（1.海口供电局 海南 570000；2.武汉精伦电气有限公司 武汉 430223）
摘要：避雷器是电力系统重要设备之一，由于长期工作在室外，其内部很容易老化以及受潮，这不仅影响氧化锌避雷器的工作效果，更容易引起事故。为保证其发挥正常作用，需要定期进行检测。目前检测方法大多是通过分析工频运行环境下氧化锌避雷器泄漏电流中的阻性分量以判断其性能的优劣。由于输电线路避雷器安装在高空杆塔上，阻性电流的测量无法采用变电站内避雷器的常规带电测试方法。本文提出了一种基于GPS同步的分布式阻性电流在线测量技术，为输电线路避雷器的阻性电流在线检测提供一种有效可行的技术手段。
关键词：输电线路；避雷器；阻性电流；分布式测量；在线监测
1 引言
氧化锌避雷器是现代电力系统中过电压保护的重要器件，主要用于抑制由线路传来的雷电过电压或操作引起的内部过电压［1］。是保证电力系统安全运行的重要保护设备之一，它的正常运行对保证系统的安全供电起着重要作用。高压输电设备的安全运行是影响电力输电系统安全、稳定、经济运行的重要因素，高压输电设备发生事故，不仅会造成设备本身损坏，而且还会造成多方面的损失。从八十年代开始，氧化锌避雷器在我国电力系统推广应用，并已成为电力系统的重要的避雷设备。[2]根据实际的生产运行分析，在110KV-500KV设备事故中，雷击造成的输电线路跳闸占总次数的第1位，已严重影响了电网的安全可靠运行。[3-5]
2 线路避雷器阻性电流测量的必要性
由于金属氧化物有良好的非线性电阻特性，所以氧化锌避雷器内部没有放电间隙。正是由于没有放电间隙，在正常运行中阀片长期承受电力系统运行电压的作用，有泄漏电流不断流过避雷器的各个串联的氧化锌电阻片，经过长期户外运行，内部受潮或过热等因素的影响，因而会造成阀片非线性电阻特性的劣化。这种劣化的主要表现是正常电压下的阻性电流的增加，阻性电流的加大造成发热量的增加，避雷器内部温度的上升，温度的上升又加速阀片的老化，形成恶性循坏，最后导致MOA由于过热而损坏，严重时可能引起避雷器的爆炸，引起大面积停电事故。[6]
一般认为仅占总泄漏电流10%~20%的阻性电流的增加是引起氧化锌避雷器劣化的主要因素，其中主要包括:瓷套内、外表面的沿面泄漏,阀片沿面泄漏及其本身的非线性电阻分量,绝缘支撑件的泄漏等。氧化锌阀片老化和受潮是导致氧化锌避雷器绝缘性能下降的两个主要因素。[7]氧化锌阀片老化使其非线性特性变差，主要表现为在系统正常运行电压下阻性电流高次谐波分量显著增大，而阻性电流的基波分量相对增加较小。[8]受潮的主要表现为在正常运行电压下阻性电流基波分量显著增大，而阻性电流的高次谐波分量增加相对较小。[9]所以从总泄漏电流中准确提取其阻性电流才是判断避雷器运行状况的关键。
输电线路避雷器由于安装位置、运行环境等因素的特殊性，避雷器的检测主要采用的定期预防性试验的方式，每次预防性试验的成本非常高，不仅需要停电而且还存在时限性及操作困难等问题。所以，研究输电线路避雷器泄漏电流及阻性电流的在线监测技术，可以实现避雷器有针对性的进行试验检修，对于监测数据正常的避雷器可以延长预防性试验的周期。该技术的研究，能实时掌控避雷器的运行状态，使得避雷器始终工作在健康状态，在发生雷击时可以保证避雷器正常的工作，能提高供电可靠性，提升客户用电满意度，取得良好的社会效益。
3 基本原理及设计方案
3.1 阻性电流测量基本原理
氧化锌避雷器的泄漏电流可以被分为两部分：容性部分和阻性部分，一般认为阻性电流仅占总泄漏电10%~20%。如下图1所示为避雷器的等效电路，可以简化的认为是由非线性电阻R和电容C并联组成。其中Ix为工频电压下通过避雷器的总泄漏电流，Ir为阻性电流分量，Ic为容性电流分量，Ix2=ic2+ir2。由等效电路可知，避雷器的阻性电流分量与电压同相位，而容性电流分量则超前90°，其矢量图如图2所示。
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图2 避雷器电压电流矢量图
在等效电路中电容C的大小在确定的安装位置上可以近似认为是一定值； 而由于R的非线性特性，阻值将随两端电压大小的变化而变化，当正常运行时，工频电压作用于阀片未老化的避雷器，非线性电阻R呈现高阻抗，基本不变化；但当遭受雷击过电压时，作用于避雷器上的电压幅值大幅增加，非线性电阻R呈现低阻抗，阻值减小很快，从而阻性电流分量增加很快。
