电力物联网中避雷器远程故障监测与维护

孙 震 杨希磊 樊子晖 朱立勤 王逊峰 王明邦

1.国网上海嘉定供电公司 上海 2018992.国网上海市电力公司 上海 2001223.上海兆邦电力器材有限公司 上海 201315

1 研究背景

在以计算机、互联网、大数据、云储存、机器人为核心的智能时代,输配电网正面临深刻变革,输配电线路的智能远程控制是未来的发展方向。电力物联网围绕电力系统各环节,充分应用移动互联和人工智能等现代信息技术、先进通信技术,实现电力系统各环节万物互联、人机交互,建立具有状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活特征的智慧服务系统。

电力装备是“中国制造2025”十大领域之一,上海市智能电网发展迅速,分布式电源、微电网智能用电、智能变电站、配电自动化、设备状态检测、用电信息采集、智能楼宇、电动汽车充换电站等广泛实现试点,互联网、物联网、通信网与电力系统更加紧密融合,已初步具备构建城市能源互联网的条件。

笔者研究电力物联网中避雷器的远程故障监测与维护,设计一种结构简单、成本低廉的高可靠性无线避雷器在线监测装置,涵盖发、输、变、配、用、调度等各领域,运用云计算、大数据、物联网、5G等现代信息通信技术,与控制技术深度融合,为智能电网提供全生命周期的一体化、专业化避雷信息服务。研究成果首先在上海实施应用,逐步成为上海电网互联网的有机组成部分,然后进一步推广,对实现高效、安全的能源供应具有重要意义,具有广泛的市场前景,社会效益与经济效益显著。

2 存在的问题

现有的避雷器监测装置一般为有线式,与避雷器就近连接在一起,用于监测避雷器的漏电流和遭雷击次数。查看避雷器监测装置监测数据时,需要爬到线上,危险性较高。无线式避雷器监测装置的监测终端一般由单片机、无线收发模块、漏电流采集电路、雷击次数采集电路、供电电源组成,单片机通过无线收发模块将漏电流采集电路和雷击次数采集电路所采集的监测数据发送至监测主机,查看监测数据较为方便。但是,现有的无线式避雷器监测装置需要加装太阳能电池板提供电能,这样不仅提高了监测装置的复杂程度,增大了整体体积,增加了制造成本,而且还降低了可靠性。

3 研究内容

为克服现有技术的不足,笔者设计一种结构简单、成本低廉的高可靠性无线避雷器在线监测装置。这一避雷器在线监测装置由与避雷器串联的整流桥、电源变换电路、单片机、与单片机相连的监测信号采集电路、无线收发模块组成。电源变换电路包括储能电容、开关管组件、高电压检测器和电阻。储能电容并联在整流桥的输出端,端电压经开关管组件和三端稳压器为避雷器在线监测装置供电。储能电容端电压还经过由第一电阻和第二电容组成的积分延时电路,施加至高电压检测器的输入端。拟采用在避雷器内部植入温度、电流传感器和嵌入式芯片的方式,实现对温度、电流等信号的监测。拟采用消息队列遥测传输协议作为通信协议,定义一套完整的信号接口,涵盖温度、电流等检测信号,以及避雷器故障、避雷器短路、避雷器失效、电池电压不足、通信系统故障等故障报警信号。

4 理论依据

避雷器泄漏电流指在正常额定电压下,避雷器工作时所流过的电流。一般而言,在正常的工作状态下,可以将避雷器看作绝缘体,不存在过电压时,避雷器泄漏电流非常小,不会大于1 mA。随着避雷器长时间工作,受外界因素影响,避雷器内部阀片的性能会有所降低,此时避雷器泄漏电流就会变大。避雷器泄漏电流在一定程度上反映了避雷器的绝缘程度,是在运行状态下判断避雷器性能的一个极为重要的指标。

笔者依托泛载物联网结构来布置和连接线路避雷器,依照基本雷电防护原理,满足信息化、智能化防雷需求,设计无线避雷器在线监测装置,构建具有实时监测、远程监测、雷击记录、灾害预警等功能的综合信息化智能防雷系统,实现从防护到预警,从巡检到自检的全新雷电防护模式。

在研究中,依靠智能监测技术、物联网信号传输技术,实现对大面积避雷器工作状态和雷击次数的监测。在感知层,传感器实时检测避雷器阀片温度、泄漏电流及动作次数。北斗卫星定位系统用于定位故障点。在传输层,应用物联网实现感知层与后台服务层的实时信息传送。

5 创新点

采用并联接线法,基于电流互感器感应并联导线上电流的原理和方法,可以同时测量金属氧化物避雷器的泄漏电流和雷击次数。在金属氧化物避雷器中金属氧化物接近底部的位置放置一个金属薄片,引一根导线穿过电流互感器后接至避雷器外壳地,此导线与底部的金属氧化物形成并联。在金属氧化物绝缘性能良好的状态下,金属氧化物无泄漏电流,电流互感器感应到导线上的电流为零。在金属氧化物绝缘性能变差的状态下,有微弱的电流流过金属氧化物,当电流流至接近金属氧化物底部时,由于金属氧化物底部阻性大,电流会全部流至并联的导线上,电流互感器感应到导线上有微弱电流,一般为0～50 mA,此电流即为金属氧化物的泄漏电流。当直击雷或感应雷到达金属氧化物时,由于金属氧化物的物理特性,雷击电压大于金属氧化物的截止电压阈值,金属氧化物导通,大电流流至金属氧化物底部。此时,绝大部分电流通过金属氧化物流至外壳地,同时会分流部分电流,大小为1～5 A。电流互感器感应到导线上的大电流,即可记录雷击次数。

