智能化低压电涌防护和管理系统的研究和应用

朱 飞， 娄 魁

（1.杭州市电力设计院有限公司，杭州 310004；2.杭州天湖智能科技有限公司，杭州 310004）

0 引言

随着智能变电站建设的深入推进，变电站设备对电涌的敏感程度也随着各种先进电子设备的大面积应用而直线提升，导致电涌（雷电）成为电子设备损坏（性能减退、使用寿命结束等）的主要原因[1-2]。安装匹配的电涌保护器可阻止电涌（雷电流）从各类电缆引入、实现分段泄流，是变电站系统防电涌（雷电）的最主要措施[3-5]。这些电涌保护器在线长期运行时，在电涌（雷电）过电压（流）脉冲波侵扰和自然老化的双重作用下，其性能会逐渐下降，一旦劣化失效，会造成严重后果。因此，电涌保护器性能现场在线状态的测试和故障诊断以及电涌（雷电）过电压（流）防护能力的监测、管理和评估工作同样重要。

以往变电站设置的传统低压电涌（雷电）防护系统实质上存在极大的安全生产隐患。本文着重论述通过先进防护设备和进步技术的应用，结合已有的无人值守管理平台，旨在解决传统低压电涌（雷电）防护与管理存在的安全隐患，完善高、中、低压电涌（雷电）防护与管理的在线监测系统（目前无低压电涌、雷电防护和管理的在线监测系统），进行集中性在线监测与预警管理，开启预维护模式，减少或预防雷击事故的发生，降低维护和管理成本，提高投资收益，增强整体安全性和安全管理水平。

1 传统雷电防护系统的局限性

传统雷电防护系统是一种离线式单方向概念的电涌保护系统，它必须通过人工或者简单的检测系统来判断各在线电涌保护设备是否失效[6-8]，属于滞后式维护；界定电涌保护设备运行情况的离线式系统，其技术上的局限性导致在当前雷击环境日趋恶劣的形势下存在着极大的安全隐患。

1.1 技术手段局限性

1.1.1 系统技术结构的不完善性

从系统实质性的角度分析，传统雷电防护系统属于离线式运行，系统未对在线运行电涌保护设备的运行数据进行有效整合，从而导致未能准确掌握电涌保护设备是否遭受过电涌冲击、遭受过一次乃至多次电涌冲击的电涌保护设备是否还能承受下一次大电涌等信息，因此，传统雷电防护系统无法实现系统运行状态预先判断。

1.1.2 日常维护和检测等技术管理手段的局限性

从电涌保护系统的管理需求出发，系统的使用单位必需在雷击发生前或者雷击发生后，对电涌保护设施的可靠性进行巡检或测试。

（1）业主维护人员巡检。通常各单位根据国标规定的维护要求，在多年现场管理经验的基础上，制订了电涌保护设施的管理制度和措施，体现为：日常维护+周期维护+定期检测+不定期检测等单一或多种方式的结合。维护人员仅凭肉眼和经验巡检在线电涌保护设备的工作状态，通过观察电涌保护器的指示窗口是否异常来判断其性能好坏，该方式过于依赖巡检人员的经验水平和责任心，人为的疏忽等因素将造成巡检的形式化。有一种情况对于现场设备来说是非常致命的：在雷击发生前，电涌保护器已处于临界损坏状态，但是人工检测手段却未能及时有效发现，其直接后果将导致被保护设备被雷击损坏。

（2）专业检测单位技术手段的局限性。专业检测单位年检根据国标要求对检测报告范围内的检测内容进行复检，往往偏重于直击雷防护设施，而对于电涌保护设备只能检测当前设备有无损坏，其检测技术手段无法确定电涌保护设备的生命周期。

（3）现有监控技术手段的单一性。当在线电涌保护设施已经损坏失效时，可通过其遥信接口信号告知维护管理人员。但是雷击的连续性是雷电活动的基本规律，前次雷击中损坏的电涌保护器已通过遥信告知方式上传，但维护措施的落实却需要时间，且后续雷击已经来临，被保护设备被雷击损坏的情况普遍存在。

1.2 物理特性的不安全性

（1）构成电涌保护系统的重要组成部分，电涌保护器核心元器件之一是压敏电阻，其本身的物理特性（在线工作时存在漏电流），就决定了在线工作的电涌保护器存在漏电流，有电流通过就导致电涌保护器存在温度变化随着时间的推移，漏电流和温度的周期性变化将导致漏电流呈非线性上升，亦即在线运行的电涌保护器是存在生命周期特性的。泄电流冲击后温度变化导致漏电流呈非线性上升，生命周期特性。

