避雷器的智能在线监测系统设计研究

江 玉，潘俊锐，史经威

（安徽送变电工程有限公司，安徽 合肥 231299）

0 引 言

避雷器的主要功能是通过放电的方式释放过电压，以确保电子设备的稳定运行。当避雷器处于工作状态时，其泄漏电流和工作电压等参数被视为评估设备运行状况的关键指标。经由数据分析找出避雷器出现问题的根源，可以确定系统监控路径，并实时追踪设备运行状况。此外，能够实时监测避雷器在运行过程中可能遇到的风险，从而降低设备故障发生的可能性。利用模块化设备与避雷环境预警监测设备的统一管理系统，能够立即采集、提交并规避避雷器的运行风险，从而保证避雷器能够在合适的环境下运行，延长其使用年限。

1 避雷器及其智能在线监测系统的相关阐述

经过多次科技创新与优化，避雷器已逐步发展为现今广泛应用的金属氧化物设备，不仅是科技进步的体现，更是对传统避雷器的升级改造，充分满足各领域对避雷器的需求。值得注意的是，当前市场上主流的氧化锌避雷器能够在操作期间即时监控漏电流，且其内部通常装有在线监测设备，实现了真正意义上的在线检测。然而，避雷器的在线监控系统尚未实现24 h 全方位监控，因此深入研究避雷器智能在线监控系统设计方案显得尤为重要。

在搭建并改进避雷器实时监测系统的过程中，研究人员从多个角度进行深入探讨。通过改进模块，提高避雷器在线检测系统的效能，确保实现实时远程监控；通过实时监测避雷设备工作状态，掌握设备运行情况，并将相关信息及时传递给控制系统，系统内部检测员可根据获取的实时数据做出相应处理。科研人员解读数据后，将最终成果呈现给决策层，进而根据设备发展状况对其进行升级改造或内部部件维护。在设计避雷器智能化在线监控系统时，必须全面评估其工作环境，并特别关注避雷器自身的物质条件和内部结构限制[1]。例如，避雷设备的工作环境应保持在特定温度范围内，或遵循特定湿度规定。

2 避雷器的智能在线监测系统设计思路

在构建避雷器智能在线监测系统的过程中，通过计算机即时跟踪数据避雷器漏电流，深入剖析其影响因素，能够有效把握避雷器的运行状况，从而做出精确且全面的评估。常见的避雷器监测方法包括谐波法、泄漏电流法以及补偿法等。

为提升避雷器智能在线监测系统的监测精确度，须严格把控监测误差，特别是电磁场对监测点的影响和高次谐波对监测结果的影响。因此，应深入研究电磁场干扰处理方法，实现电缆线的有效屏蔽。通常，采用静态测量相间电容处理方法，并利用智能化软件分析电压的高次谐波变化。各类监测方法各有特点，但在整个流程中具有共性。同时，概括和整理电压互感器（Potential transformer，PT）的电压参照信号，PT 的相移和负荷关系变化有助于提高监测精确性和准确性，避免相移问题带来的负面影响。此外，需要全面评估多种电流方法的重要性，如总泄漏电流法等，通过实时的数据分析和处理，监测避雷器运作状况[2]。

借助光纤技术，通过智能电网的在线避雷器检查系统，可以进行远距离的信息交流，使控制中心（非现场）可以及时、准确地收集避雷设备的工作状况。通过科学的方法评估避雷设备已存在的问题，并预见未来可能出现的问题，深入了解问题特征、种类、严重程度及根源，揭示问题产生与演变方向。通过有效管理避雷器故障进程，实施相应策略解决避雷器问题，防止电力系统出现故障，保障高压设施的安全性和稳定性，有利于变电站和整体电力系统的平稳运作。

该系统的最大检测漏电量可达10 mA，符合我国1 000 kV 避雷器在超高电压线路的检查需求，同时精确性超越传统方法5 倍，系统管理员能实时获取现场避雷器的运作情况。

3 系统硬件电路设计

3.1 电流采样电路设计

文章的重点是探讨避雷器在线监测系统的监测手段，其中许多功能是通过软件分析来完成的，所以硬件电路的设计相对较为简单。但由于氧化锌避雷器（Metal Oxide Arrester，MOA）的阻抗泄漏电流相对较小，因此对其硬件电路的功能要求相对更高。为确保测试数据的精度和一致性，所选硬件设备须具备较强的灵活性、较小的温差以及较大的共模抑制系数，不仅可以消除外界因素的干扰，还能够减少信号偏差[3]。

电流采样电路利用高容量和低电压的氧化锌电阻片来创建过电压的排放通道；调整避雷器的泄露电流，以保证数据的精确度（误差不超过0.05 mA）。同时，设计了前端压敏电阻和电压脉冲抑制器等防护装置，以确保系统的稳定性。

Proteus 是专门为下位机电子系统的构建与生产而开发的软件。首要步骤是根据电流采样电路设计和模拟，然后使用Proteus 软件的ARES 工具将其输入到原理图中，从而产出与印刷电路板（Printed Circuit Board，PCB）有关的文档，最终完成三维仿真。

