chǎn)而開發(fā)的軟件。首要步驟是根據(jù)電流采樣電路設(shè)計和模擬，然后使用Proteus 軟件的ARES 工具將其輸入到原理圖中，從而產(chǎn)出與印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）有關(guān)的文檔，最終完成三維仿真。

3.2 光電轉(zhuǎn)換及信號處理電路設(shè)計

采樣電路將泄漏電流轉(zhuǎn)換為光脈沖信號，然后借助光纖送入光電轉(zhuǎn)換設(shè)備。在此過程中，紅外接收器將聲音轉(zhuǎn)化為電流，然后經(jīng)過放大器的處理，這些信號最終送達(dá)主要的編碼和計算中心。信號處理中心基于編碼和計算中心，其中包含紅外接口電路、信號放大電路、信號跟隨電路、系統(tǒng)級芯片（System on Chip，SoC）、RS-485 通信接口電路以及電源電路等。

安裝Proteus 軟件后，在PCB 設(shè)計過程中，Proteus的封裝庫有時候難以檢索出預(yù)定的規(guī)格元素，如電阻、二極管以及一些普通的微控制器等，特別在光電轉(zhuǎn)換和信息處理電路的構(gòu)建中。此時，應(yīng)手動制作所需的元件封裝，制作過程可遵循以下幾步。首先，依據(jù)技術(shù)指南來確定元件的推薦尺寸；其次，使用游標(biāo)卡尺來確定元件的實際參數(shù)；最后，Proteus 軟件完成并儲存中間系統(tǒng)到中間系統(tǒng)（Intermediate System to Intermediate System，ISIS）封裝庫的所有信息。

3.3 電源電路設(shè)計

鑒于常規(guī)智能控制設(shè)備結(jié)構(gòu)簡便，能耗相對較低，常見的控制功率不超過200 W，故其系統(tǒng)電源由阻抗降低電路提供。然而，長距離數(shù)據(jù)無線傳輸可能需瞬間投入大量能源，同時高效繼電器在阻抗降低時提供的電力來源或顯不足。因此，選擇使用磁保持繼電器和12 V 開關(guān)電源模塊來設(shè)定該系統(tǒng)，以滿足高功率電流切換和節(jié)能的需求。

3.4 其他電路設(shè)計

針對控制設(shè)備的需求，在綜合考慮各類芯片存儲特性后，選用AT89C2051 與AT24C02 兩款芯片。前者由于“先擦除，再寫入”的操作模式和擦寫頻率限制，適用于處理不常變動的數(shù)據(jù)，如避雷器位置、放電時長等；后者表現(xiàn)出優(yōu)秀的存儲性能，能保存電子參數(shù)測定結(jié)果[4]。

此外，控制設(shè)備需具備展示避雷器操作狀況、放電記錄、預(yù)警記錄等關(guān)鍵信息的能力，并執(zhí)行RS-485通信和無線遠(yuǎn)程傳輸任務(wù)。在此環(huán)境下，通信電路能完成基礎(chǔ)的通信工作，如獲取監(jiān)控參數(shù)、調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)及執(zhí)行數(shù)據(jù)處理指令等；紅外接收與發(fā)送電路則有助于提高數(shù)據(jù)獲取和管理效率，并確保其穩(wěn)定性。

4 上位機(jī)軟件設(shè)計

通過串口線，監(jiān)測系統(tǒng)與專門的計算機(jī)串口（COM2）進(jìn)行互動，將監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)顯示設(shè)備（或轉(zhuǎn)換單元）的RS-232 接口與安裝了應(yīng)用軟件的計算機(jī)串口相連。RS-485 總線作為轉(zhuǎn)換器的交流手段，具有1 200 m 的傳輸距離。

整個系統(tǒng)的核心是上位機(jī)管理軟件，主要職責(zé)是實現(xiàn)人機(jī)交互，設(shè)計應(yīng)考慮系統(tǒng)的總體架構(gòu)、各級別上/中/下位機(jī)的特性、通信規(guī)則以及用戶需求。如果將管理工具安裝于遠(yuǎn)程服務(wù)器，用戶就可以通過瀏覽網(wǎng)頁的方式，在局域網(wǎng)或者互聯(lián)網(wǎng)中實現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問，從而獲取并管理系統(tǒng)的信息。

使用VB 高級編程語言來構(gòu)建上位機(jī)程序，其中監(jiān)測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)得非常明確，方便搜索與保存。程序整合了監(jiān)控數(shù)據(jù)展示和參數(shù)管理的功能。監(jiān)測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)功能涵蓋過去的數(shù)據(jù)檢索、即時電流展示以及電流頻率展示，通過使用參數(shù)管理功能，用戶可以在軟件界面上迅速修改系統(tǒng)的所有參數(shù)，同時進(jìn)行閱讀、移除、輸出以及復(fù)制等操作。

4.1 歷史數(shù)據(jù)的操作界面

使用鼠標(biāo)點擊上位機(jī)管理軟件主頁面上的“瀏覽過去的信息”按鈕，即可瀏覽過去的信息。按下鼠標(biāo)右鍵，在歷史數(shù)據(jù)的頁面中會展示菜單，點擊“清除數(shù)據(jù)”按鈕，就能清除所有歷史數(shù)據(jù)；點擊“輸出信息”按鈕，將全部的過去信息輸入Excel 工具欄，能夠利用Excel 的特性，實現(xiàn)對全部過去信息的復(fù)制、修改及打印等操作。

4.2 放電次數(shù)及時間查詢

該系統(tǒng)提升了避雷器放電頻率的顯示效果，并具備自動追蹤放電時間的功能，便于用戶實時查閱與使用。成功接入系統(tǒng)后，用戶可查詢放電次數(shù)和持續(xù)時間。在主界面，通過鼠標(biāo)左鍵雙擊放電次數(shù)空白框，系統(tǒng)將自動計算相應(yīng)位置的放電頻率和持續(xù)時間[5]。僅在成功連接且電流顯示情況下，可觀察到放電次數(shù)和時間，每次僅能觀察一個相位。系統(tǒng)具備42 次存儲能力，用于追蹤各相位放電時間，用戶可以對獲取的時間信息進(jìn)行二次編輯。在收集結(jié)果界面，通過右鍵點擊，選擇“導(dǎo)出”按鈕，可將放電時間信息導(dǎo)入Excel 工作表，進(jìn)而復(fù)制、修改及打印。在完成輸入和保存操作后，如果需要消除釋放電流，可返回主控制器主頁，點擊“系統(tǒng)管理”下的“消除釋放次數(shù)和時長”，系統(tǒng)將在5 s 內(nèi)自動完成消除。

5 結(jié) 論

避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)，作為智能電網(wǎng)的核心組成部分，致力于全面提升安全、科學(xué)及智能化水平，以適應(yīng)智能電網(wǎng)的飛速發(fā)展。在這些設(shè)備中，通信、計算機(jī)及自動化等技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用，并與傳統(tǒng)檢測技術(shù)緊密結(jié)合，從而顯著提升檢測設(shè)備的智能水平。通過信息技術(shù)手段，能夠在系統(tǒng)中全方位預(yù)測潛在避雷器問題，給予必要的技術(shù)支持。在電力系統(tǒng)面臨停電風(fēng)險時，能迅速采取相應(yīng)措施，使無人值守電站變?yōu)楝F(xiàn)實。利用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)收集，使系統(tǒng)完全信息化，極大地減少了事故的發(fā)生概率，從而保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。