智能型避雷器在线监测装置的研制和应用

智能型避雷器在线监　装置的研翩和应用　电工电气　（２０１３　Ｎｏ．１０）　智能型避雷器在线监测装置的研制和应用　彭韬，朱继红，须雷　（南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京２１１１　０２）　摘要：分析了避雷器在线监测的原理和方法，基于ＵＡＰＣ平台研制了新一代智能型金属氧化物避雷　器在线监测装置。装置软硬件均为模块化设计，并采用整体面板、全封闭机箱，强弱电严格分开，抗干　扰能力大大提高。经实际应用表明，该装置投运良好，运行可靠。　关键词：智能型；金属氧化物避雷器；在线监测装置　中图分类号：ＴＭ８６２　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００７—３１７５（２０１３）１０—００３７—０３　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｍｅｔａｌ　Ｏｘｉｄｅ　Ａｒｒｅｓｔｅｒ　ｏｎ－Ｌｉｎｅ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　Ｄｅｖｉｃｅ　ＰＥＮＧ　Ｔａｏ，ＺＨＵ　Ｊｉ—ｈｏｎｇ，ＸＵ　Ｌｅｉ　（Ｎａｒｉ—ＲｅｌａｙｓＥｌｅｃｔｒｉｃ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１１１０２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｗａｓ　ｍａｄｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆｍｅｔａｌ　ｏｘｉｄｅ　ａｒｒｅｓｔｅｒ（ＭＯＡ）ｏｎ－ｌｉｎｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＵＡＰＣ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ａ　ｎｅｗ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ＭＯＡ　ｏｎ—ｌｉｎｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｄｅｖｉｃｅ　ｗａｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｄｅｖｉｃｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ａｎｄ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｗｅｒｅ　ａｌｌ　ｍｏｄｕｌａｒｉｚｅｄ　ｉｎ　ｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｅ　ｈａｒｄ—　ｗａｒｅ　ａｄｏｐｔｅｄ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｐａｎｅｌ，ｔｏｔａｌｌｙ　ｃｌｏｓｅｄ　ｃａｓｅ，ｓｔｉｒｃｔｌｙ　ｓｅｐａｒａｔｅｄ　ｓｔｒｏｎｇ　ｎｄ　ａｗｅａｋ　ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ，ｗｈｉｃｈ　ｇｒｅａｔｌｙ　ｌｉｔｆｅｄ　ａｎｔｉ—ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｃａｐａｂｉｌｉｙ．ｔ　Ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｈｅ　ｄｅｖｉｔｃｅ　ｉｓ　ｐｕｔ　ｎｔｏ　ｇｏｏｄ　ｉｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｎｄ　ａｉｎ　ｒｅｌｉａｂｌｅ　ｎｍｎｉｎｇ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ；ｍｅｔａｌ　ｏｘｉｄｅ　ａｒｒｅｓｔｅｒ；ｏｎ—ｌｉｎｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｄｅｖｉｃｅ　金属氧化物避雷器（ＭＯＡ）是２０世纪７０年代　初期出现的新型过电压保护电器。