电缆终端避雷器监测系统研究和开发

徐欣 操卫康 李旭 廖家威

[摘    要]在电力自动化水平逐渐提高的背景下，电力系统检测和维护设备方法也在不断提升，电力系统检修和维护设备必然要向状态检修以及实时在线监测的方向发展，检修主要依据是在线监测系统对设备进行实时监控所测得的数据与大数据进行分析对比判断设备是否正常运行，本文分析了电缆终端避雷器在线监测系统的工作原理、特点、系统设计等。

[关键词]电缆终端;避雷器;在线监测

[中图分类号]TM862 [文献标志码]A [文章编号]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

隨着计算机技术的广泛应用以及通信技术和网络技术的快速发展，在线状态检修方式运用得越来越广泛。这种方式是对设备的状态进行实时监控，将所收集的数据进行统计分析，为状态评估和运维检修提供依据。

1 电缆终端避雷器监测系统的研究的意义

避雷器在电力系统中是十分重要的保护设备，它的正常运行对整个电力系统有着十分重要的意义。常见的氧化锌避雷器因其保护特性好、通流容量大、结构简单可靠，获得了广泛的应用。但仍存在部分不可避免的问题，避雷器阀片长时间直接承受工频电压，运行时总有微弱的电流流过阀片，久而久之部分阀片会出现老化、泄漏电流增大的情况。若不能及时发现，其会继续恶化，严重的会导致阀片温度升高，发生热崩溃。此外，避雷器的工作环境通常为室外，整体密封性能较好，但长时间也会由于外部水分进入使阀片受潮、污秽增加、绝缘性能下降，加之长时间的工频电压施加，导致进一步劣化。

以上原因，都容易导致避雷器失效崩溃，无法起到保护作用，研究表明，避雷器出现上述异常时都会伴随阻性泄漏电流的增加，相对于总泄漏电流以及容性泄漏电流变化十分明显，现有的避雷器在线监测系统虽然能够做到监测泄漏电流以及阻性电流的基本功能，但其系统存在体积大、安装烦琐、配套安装设备多等不足。

2 相关技术的发展情况

目前避雷器在线监测主要方法有全电流法、阻性电流三次谐波法、容性电流补偿法、谐波分析法等。其中，全电流法无法对避雷器早期受潮老化等渐进影响进行监测;阻性电流三次谐波法由于不同厂家的避雷器阀片存在差异，三次谐波与阻性电流值的函数关系各有不同，而阀片的老化前后又有所区别，对测量存在较大影响，容易形成误判。容性电流补偿法是通过硬件补偿电路实现，精度受到采样周期选点影响，容易出现频谱泄漏导致测量误差。而本研究采用谐波分析法，通过采集全电流和阻性电流等信号进行离散数字化，然后进行傅立叶变换在频域中求得电流的基波、谐波的幅值和相位。谐波分析法相较于其他方法拥有稳定性高、准确灵敏以及受影响程度小等特点。

3 电缆终端避雷器监测系统介绍

3.1 系统简介

电缆终端避雷器在线监测系统由避雷器在线监测装置、数据集中装置、监测平台构成，系统本地显示和远程数据相互独立，互不干扰（图1）。

避雷器在线监测装置采集所监测的避雷器数据通过Lora传输模块将实时数据传输至数据集中装置。

数据集中装置接收来自避雷器在线监测装置的数据后转发至监测平台，一台数据集中装置可接收多台避雷器在线监测装置的数据。

监测平台对避雷器在线监测装置采集到的避雷器实时数据进行展示。

3.2 避雷器在线监测装置电路设计

避雷器在线监测装置的硬件电路主要有泄漏电流输入整流电路、本地显示电路、超级电容泄漏电流充电电路、继电器电源控制电路、继电器计数控制电路、运放控制电路、隔离电源电路、一路运放电路、二路运放电路、三路运放电路、单片机电路、Lora传输电路（图2）。

