高海拔地区避雷器在线智能监测技术分析

2022-06-15武超逯宪斌罗福星谢忠明郭树峰

中国设备工程 2022年11期

武超，逯宪斌，罗福星，谢忠明，郭树峰

（国网西藏电力有限公司检修公司，西藏拉萨 850000）

避雷器是保护输配电线路免受雷击跳闸的重要电气设备，避雷器的运行状况将影响输配电线路的运行安全。为了能够及时准确地了解避雷器绝缘系统的运行状况，需要对避雷器配置智能采集监测终端，实现对避雷器的在线实时监测。本文首先分析了对高海拔地区避雷器进行在线监测的必要性，之后阐述了具体的避雷器在线智能监测技术现状及技术原理，最后介绍了避雷器在线智能监测技术在实际中的相关应用情况。

1 高海拔地区避雷器监测的必要性

1.1 避雷器的结构及运行原理

避雷器主要是给输电线路提供雷击过电压保护，工频过电压保护一般由其他保护装置来完成。在高海拔地区，经常出现雷电天气，给输配电线路的可靠运行带来了一定的挑战。避雷器当运行时间较长时，会出现一定程度的劣化现象。如果避雷器的劣化程度较为严重，则可能会使得避雷器失效，难以给输电系统提供过电压安全保护。以氧化锌避雷器为例，由于避雷器长时间被雨水浸泡而受潮，容易出现劣化现象，图1为氧化锌避雷器的结构。

图1 氧化锌避雷器的结构

从图1中氧化锌避雷器的结构中可以看出，氧化锌避雷器在组成结构中主要包括瓷套、熔丝、氧化锌、弹簧以及密封垫等组成。当雷击到输电线路上时，会在输电线路上产生较大的感应电流，并且沿着输电线路进入到变电站中，对变电站中的变电一次设备的安全运行构成较大的威胁。为了保证变电站中电气设备的运行安全，一般都在配置了避雷器设备，以为变电设备提供过电压保护。避雷器在运行的过程中具有显著的特征，在电压水平较高时，呈现出低电阻特性，而在电压水平较低时，则呈现出高电阻特性。当输电线路遭受雷击时，避雷器中的感应电压很高，故能够将较大的感应电流导入到地下，这样和避雷器相互并联的电气设备就可以免受雷击，达保护电气设备的目的。当雷电波在输电线路中消失之后，则避雷器所承受的电压恢复为工频电压，重新恢复为高电阻状态，为此应保证避雷器具有较强的绝缘恢复能力。

1.2 高海拔地区避雷器监测的必要性

当输配电系统中的避雷器出现了劣化情况时，如果没有及时保养，则当该输配电系统再次遭受雷击时，可能会使得电气设备遭受雷击，导致设备损坏，为此有必要采用高海拔地区避雷器监测终端设备。通过对高海拔地区输配电系统中的避雷器采用高精度采集智能监测终端，进行在线监测，可以实现对避雷器劣化程度的实时监测。一旦避雷器出现劣化时，智能监测终端根据避雷器的劣化程度，及时发出相应的告警信息，并及时通知运维人员进行维护保养，避免因为避雷器劣化损坏而造成避雷器后端设备达不到应有的避雷效果，达到快速高效判断出避雷器工作状态的目标，这也是避雷器在线智能实时监测系统的主要作用。考虑到高海拔地区输配电线路运行环境的特点，合理配置避雷器在线智能实时监测系统具有较强的实际应用价值。

2 避雷器在线智能监测的硬件系统分析

2.1 避雷器监测技术现状

当避雷器运行时间较长时，其内部会受潮，同时，避雷器的阀门也会发生老化。目前，对避雷器的维护有采用人工的方式，及定期测量避雷器的绝缘电阻以及避雷器的泄漏电流等参数，一旦发现避雷器中的绝缘系统击穿或者出现了较为严重的劣化现象，则对避雷器进行更换。这种避雷器的维护方式难以及时发现避雷器中所存在的缺陷，使得避雷器在运行过程中存在着一定的安全隐患。并且在维护过程中也需要耗费较多的人力资源成本，不利于提高维护工作中的经济性及运维效率。为了提高对避雷器的运维效率，在实际中也采用了避雷器监测系统，通过评估避雷器泄漏电流大小来判断避雷器的运行状况。在目前现有的避雷器监测系统中，系统的功能较为单一，并且监测系统在抗干扰性能上也相对不足，难以满足实际的应用要求，并且监测数据也不够准确，以下介绍避雷器在线智能监测系统。

