输配电避雷器在线监测系统的分析与设计

王 刚，张 强

(铁岭供电公司，辽宁 铁岭 112000)

20世纪70年代发展起来的金属氧化物避雷器(MOA)具有保护特性好、通流容量大和结构简单可靠等优点，可为电力设备提供更好的保护水平和更大的保护裕度，在城市配电网中得到广泛运用，正逐步取代炭化硅避雷器，但在实际运行中，MOA的使用面临监测较难等问题。

我国电力系统对避雷器检测采用预防性试验方式，一般通过停电试验可检查出来，但停电试验不可靠，也不经济。在配电网中，进行停电试验更加不合时宜。配电网线路分布广，避雷器数量众多，对每个避雷器进行逐一检测需要消耗大量人力、物力，还会造成停电，同时也不能排除2次预防性试验间避雷器损坏的可能。现今，经济发展对用电可靠性和电能质量的要求断提高，在MOA发生事故后进行更换的做法已不能被用户接受。对MOA进行在线监测是解决这一问题的有效途径，通过在线监测与带电测试并由此确定是否停电，能够有效发现MOA受潮和老化等缺陷;通过在线监测数据与同一设备连续监测的数据进行对比，可进一步判断属于何种潜在性故障，通过在线监测还可以在不断电的情况下随时了解MOA的运行性能，及时发现异常现象和事故隐患，对检测结果做出正确判断，采取相应防范措施。因此，研究MOA在线检测技术十分必要［1－3］。

1 配电网避雷器在线监测通信网络设计方案

1.1 数据传输要求

避雷器在线监测系统对数据的传输提出了很高要求，主要可分为如下3个方面。

a． 抗干扰能力。避雷器多设备于户外，工作环境较差;同时，由于靠近高压线，电磁干扰强烈，需要通信设备具有良好的电磁兼容性。

b． 可靠性和实时性。通信系统是在线监测系统的神经线，系统运行的数据采集和分析处理都需要借助于通信系统来实现。在线监测系统的主要功能是对避雷器运行状态进行实时监控，要求反应时间越短越好，处理过程越快越好，这样就对通信系统的可靠性和实时性提出了较高要求。

c． 建设成本。配电网中避雷器使用量大，通信系统的通信端口必须涉及到每个避雷器，这样将造成通信网的覆盖面积很大，线路很长，是一项投资巨大的工程。因此，必须选用合理的通信方式，尽量降低成本。

1.2 主要通信方式

目前，避雷器在线监测通信方式主要有光纤通信、电力线载波通信、无线通信，都各具特点。光纤通信的高传输速率、高可靠性和超低损耗是其它通信方式难以比拟的，已成为电力通信骨干网的主要传输方式，但要成为避雷器在线监测通信的主要方式，光纤通信还有很大的技术劣势。首先，要广泛铺设光纤，成本过高是难以克服的问题;其次，如果电力特种光缆与电力线同杆架设，出现中断时需要停电检测，且周期较长，这在直接面向用户服务的配电网中是需要避免的。电力线载波通信是一种传统的电力通信方式，具有投资小、易维护的优点，但其干扰严重、时变衰减大、阻抗变化大，目前尚不能为避雷器在线监测系统提供高速、稳定、可靠的通信链路。无线通信GPRS/CDMA，近年来得到了广泛应用，但采用第2方服务存在成本高、信息安全性差的缺点，且GPRS/CDMA大多存在较高的时延，不一定满足在线监测系统要求［4－5］。

相对于上述3种配电网通信方式，Wi-fi/Zigbee技术具有一些独特的优点。在通信网络方面主要研究Wi-fi主干网与Zigbee局部网组成的网络的组网技术、数据传输、接口设备和运行特性等。

2 新型避雷器在线监测终端的选择

目前，避雷器在线监测终端的功能已由单一信号的状态监测与识别发展为功能多样化和集成化，主要有如下几个方面。

a． 避雷器内部温度、电流、电压信号检测功能。对避雷器的泄漏电流、阻性电流、电网电流和电压等特征量进行测量。

b． 数据记录与处理功能。对以往的避雷器运行工况中的泄漏电流、阻性电流、温度和电网运行工况进行记录并存储，作为判断避雷器状态信息，便于对避雷器运行状态进行综合分析。

c． 保护功能。配电网过电压防护，防止出现过电压时避雷器未损坏而自监测装置发生故障的情况，有效防护了过电压对自监测装置的威胁;过电压误动防护，配网系统允许单相接地故障持续运行2 h，自监测装置要保证不因泄漏电流增大而误动;对表面污秽导致误动的防护，外表污秽在湿度较大时可能使泄漏电流增大几倍，极有可能导致误动。在污秽严重地区，采用屏蔽环将MOA表面泄漏直接旁路入地，以减少误动。

d． 检修决策功能。避雷器在线监测最重要的应用是监测避雷器的运行状态，判断其是否产生缺陷，是否应立即进行检修，减小检修的盲目性，提高检修效率。

e． 集成功能。终端、开关在线监测智能单元和站内其它智能设备的集成，新型避雷器在线监测终端应保证实现上述功能所需要的硬件软件设备，包括信号传感、软件编制、硬件电路、通信接口、电源、人机接口、电磁兼容、可靠性、安装调试维护问题等［6－7］。

