基于雷击能量估计方法的氧化锌避雷器在线失效预警装置设计

杨庆林

摘 要：本文提出了一种估计氧化锌避雷器所承受的雷击能量大小的方法，阐述了氧化锌避雷器的失效与其所承受的累积雷击能量之间的关系；设计了一种通过检测和累积避雷器的雷击能量预测避雷器失效的在线装置；设计了该在线预警装置的功能及实现该功能的技术手段。

关键词：雷击；预警装置；避雷器

1 概述

氧化锌避雷器是一种在电力系统中得到广泛应用的过电压保护器件。由于氧化锌避雷器长期工作于露天环境下的高压线路上，容易产生失效和误动作，从而威胁其它电气设备的安全运行。对氧化锌避雷器的定期检查和维护，是采用离线方式，操作专用的检测仪，判断氧化锌避雷器的性能好坏。这一方法不仅带来繁重的劳动量，而且依据安装使用时间的检查规则也不科学。

氧化性避雷器的失效与其经历的累积雷击能量的大小强相关[1]，与其安装使用的时间弱相关。本文设计了一种在线装置，通过检测和估算氧化锌避雷器经历的雷击能量，累积雷击能量并与先验获得的失效阈值相比较，当累积的雷击能量达到阈值时，即判定避雷器将要失效，预警装置发出预警信息，启动避雷器的更换和维护工作。

2 雷击能量估算

雷击脉冲的捕获和能量估计原理，可以用RC回路来比拟说明。当雷击发生时，假设互感器二次线圈测得的电流脉冲有能量E如式（1）所示，电容捕获雷击脉冲能量，以电压为U0的内电场形式存在如式（2）所示；当脉冲过后，能量泄放电流i如式（3）所示，检测此泄放电流，然后按照式（4）可以估算出脉冲能量。

其中：为式（1）；为式（2）；为式（3）；为式（4）。

由于互感器一次线圈和二次线圈之间的电流关系是线性，实际氧化锌避雷器承受的雷击能量应该与式（4）的计算结果之间存在一个当量关系。这个当量关系可以在离线进行的雷击试验台上，统计某型号的避雷器的失效雷击效应时，通过回归计算的方法得到，同时得到一个用于在线预警的阈值。

3 在线预警装置的设计

3.1 雷击能量检测、转换和计量

由于雷击电流的不可预计的大电流，如图1所示，电流互感器宜采用空心线圈才会在大电流时出现磁饱和；让泄放电流导体穿过空心线圈电流互感器，当雷击电流经过泄放导体时，互感器二次侧获得脉冲电流，此脉冲电流对雷击能量吸收回路的电容器吸收，然后按照时间常数对电阻放电，并在4倍时间常数时结束。放电期间通过采集放电电阻上的电压值，可以计算出相应的电流值。

3.2 在线预警装置的电源设计

由于雷电时的电网过电压，和复杂强大的电磁干扰，一般的电压源型电源将引入很大的测量噪声，因此合理的电源设计是利用电流互感器实现一个电流源型的电源如图1所示。采用电流互感器供电的直流电源，变电站操作电源的应用中常采用铁磁谐振交流稳压器。由于电磁谐振交流稳压器的电感要求，会导致电源的体积和重量很大，不适合一个微功率的在线电子装置应用。为解决上述问题，为预警装置设计了一个全电子器件的并联稳压电路。该并联稳压电路用电子元件实现了与铁磁谐振稳压器等效的直流稳压输出。为了保证供电的可靠性，可以设置完全相同的两路互感器和稳压电路在输出端并联。并联稳压电路的原理是，R1，R2构成检测支路，当负载侧的电压低于设定的阈值时，调整开关断开、电流源向负载侧供电；当负载侧电压高于设定的阈值时，调整开关导通，电流源在电源侧断路形成闭合回路。为满足不同检测方案的电压需求，可以在负载侧设置相应的DC-DC变换器。随着负载侧功率消耗的变化，并联调整开关的占空比会自动变化。

3.3 在线预警装置的功能设计

（1）具有RS-485通讯接口，将预警信号向外传输；（2）具有I2RAM在掉电时存储历史数据记录；（3）具有键盘显示器接口，作为阈值设定和现场检修时的查看；（4）单片机核心应该做电磁屏蔽设计。

4 结论

（1）本文提出了一种估计氧化锌避雷器所承受的雷击能量大小的方法，阐述了氧化锌避雷器的失效与其所承受的累积雷击能量之间的关系；设计了一种通过检测和累积避雷器的雷击能量预测避雷器失效的在线装置；设计了该在线预警装置的功能及实现该功能的技术手段；（2）本文提出的思路和方法在某型智能防雷漏电断路器上的应用，收到了预期的效果，证明了本文设计的正确性和有效性；（3）当雷击发生的时间间隔小于4倍的RC时间常数时，虽然波形会出现重叠，但是在系统为线性的假设为真时，并不影响能量雷击的计算；（4）上述氧化锌避雷器的在线预警装置的设计思路，很可能会指导电力企业，彻底改变氧化锌避雷器的应用管理，也可能引发避雷器生产厂家主动做避雷器和预警装置的一体化设计，从而出现“智能避雷器”。

参考文献：

[1]林维勇.从保护范围及耐雷击能量评价半导体消雷装置[J].电网技术，1997.

[2]建筑物防雷设计规范，GB50057-94.

[3]李卫东.对氧化锌避雷器报警电流参考标准值的建议[J].高压电器，2003.

[4]黄宗杰.氧化锌避雷器测试仪的设计[J].苏州大学，2010.endprint