测量金属氧化物的温度,与环境温度对比,判断金属氧化物是否发热。结合测量得到的金属氧化物泄漏电流,双参数分析金属氧化物避雷器的绝缘性能,准确性高,可以避免误判。顶端承载的高压线电压没有限制,可以适用10 kV或35 kV不同高压等级,不需要修改测量单元的任何参数。采用窄带物联网技术,功耗低,延时短,成本低,体积小,测量数据直接传输至云平台,安全可靠。可以根据用户要求定时传输数据,在发生雷击时,实时快速上传数据,方便管理人员及时进行管理。

6 产品介绍

在线监测装置与金属氧化物避雷器的普通组合如图1所示。金属氧化物避雷器当于一个很大的电阻,处于绝缘状态。一旦系统发生过电压,金属氧化物避雷器立即激活进入工作状态,成为导体,将高电压释放至大地,之后恢复为绝缘状态,阻断续流。金属氧化物避雷器可以避免系统电压持续升高,保护设备和人身安全。绝缘挂板起支撑连接且固定金属氧化物避雷器的作用。智能监测模块通过监测流过金属氧化物避雷器的泄漏电流,实现对金属氧化物避雷器状态的监测。脱离器受到大电流冲击时会自行脱落,方便定位线路中的故障点。

图1 在线监测装置与金属氧化物避雷器普通组合

采用如上组合,能够保护电力系统中各电器设备免受过电压损坏,基于电力物联网实现避雷器与后台服务器的实时信息传送,由后台服务器保存信息,并进行大数据处理,达到一二次融合的避雷器故障识别功能。系统发生过电压时,能够及时收到信息,并确认故障点。后台通过数据综合判断避雷器是否需要更换,使架空线路发生雷击后的损失降到最低。

在线监测装置与金属氧化物避雷器的腔室组合如图2所示。绝缘护罩起绝缘与保护的作用,绝缘壳体起支撑、阻隔与绝缘的作用,绝缘外套是由硅橡胶制成的绝缘伞裙。金属氧化物避雷器、智能检测模块、脱离器的作用与前述相同。铝合金卡套用于卡住金属氧化物避雷器芯体,并接地。金属支架起支撑连接且固定金属氧化物避雷器的作用。

图2 在线监测装置与金属氧化物避雷器腔室组合

采用如上组合,当避雷器因雷击损坏时,只需要应用绝缘操作杆更换避雷器芯体,简单方便,并可以带电作业。采用如上组合,还可以提高线路绝缘等级,产品的拆装、维修、更换均不需要爬杆,在地面借助绝缘操作杆就可以完成,省时省力。避雷器安装在腔室内,避免日照、雨淋及雾霾作用,避雷器的使用寿命延长。

7 技术参数

无线避雷器在线监测装置防护等级为IP68,技术参数见表1。

表1 无线避雷器在线监测装置技术参数

8 推广前景

当前,我国电力工业发展迅速,发电机装机容量逐年增加。绝缘子避雷器作为输配电设备不可缺少的组成部分,与电力工业的发展有密切关系。电力工业是绝缘子避雷器产品最主要的应用市场,城乡电网建设和改造、西电东送工程、电气化铁路建设、特高压产品市场不仅为绝缘子避雷器产品提供了广阔的市场空间,而且对绝缘子避雷器产品提出了新的要求,促进绝缘子避雷器产品的市场结构调整和新技术研发力度。强度等级高、耐污性能好、可靠性高的绝缘子避雷器将成为未来电力工业的重点应用产品。

笔者设计的无线避雷器在线监测装置具有竞争优势。目前市场上的避雷器产品只具有单一防雷功能,安装工序复杂费时。在达到相同防雷电压参数的前提下,笔者设计的无线避雷器在线监测装置实现实时检测泄漏电流、工作温度、动作次数等功能,并且能够在线分析,判断避雷器的质量,对避雷器故障进行提前预警。

无线避雷器在线监测装置还支持移动巡检,在现场巡检中通过智能移动电话应用软件直接获取避雷器的工作状态,基于动作次数、泄漏电流大小对比,快速定位故障避雷器,提高检修作业效率。无线避雷器在线监测装置完全适应电网现代化建设的需要,符合电力线路器材向低能耗、无故障、长寿命、免检修发展的要求。

9 结束语

架空线路的防雷在电力系统中具有重要地位,如果防护措施不当,雷击过电压将会对电厂、变电站的电气设备造成破坏,严重威胁电力系统的安全稳定运行。架空导线上直接安装避雷器是一种有效的防雷方法,但避雷器一旦遭雷击损坏,就成为架空导线的短路障碍,无法输送电,且故障点的查找一直是一个难题。笔者通过研究电力物联网中避雷器的远程故障监测与维护,设计了一种结构简单、成本低廉的高可靠性无线避雷器在线监测装置,具有较高的应用和推广价值。