在本文研究中采用的是谐波分析法监测避雷器阻性电流的原理。即通过对避雷器正常运行的工频电压、泄漏电流波形数据进行采集、分析、计算，得出其阻性电流基波分量和各次谐波分量及变化，结合环境数据，通过比较和综合判断实现对避雷器运行状况的监测。
基本原理是，通过电流数据采集系统采集流过避雷器的全泄漏电流数据，同步采集避雷器运行参考电压信号，利用计算分析系统将此时域采集的电压、电流波形同步地转换为数字化离散信号，然后将转换后的两个离散数字波形信号经离散傅里叶变换(DFT)或快速傅里叶变换(FFT)，计算出电压、电流的各次谐波相角，即可从总泄漏电流中分离出阻性电流基波分量和阻性电流各次谐波分量，针对输电线路避雷器在线监测的特点，可以采用离散傅里叶变化的方法，此种方法相对FFT具有高效、省时、运算速度快等特点。
已知一组数字信号记录x(n)，长度为M，则x(n)的N离散傅里叶变换为：
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在计算阻性电流时，设电压基波矢量U=A+Bj;电流基波矢量A(1)=R(1)+I(1)j;可以求出两个向量间的夹角w，则基波阻性电流分量为：A(1)*cos(w);其它谐波阻性分量计算方法类似。
根据上文中描述的方法是不仅可以采集到总泄漏电流值，并可以从总泄漏电流中分离出阻性电流基波值、各次谐波值和总阻性电流值。
3.2 阻性电流分布式测量原理
由于输电线路避雷器运行环境的特殊性，在高压输电线路杆塔上采集电压信号不仅会给输电线路带来安全隐患，并且会增加终端安装的现场实施难度，故采用基于GPS同步采集的分布式测量方案。设计中选择摩托罗拉(Motorola)M12MT授时模块，M12MT接收器是一款具有12通道GPS授时模块，可同时跟踪12颗卫星，能产生高达ns级的同步授时。主要特点包括高精度，可编程，带有每秒一个脉冲或每秒100个脉冲的时序输出精确的GPS，完全校准到协调世界时间(UTC)，无时钟间隔信息性能。不同的M12MT在跟踪到4颗及以上的卫星时，其输出秒脉冲信号上升沿之间的时间差小于500纳秒，并且没有距离的限制，同时M12MT还通过串口输出与秒脉冲对应的UTC时刻，因此采用M12MT进行同步触发采集，可以实现不同避雷器泄漏电流测量与变电站内PT参考电压采集的同步。
避雷器泄漏电流采集单元及站内PT参考电压采集单元均配置有GPRS通信模块和GPS模块。由于GPS模块有高精度的秒脉冲信息输出，包括秒脉冲信号和相应的时间信息，根据设置的固定的采集周期，泄漏电流采集单元和站内PT电压采集单元采用秒脉冲的上升沿产生中断，这样可以保证两个采集单元在同一秒脉冲时刻同步采集，同步误差保证在0.5us以内。数据采集完成后，两个采集单元通过GPRS网络将数据上送到上位机监控软件，对能够匹配同一采集时刻的电压电流数据视为同步采集成功，通过上文中的公式计算得出线路避雷器的阻性电流及谐波分量；对不能匹配同一采集时刻的电压电流数据包视为同步采集失败，丢弃数据。由上位机监控软件通过计算得到阻性电流基波值以及各次谐波值。同步采集的原理图如3所示。
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图3 同步采集原理图
3.3 现场数据采集硬件设计方案
根据输电线路避雷器运行环境的特点和实际安全运行的实际情况，在传感器的设计中采用了电磁式穿芯小电流传感器来测量泄漏电流，在材料的选择上选用起始导磁率高，损耗小的坡莫合金作为电磁式电流传感器的铁心。在保证一定生产工艺的情况下这种传感器能够较为准确的检测100uA～100mA的工频泄漏电流，这种传感器测量精度相对较高，相位变换误差小于0.05°，并且具有极好的温度特性和电磁场抗干扰能力，完全满足本系统对于传感器的精度要求。
由于STM32芯片具有大容量的片内存储器，丰富的外设资源，并且支持低功耗运行模式，因此输电线路避雷器泄漏电流的采集选用STM32作为核心微控制器，实现线路避雷器泄漏全电流测量，硬件系统框图如图4所示：M12MT为STM32提供高精度的秒脉冲；泄漏电流传感器对避雷器的泄漏电流进行信号取样，再经过调理电路进行放大、滤波和直流偏移后直接输入到STM32的AD输入引脚，通过AD1进行采样、运算及本地存储；STM32的串口2与GPRS模块相连，用来将采集结果通过GPRS网络无线发送到监控后台软件。电源供电系统为太阳能电池板加蓄电池的工作方式。PT采集单元同样装有M12MT模块和GPRS模块。