（2）制造中的各种原因造成质量、工艺缺陷等所带来的泄流后电涌保护器本地温度变化曲线函数的纠正系数变化。

（3）电涌保护器因自身特性、制造缺陷等导致发生异常时，无法第一时间得到响应。

（4）电涌保护器在进行防护时，需要级间能量配合，如果是级间线缆长度或者电涌的频率问题，极易引起后一级电涌保护器炸裂或烧毁，从而引起火灾事故。

因此，传统电涌保护系统从根本上无法解决或减少雷击安全隐患的问题，更无法实现对电涌保护系统进行实时的信息化和无人化管理，已经无法满足新时期的电涌防护需要。

2 系统关键技术和原理

智能化低压电涌（雷电）防护和管理系统是基于传统防雷技术、电子级间能量配合技术、信息采集处理技术和互联网技术等的科技综合体[9-12]。它不仅拥有传统电涌保护系统所必须具备的雷电和电涌防护功能，还拥有对其本身设备的自检测、数据上传、数据处理和终端控制等综合性数字化管理功能。

2.1 系统功能

智能化低压电涌（雷电）防护和管理系统能够将防雷元器件自带的性能技术参数指标进行量化，综合应用信息采集处理技术对量化的数据进行汇集处理，应用互联网技术传输到系统平台中进行数据分析，智能评估电涌保护设备使用情况，预测电涌保护设备使用寿命，并可根据需要通过互联网进行集中管理[13-15]。

系统可通过电涌保护器的生命周期预警，接地电阻值预警等数据，通过维护平台进行集中管理，从而实现在线电涌保护设备实时管理，达到减少或预防因雷击或电涌造成的设备故障，从而提高生产效益。

系统可根据大量的雷电环境监测数据提供针对性的投资和维护建议，提高投资收益能力。

2.2 系统的基本结构

智能化低压电涌（雷电）防护和管理系统主要由硬件部分和软件部分组成，系统的基本结构如图1所示。

图1 智能化低压电涌（雷电）防护和管理系统的基本结构

（1）硬件部门主要是指防雷设施和对设施的在线监测功能模块、联网等。

（2）软件部分为智能化运行平台。在控制中心建设运行平台，统一对现场防雷系统的运行状态进行实时监测、数据处理和综合管理。根据管理和运维需求设定设备劣化程度显示及劣化界限，自动收集现场运维记录，查看实时运行状态，阶段性评估分析等。

2.3 电涌保护器生命预测时间计算方法

智能化低压电涌（雷电）防护和管理系统的核心内容是对生命周期（即寿命时间）进行监测。本案中，寿命时间（t）计算方法采用热衰变和漏电流综合测试法。

通过大量的实验室数据生成一个固定品牌芯片的劣化参考值δ。由于电涌保护器在线运行过程中会发热，产生热衰变，随着热衰变程度的提升，电涌保护器的温度会明显变化，从而可通过监测设备得到实测温度T1和电涌保护器的本地环境温度 T2，得出劣化值=（T1-T2）/δ的基本关系式，劣化值与实测温度、雷击次数n和雷击强度θ直接相关。

漏电流的存在是由压敏电阻的物理特性决定的，电涌保护器在线运行过程中，其漏电流会随着在线时间的推移、雷击次数和雷击强度的不同而产生很大的变化，根据防雷专业公司多年收集的项目实测数据和实验室数据库的积累，已建立以下数据模型：

综合热衰变参考劣化值和漏电流数据模型取得的参数，得到寿命时间的计算方法：

式中：I=Z（n，θ）； 拟合函数f（δ，I）和 Z（n， θ）为实验室数据及现场数据的纠正函数。

2.4 遥信监测升级

智能化低压电涌（雷电）防护和管理系统实时监测电涌保护器的正常或故障情况，当电涌保护器已损坏，可通过控制中心启动应急措施来确保被保护设备的安全；当电涌保护器的寿命达到一定程度（可以人为设置阈值或者预警值）时，可提前通过系统警示进行检修，做到预维护或者预检。

2.5 两种防护模式的差异性

传统雷电防护系统和智能化低压电涌（雷电）防护和管理系统差异情况如表1所示。

3 系统应用

110 kV鸿丰变电站的智能化低压电涌（雷电）防护和管理系统从系统设计、市场调研、技术开发、数模研究和项目实施等环节中，已充分验证了建设成果的重要性和实用性。

（1）分别在接地变的低压侧、站用电源交流屏的进线端均并联安装型号TH-FD/T1+T2（SY）智能电子级间能量配合电涌（雷电）保护器以及型号SY-1A-R01全功能型智能数据采集模块，其上传数据涵盖：运行环境参数、雷击环境参数、全生命周期参数和劣化报警信号等。