2.2 避雷器在线智能监测的硬件系统

由于避雷器的运行环境具有电磁干扰强、温度变化大的特点，故在避雷器在线智能监测硬件系统的设计过程中，应采取抗干扰的技术措施，保证避雷器在线智能监测系统应用功能的稳定。在避雷器在线智能监测系统中，在避雷器的接地端连接了多个不同的报警传感器，同时，各个报警传感器和数据信息中继器相连，并将数据信息通过中继器传输至避雷器的在线智能监测平台中。其中报警传感器在整个避雷器在线监测系统中扮演着重要的角色，一般该报警传感器是安装在接地排和避雷器之间，可以用来采集避雷器中的泄漏电流信息。

对于报警传感器中的报警电路，在组成上包括压敏电阻、电流互感器、电压比较电路、三极管、二级管、继电器和报警器等。当报警电路监测到避雷器出现了较为严重的劣化现象后，可以通过声音报警器发出声音报警信息，提醒运维人员对避雷器开展预防性试验，从而达到节约避雷器检测资源，并提高检测效率的目的，提高线路运行的可靠性。对于避雷器监测系统中的采集电路，主要包括时钟电路模块、储存电路模块和调试电路模块等，在监测系统中分别承担着不同的功能。同时，在避雷器监测的硬件系统中，还包括数据通信电路模块、防雷保护功能模块、电源电路模块等，这些子硬件模块共同组成了整个避雷器监测硬件系统。通信电路模块一般是采用无线通信技术，以方便各个监测终端之间的通信组网。由于避雷器监测硬件在实际使用的过程中，也可能会遭受到雷击，故在硬件系统中配置防雷保护功能模块具有较强的必要性，能够提高避雷器监测硬件系统的使用寿命。由于避雷器监测硬件也需要额外的电源进行供电才能够使用，故在该硬件中还设置了电源电路模块。

3 避雷器在线智能监测的软件系统分析

3.1 避雷器监测软件系统中的主程序

在避雷器在线智能监测系统中，除了硬件系统，还需要软件系统配合运行。在监测系统软件的设计中，需要对软件系统的主程序、采样程序、数据处理程序等分别进行设计，保证各个软件子系统的功能正常发挥。其中主程序起着主要的逻辑分析及判断作用，能够对采样程序中的数据进行合理的利用。在避雷器在线智能监测软件系统的开发中，首先应加强对主程序的流程设计，图2为避雷器在线监测系统的主程序流程图。

图2 避雷器在线监测系统的主程序流程图

从图2的避雷器在线监测系统的主程序软件流程图中可以看出，软件程序首先判断是否收到了启动监测的消息帧，如果收到了，则对消息帧进行解析，并启动后续的数据采样、数据处理以及数据发送到中继器等一系列环节，完成整个避雷器运行状况的在线监测任务。当监测到避雷器中出现了异常情况时，可以以告警的方式将数据发送出去，达到在线实时监测的目的。当这些流程都运行完毕后，监测系统中的软件程序会继续运行在监测状态，保证对避雷器监测的连续性。在具体的监测程序设计过程中，采样程序、数据处理程序都可以通过额外编写相应的函数来实现，并在监测主程序中对这些函数进行调用。

3.2 避雷器监测软件系统中的采样及数据处理程序

在避雷器监测数据采样环节，需要采集的主要避雷器特征量包括泄漏电流、阻性电流、基波电流、谐波电流以及容性电流等。对于采集周期的选取，可以在采集程序中设置每隔一分钟发送一次避雷器运行状况数据采集广播信息，广播信息主要是用来通知系统中的前端采集模块开始进行数据采集工作。当发送完广播信息后，就可以接着再依次发送单播信息，用来提取避雷器监测系统中各个监测器中所采集的特征数据。这种特征数据在加上一定的时间戳后，就可以送入数据存储模块进行保存。如果发送完一次单播信息后，没有采集到所需要的特征量数据，则可以再次向监测器发送数据采集单播信息。如果多次都没有收到采集信息，则可以认定该监测器运行故障，并发出相应的告警提示信息，方便运维人员对该监测器进行更换。

其中基波电流和谐波电流，需要采用相应的算法提取才能够获取得到。可以对避雷器监测系统中的采样数据，采取快速傅里叶变换的算法进行处理，如果出现了信号频率波动的情况，也可以采用算法进行插值修正，保证基波电流和谐波电流能够正常提取。随着避雷器在线智能监测技术的发展，在监测系统的开发中，可以对数据处理所采用到的算法进行优化，以便提高对数据分析及处理的效率，更好地掌握避雷器的运行状况信息，保证避雷器处于良好的运行状态。