3.2 光电转换及信号处理电路设计

采样电路将泄漏电流转换为光脉冲信号，然后借助光纤送入光电转换设备。在此过程中，红外接收器将声音转化为电流，然后经过放大器的处理，这些信号最终送达主要的编码和计算中心。信号处理中心基于编码和计算中心，其中包含红外接口电路、信号放大电路、信号跟随电路、系统级芯片（System on Chip，SoC）、RS-485 通信接口电路以及电源电路等。

安装Proteus 软件后，在PCB 设计过程中，Proteus的封装库有时候难以检索出预定的规格元素，如电阻、二极管以及一些普通的微控制器等，特别在光电转换和信息处理电路的构建中。此时，应手动制作所需的元件封装，制作过程可遵循以下几步。首先，依据技术指南来确定元件的推荐尺寸；其次，使用游标卡尺来确定元件的实际参数；最后，Proteus 软件完成并储存中间系统到中间系统（Intermediate System to Intermediate System，ISIS）封装库的所有信息。

3.3 电源电路设计

鉴于常规智能控制设备结构简便，能耗相对较低，常见的控制功率不超过200 W，故其系统电源由阻抗降低电路提供。然而，长距离数据无线传输可能需瞬间投入大量能源，同时高效继电器在阻抗降低时提供的电力来源或显不足。因此，选择使用磁保持继电器和12 V 开关电源模块来设定该系统，以满足高功率电流切换和节能的需求。

3.4 其他电路设计

针对控制设备的需求，在综合考虑各类芯片存储特性后，选用AT89C2051 与AT24C02 两款芯片。前者由于“先擦除，再写入”的操作模式和擦写频率限制，适用于处理不常变动的数据，如避雷器位置、放电时长等；后者表现出优秀的存储性能，能保存电子参数测定结果[4]。

此外，控制设备需具备展示避雷器操作状况、放电记录、预警记录等关键信息的能力，并执行RS-485通信和无线远程传输任务。在此环境下，通信电路能完成基础的通信工作，如获取监控参数、调整系统参数及执行数据处理指令等；红外接收与发送电路则有助于提高数据获取和管理效率，并确保其稳定性。

4 上位机软件设计

通过串口线，监测系统与专门的计算机串口（COM2）进行互动，将监测系统内显示设备（或转换单元）的RS-232 接口与安装了应用软件的计算机串口相连。RS-485 总线作为转换器的交流手段，具有1 200 m 的传输距离。

整个系统的核心是上位机管理软件，主要职责是实现人机交互，设计应考虑系统的总体架构、各级别上/中/下位机的特性、通信规则以及用户需求。如果将管理工具安装于远程服务器，用户就可以通过浏览网页的方式，在局域网或者互联网中实现远程访问，从而获取并管理系统的信息。

使用VB 高级编程语言来构建上位机程序，其中监测数据呈现得非常明确，方便搜索与保存。程序整合了监控数据展示和参数管理的功能。监测数据呈现功能涵盖过去的数据检索、即时电流展示以及电流频率展示，通过使用参数管理功能，用户可以在软件界面上迅速修改系统的所有参数，同时进行阅读、移除、输出以及复制等操作。

4.1 历史数据的操作界面

使用鼠标点击上位机管理软件主页面上的“浏览过去的信息”按钮，即可浏览过去的信息。按下鼠标右键，在历史数据的页面中会展示菜单，点击“清除数据”按钮，就能清除所有历史数据；点击“输出信息”按钮，将全部的过去信息输入Excel 工具栏，能够利用Excel 的特性，实现对全部过去信息的复制、修改及打印等操作。

4.2 放电次数及时间查询

该系统提升了避雷器放电频率的显示效果，并具备自动追踪放电时间的功能，便于用户实时查阅与使用。成功接入系统后，用户可查询放电次数和持续时间。在主界面，通过鼠标左键双击放电次数空白框，系统将自动计算相应位置的放电频率和持续时间[5]。仅在成功连接且电流显示情况下，可观察到放电次数和时间，每次仅能观察一个相位。系统具备42 次存储能力，用于追踪各相位放电时间，用户可以对获取的时间信息进行二次编辑。在收集结果界面，通过右键点击，选择“导出”按钮，可将放电时间信息导入Excel 工作表，进而复制、修改及打印。在完成输入和保存操作后，如果需要消除释放电流，可返回主控制器主页，点击“系统管理”下的“消除释放次数和时长”，系统将在5 s 内自动完成消除。

5 结 论

避雷器在线监测系统，作为智能电网的核心组成部分，致力于全面提升安全、科学及智能化水平，以适应智能电网的飞速发展。在这些设备中，通信、计算机及自动化等技术大规模应用，并与传统检测技术紧密结合，从而显著提升检测设备的智能水平。通过信息技术手段，能够在系统中全方位预测潜在避雷器问题，给予必要的技术支持。在电力系统面临停电风险时，能迅速采取相应措施，使无人值守电站变为现实。利用远程数据收集，使系统完全信息化，极大地减少了事故的发生概率，从而保证电力系统的稳定性。