（2）分别在站用电源系统逆变器的交流侧、各GIS控制柜环形交流电源系统的进线端、各站用照明、动力和风机控制配电箱的进线端，均并联安装型号TH-FD/T2/3+N（SY）智能C级电涌保护器及型号SY-1A-R03基本功能型智能数据采集模块，其上传数据涵盖了雷击环境参数、全生命周期参数和劣化报警信号等。

（3）在站用通信电源母排上安装型号THDZ48（SY）、智能直流48 V电涌保护器及型号SY-1A-R03基本功能型智能数据采集模块。

（4）在各GIS控制柜直流电源的进线端、站用电源逆变器的直流侧均安装型号THD-Z220（SY）、智能直流220 V电涌保护器以及型号SY-1A-R03基本功能型智能数据采集模块。

（5）在站用电源系统内安装型号THJD-ZNCS-01接地电阻值监测仪。

（6）在各站用检修箱内安装型号TH-FD/T2/3+N传统C级电源电涌保护器。

（7）在站用电源系统内安装型号C2000 N3400-M串口数据服务器（内置RS485信号自动转换TCP信号的协议），各智能数据采集模块的RS485信号通过星型的总线结构上传至串口数据服务器，输出TCP信号至服务器主机。其中组网和布线的技术步骤为：①各数据采集模块按安装次序设定地址，平台软件通过访问该地址设备获取相关采集数据；②按施工图的要求，将每一线上数据采集模块的RS485输出串联成总线结构；③485总线电缆采用带屏蔽层的多股软线，均经由站内电缆桥架的弱电通道敷设。

（8）在控制室安装服务器和显示器等，并将平台运行软件安装于服务器内，通过人机交换平台操作系统的运行，如表2所示。

表2系统的应用结果中已充分实现项目设计的初衷。在低压电涌防护技术方面，应用了领先的级间能量配合技术，提高了针对变电站低压电涌的整体防护水平；在智能技术应用方面，实施低压电涌保护设备的智能化管理，从实质上弥补了目前变电站智能监测领域的技术空白，告别人工巡检的时代，从而跨入高、中、低压电涌（雷电）防护设备整体监测的新时代，为提升变电站的综合安全管理能力打下了坚实的基础；在系统的应用效果方面，实时高效是它的主题，简单明确是它的目的，是保障变电站设备可靠运行的一种行之有效手段。

4 系统建设中存在的问题及解决办法

（1）电涌保护效果问题。受保护设备的内部元件布置影响，导致防雷引入线过长或接地线过长（按国标要求：引入线+接地线的长度应≤0.5 m），造成电涌保护的效果还存在一定的偏差。解决办法：主设备厂家安装电涌保护器应先考虑电涌保护效果，后讲究工艺美观。无法实现安装线长时，可根据国标的等电位连接措施实现（分等电位排）。

表1 两种雷电防护系统差异性对比分析

表2 平台界面显示的数据类型

（2）系统平台的兼容性问题。该系统软件采用Windows系统进行编写，安装中未能与国家电网公司的Linux系统兼容，从而影响了系统投入运行时间节点。解决办法：系统版本应综合考虑国家电网公司的特性，推出多版本结合的模式。

5 系统推广价值

（1）电子级间能量配合型电涌保护器的应用，将雷电危害和电涌危害进行有机结合，按其理论推算，可有效延长智能电源一体化设备的使用寿命达30年，就单个变电站而言，每年可节省因雷电或电涌造成的维修费用约5万元。

（2）系统的监测管理手段应用，可将低压电涌保护系统进行集中式管理，无需人员巡检，按电力维护规程，单人+车辆+每日所需产生的费用达1 000元左右，还不包含因巡检人员的因素造成的设备延误维修损失。因此，集中式管理系统每年可节省运行维护费用约10万元。

（3）低压电涌监测系统的应用，可杜绝维护人员的工作失误所造成的雷击（或电涌）损坏设备事故，按维护人员的专业培训费用计算，可节省人员的培训费用约5万元；并可节省每年的专业检测费用约2万元。

因此，智能化低压电涌（雷电）防护和管理系统信息化管理平台的建设从技术上完善了智能变电站的内涵，从根本上提高了智能变电站中的安全管理水平，实现了电涌防护系统的管理可控化。

6 结语

智能化低压电涌（雷电）防护和管理系统的应用，有效解决了雷电防护和电涌防护的双重防护因素，同时实现了低压电涌保护器的实时监测，使低压电涌防护系统的管理可控化。当然，如何将该系统融合至变电站现有的防雷在线监测中是后续深入开展的要就课题。所以，随着该系统在智能变电站建设中的普及，其功能将快速优化，从而最大限度保障智能化变电站的安全可靠运行。