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图5 避雷器泄漏电流同步采集流程图
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数据采集流程如图5所示：采集系统平时处于休眠状态，以降低采集单元电源消耗，每隔15分钟，采集单元会被唤醒一次，每隔1秒检测一次跟踪的卫星数量，当跟踪的卫星在4颗及以上时，便可以开始阻性电流的测试，具体流程为：STM32微控制器根据M12MT芯片返回的UTC时刻信息，判断M12MT的秒脉冲是否为设置的时刻的前
一秒，若已经到达前一秒，则说明下一个秒脉冲的上升沿需要启动泄漏电流的同步采集，若还没有到达，则继续等待和判断；同步采集完成后，泄漏电流采集单元将采集结果数据通过GPRS无线发送到监控后台软件，STM32微控制器重新进入休眠模式。PT电压监测单元同样在设置的采集时刻，启动电压信号的同步采集，并将采集结果发送到监控后台软件。
3.4测试试验数据
避雷器泄漏电流采集单元与站内PT参考电压采集单元按照约定在UTC时间每分钟的7秒、13秒、19秒、25秒、31秒、37秒、43秒、49秒、55秒时刻进行同步采集信号，然后各自将采集结果通过GPRS网络发送到监控后台软件，后台软件对收到的电流电压数据按照各自的采集时刻进行比对，对采集时刻相同的电压和电流数据，软件通过数字频谱分析方法，可以计算出泄漏电流矢量与PT电压矢量之间的相位差，进而可以求出泄漏电流中阻性电流分量。对采集时刻不同的电压和电流数据，软件可视为未同步成功数据，自动丢弃。
采用高稳定度功率源通过精密电阻产生泄漏电流接入泄漏电流采集单元，功率源电压接入PT采集单元，选取不同阻值的电阻，进行同步采集试验验证，试验结果如图6所示：
试验选取了0.2mA和0.6mA两个电流档位对GPS的同步性能进行了测试，从测试数据结果看采用GPS的分布式测量方式，电压电流相位波动<0.15°，满足输电线路避雷器阻性电流测试精度要求。
3.5数据应用
通过对阻性电流基波值、谐波值和总阻性电流值的在线监测，结合环境数据并与系统历史采集数据的纵向比较，可全面地评价避雷器当前的运行状况。当避雷器阻性电流值突然增加幅度较大或峰值越限时，避雷器就可能存在潜在的安全隐患。当避雷器在系统正常运行电压下阻性电流基波分量相对增加较小，但阻性电流高次谐波分量显著增大时，避雷器的氧化锌阀片就有可能存在老化现象；而在正常工频电压的作用下阻性电流高次谐波分量增加相对较小，但阻性电流的基波分量显著增大时，避雷器的氧化锌阀片可能受潮，避雷器的密封性能已经不能满足要求，需要检修或更换。
4 结论
输电线路避雷器由于安装位置、运行环境、维护方式等因素的特殊性，一直都没有一种有效的手段来实现避雷器阻性电流的在线监测。本文在分析了避雷器传统的阻性电流测量原理及技术的基础上，提出了一种适合输电线路避雷器的分布式阻性电流在线测量技术。本项目的研究实现了输电线路避雷器阻性电流的在线监测，为避雷器的运行状态评价提供了数据依据，使得输电线路避雷器日常运维工作有据可依，提高电网运行的可靠性。
参考文献：
[1] 谢鹏， 张国栋. 金属氧化物避雷器试验测试方法的发展及应用［J］. 电瓷避雷器， 2006(5).
[2] 黄盛洁、姚文捷、马治亮、李化著，电气设备绝缘在线监溯和状态维修[M]．北京：中国水利水电出版社，2004.
[3] 苏胜新, 何金良, 咸日常等. 线路用避雷器应用中的几个关键问题[J ] . 电磁避雷器, 2000 (4) : 3-10.
作者简介：
陈泽师（1983-），男。助理工程师，本科，从事电力工程及其自动工作。
王勇（1981-），男。高级工程师，工程硕士，从事计算机、配电自动化等方面的工作。
居一峰（1989-），男。工程师，硕士，从事输电线路工作。
唐祥炎(1984-)，男。工程师，本科，从事电力电子技术的研究工作。
陈俊安（1983-），男。助理工程师，本科，从事输电线路工作。
余红喜（1978-），男。高级工程师，本科，从事电力信息化相关工作。
论文作者:陈泽师1,王勇2,居一峰1,唐祥炎2,陈俊安1,余
论文发表刊物:《电力设备》2018年第21期
论文发表时间:2018/12/12
标签：避雷器论文; 电流论文; 电压论文; 分量论文; 基波论文; 在线论文; 线路论文; 《电力设备》2018年第21期论文;