避雷器在线监测装置串接在避雷器与大地之间，通过避雷器的泄漏电流给装置供电，无雷击时泄漏电流无法通过阀片，从而流入监测电路的泄漏电流输入整流模块。然后流经本地显示模块，毫安表显示实际泄漏电流值。

泄漏电流经过本地显示模块对超级电容泄漏电流充电模块进行充电，充至一定电量的超级电容，结合运放控制继电器电路以及继电器控制电源输出模块，以实现对整个装置的供电。

泄漏电流输入整流模块将整流后的信号输入高频信号处理运放电路1、2，高频信号处理运放电路1、2使用隔离电源模块提供的隔离电。高频信号处理运放电路1、2采用谐波分析法，不从PT取信号，安全可靠。

谐波分析法得到的数据进入单片机模块，经过单片机的处理后通过Lora传输模块无线传输至数据集中装置。

3.3 数据集中装置电路设计

数据集中装置硬件部分分为电源模块、Lora接收模块、蓝牙模块、传输模块、单片机模块等（图3）。

Lora接收模块接收来自避雷器在线监测装置的数据然后传输至单片机进行处理。

蓝牙模块通过单片机控制与移动设备进行交互，将数据展示在移动设备端。

传输模块将单片机处理好的数据远程传输至监测平台。

单片机模块对来自避雷器在线监测装置的数据进行多渠道转发。

4 影响监测结果的因素

4.1 电网谐波

在电网中，谐波电压是不可避免的，根据国际对电能质量的规定，在电力系统正常运行时，允许存在5 %以内的谐波分量。在处于较高电力系统谐波分量时：首先，在谐波电压作用下所产生的谐波电流和由基波电压作用在避雷器非线性阀片上产生的反应阀片非线性的谐波电流，会产生比较复杂的交叉关系，造成提取反應避雷器阀片劣化，很容易引起基波电压作用下产生谐波电流。其次，在系统谐波作用下，泄漏的电流很容易产生容性谐波电流，并且这种容性分量的比重较大。

4.2 相间干扰

在三相避雷器并列运行时，各类避雷器之间会存在杂散电容，在相间杂散电容下各类避雷器之间就有了电气联系。也就是说，各相避雷器不仅会受到自身相电压作用的影响，还会在相间杂散电容的作用下受到相邻电压的作用，他们之间的距离和电压等级影响着这种作用的效果，在避雷器底部泄漏电流和单独一相运行时其幅值和相位都会发生一定的变化。

4.3 避雷器的污秽泄漏电流对避雷器阀片泄漏电流的影响

在避雷器表面存在污秽时，氧化锌避雷器的等效电路就相当于在非线性电阻旁边并联了一个分流电阻，这时在避雷器接地线上测得的泄漏电流就包含了避雷器表面污秽层的电阻产生的沿面泄漏电流。针对这种干扰因素，可以在避雷器底座上安装屏蔽回流环，这样沿面电流就不会经过下引线入地，就不会影响阀片泄漏电流检测的结果。

4.4 电压波动对避雷器在线监测的影响

在电力系统运行过程中，很容易出现电压波动，关于电能质量，国标对电压波动的范围也是有一定规定的，根据电压等级和负荷性质的不同，在电压产生波动时，避雷器的泄漏电流也会发生相应的波动，随之监测到的趋势曲线也会发生波动。基于这种情况，可以利用避雷器同一时刻的监测值进行横向比较，来排除这种干扰。

5 结束语

在现有研究理论的基础上，笔者介绍了电缆终端避雷器监测系统研究的意义、相关技术情况、系统原理和实现方式，为保证电力系统的稳定运行提供了一定的参考。

参考文献

[1] 朱露露.避雷器智能在线监测系统的研究与设计[D].合肥：安徽建筑大学，2021.

[2] 关伟良.输电电缆避雷器运行故障的原因分析及状态监测[J].农村电气化，2020（12）：36-37.

[3] 林肖斐.福州地区避雷器在线监测系统的研究与应用[D].福州：福州大学，2017.