3 避雷器故障在线监测与决策算法研究

避雷器在线监测与决策算法的关键是对特征信号的处理。由于避雷器运行环境复杂多变，以及缺乏对避雷器状态恶化过程机理的全面认识，对特征信号的理解和运用存在片面性，导致现有的单一信号判据都无法适应而导致误判和漏判。理论研究和现场录波数据表明，阻性电流中含有大量高频分量，如果能提出一种精确的数学模型，从理论上推导阻性电流判据，对在线监测是极为有利的［8］。同时避雷器温度的测量受环境的干扰很大，如果能选择合适的传感器、进行高精度测量，并研究一个合适的数据处理算法对温度信号进行处理，将使在线监测精度大大提高。

A/D精度和速度的提高及DSP芯片技术的成熟，对于特征信号和状态评估的计算将更为有利。而特征信号的测量成为提高状态估计精度的关键因素。采用先进的新型传感器可极大地提高在线监测效率和精度。

单判据阻性电流已无法满足现在的线监测要求，研究多判据监测理论是一个趋势。小波理论、模糊集理论、人工神经网络等数学工具的应用使判据的可靠性和自适应性得到加强。但应用这些先进数学工具的前提是理解特征信号对避雷器状态的作用机理，了解避雷器各种状态条件下的温度、电压、电流特征等。

馈线自动化系统中的通信系统，为研究分布式避雷器在线监测系统提供了物质基础。以前研究的阻性电流信号的单一判据原理都具有局限性，仅对某一特征进行比较分析，只能反映避雷器在某一时期的自身状态。现在，利用分布在馈线上的新型在线监测终端强大的测量和计算功能，可取得多个状态特征;利用监测终端的通信功能，可将计算得到的状态判据上传给控制中心的子站系统，通过子站的分析判断决定避雷器是否需要进行检修［9］。

4 系统结构组成与功能设计

避雷器在线监测系统的核心是新型在线监测终端的研发，新型在线监测终端组成结构如图1所示，主要包括光纤温度互感器、数据采集与合并单元、微处理器模块、通信模块、故障检测与处理模块、高压取电模块、电池供电模块，以及相应的算法、软件和架构、安装固定器件等，其功能主要有数据采集、通信、与主站配合进行状态判断和预防检修决策等。

图1 避雷器在线终端组成结构示意图

避雷器在线监测系统功能结构如图2所示。该系统的先进性和实用性主要体现在对关键技术的掌握上，关键技术主要包括适用于避雷器温度测量的传感器的选择和应用、适用于避雷器在线监测的通信组网设备的开发及监测与决策算法研究。前2个部分是基础，后者是集成和关键，正因为前面的基础才成就后面的关键，因此，该系统的监测与决策算法的基本思路是在深入研究避雷器的各种特征量(泄漏电流、阻性电流和内部温度等)的基础上，应用自适应处理技术、信息融合技术和人工智能技术，研究高性能的避雷器在线监测实用算法。

图2 系统功能结构示意图

5 结论

对MOA的内部温度监测为主，同时测量分析阻性电流和泄漏电流，利用传感器将这些信号传给避雷器在线监测通信网进行传输，将这些温度信号采入计算机，用实用算法进行数据处理和分析，对避雷器的运行工况做出较为客观的反应，对缺陷及隐患做出准确判断，实现对避雷器的在线监测。

采用温度传感器研究新型避雷器在线监测终端设备，应用先进的通信技术，研究避雷器在线监测新算法，构建避雷器在线监测系统具有十分重要的理论价值和实际意义。本系统将有效提高电力系统安全运行水平，对电网安全和发展具有重要意义。

［1］ 陈继东，林 盾．MOA在线监测系统几个问题的研究［J］．电瓷避雷器，2003，46(5):23－25．

［2］ 杨 升，常 越．基于CAN总线的MOA在线监测系统［J］．高电压技术，2003，29(5):29－30，44．

［3］ 李 虎，邹建明．在线监测技术在电网中的应用 ［J］．华中电力，2007，20(6):56－58．

［4］ 张宇辉．避雷器在线监测系统研究 ［J］．科技风，2009，22(21):240，251．

［5］ 王叶坤，黄洪全．一种新型分布式金属氧化锌避雷器在线监测系统［J］．仪表技术，2008，37(7):29－31．

［6］ 万四维，陈世元．氧化锌避雷器阻性电流的在线监测 ［J］．广东电力，2005，18(12):65－68．

［7］ 云晓春．金属氧化物避雷器在线监测技术比较［J］．信息与电脑 (理论版)，2010，4(12):153．

［8］ 常 越，钱家骊．LCD－4仪器检测三相氧化锌避雷器阻性电流的分析［J］．高电压技术，1995，21(2):77－80．

［9］ 贾逸梅，粟福珩．在线监测氧化锌避雷器泄漏电流的方法［J］．高电压技术，1991，17(3):30－35．