ＭＯＡ以其优异　的非线性、大的通流能力以及更高的运行可靠性　逐渐取代了传统的碳化硅避雷器，成为电力系统　过电压保护的主要装置。在电力系统中，热破坏、　暂态、谐振过电压冲击及避雷器内部受潮等因素　都将加速避雷器阀片的劣化，致使避雷器损坏，　最终导致被保护设备失去保护，所以对ＭＯＡ进行　监测是保证电力系统安全运行的重要手段。国家　１　智能型避雷器在线监测装置原理和分析　图１是ＭＯＡ阀片在单相小电流下的电路等效模　型，它是由一个非线性电阻　与线性电容　并联而　成，设　为设备运行电压，　为避雷器总泄漏电　流，其中　为阻性电流，　为容性电流。从等效　电路可知，流过ＭＯＡ的总泄漏电流可分为阻性电流　厶和容性电流　两部分，容性电流分量产生的无功　损耗并不会使避雷器阀片发热，导致避雷器阀片发　热的是阻性分量产生了有功损耗。　电网公司已把避雷器在线监测装置纳入到实际智　能化变电站中进行应用，体现了对避雷器在线监　测的高度重视。本文在此背景下研制了布局清晰、　功能集成度高、通用性和可靠性强的智能型避雷　器在线监测装置，具有信息数字化、功能集成化、　状态可视化等技术特征，并在实际智能化变电站　中进行了成功应用。　图１避雷器等效电路　作者简介：彭韬（１９７８一），男，工程师，硕士，从事电子式互感器和智能化变电站的研究工作；　朱继红（１９７８一），男，工程师，硕士，从事智能化变电站的研究工作；　须雷（１９７６一），男，高级工程师，硕士，从事电力系统保护自动化及智能化变电站的研究工作。　一３７—　电工电．＿【　（２０１３　Ｎｏ．１０）　在大电流冲击情况下，避雷器会迅速泄放大电　流，避雷器在线监测装置根据采集到的泄漏电流大　小来判断避雷器动作与否，从而可靠进行避雷器动　作次数计数。在“交流无间隙金属氧化物避雷器用　监测器”标准ＪＢ／Ｔ　１０４９２－－２００４中，明确了上限、　下限计数电流大小范围　。　避雷器泄漏电流监测内容有全电流监测和阻性　电流监测，其中阻性电流可通过算法从全电流中分　离出来的。避雷器在正常运行时，阻性电流分量很小，　占泄漏全电流的５％～２０％，此时的泄漏全电流以容　性电流分量为主导。但当避雷器老化、受潮、过电　压时，其泄漏全电流在幅值和波形上会有很大变化。　全泄漏电流在幅值上的增大主要是阻性电流分量的　幅值增长速度快，全泄漏电流波形上的变化主要是　由于阻性电流分量的非线性快速增长，因此检测阻　性电流才能真正监测出避雷器的运行状态。为此，　在ＤＬ／Ｔ　５９６—１９９６《电力设备预防性试验规程》中　提到，对于复杂的现场形式而言，在阻性电流增加　到５０％时应分析原因，阻性电流增加一倍时应停电　检查　；同时在ＤＬ／Ｔ　９８７—２ｏ０５《氧化锌避雷器阻　性电流测试仪通用技术条件》中提到需测试阻性电　流，并规范了测量范围的上限和下限　。　目前从全电流中分离出阻性电流的方法比较多，　一般有三次谐波法、零序电流法、电容电流补偿法　等　，各方法都有相应的优缺点，相对来说，采用　基波分析法则比较合理和可靠些，此方法可排除ＭＯＡ　两端电压所含谐波对测量阻性电流基波分量的影响。　基波分析法原理是：传感器采集一定周期内避雷器　泄漏全电流，经傅里叶变换算法可提取全电流中基　波电流幅值和相角，同时采集加在避雷器上母线电　压信号，经傅里叶变换算法得到电压信号的相角，　进而得出全电流与电压之间的相角差；由于阻性电　流与电压信号同相位，而容性电流超前电压信号９０。，　因而可利用投影法，得出全电流基波在电压上的投　影即为阻性电流基波，从而根据阻性电流基波所占　全电流比例的变化来判断ＭＯＡ的工作状况及判断是　否进行告警处理。采用基波分析法得到的避雷器正　常工作时和过电压时全电流、阻性电流、容性电流　波形图分别如图２和图３所示，从图２和图３的对　比可以看出，避雷器过电压时，阻性电流大幅度增加，　占全电流很大一部分比例，且全电流的波形发生了　变化，全电流最大峰值点由正常工作时容性电流峰　３８一　智能型避雷器在线监　装置的研翩和应用　值点向过电压时阻性电流峰值点移动。　图２避雷器正常工作时全电流、阻性电流和　容性电流波形图　图３避雷器过电压时全电流、阻性电流和　容性电流波形图　２避雷器在线监测装置的研制和应用　图４为本文研制的在线监测系统图。　图４避雷器在线监测装置系统图　其中避雷器传感器采集避雷器的泄漏全电流和　阻性电流，通过ＲＳ４８５通信方式，将全电流、阻性　电流和动作次数送给避雷器在线监测ＩＥＤ，各间隔　避雷器传感器按“手拉手”方式连接到避雷器在线　监测ＩＥＤ，由于每相线路会有一台ＭＯＡ，所以每相　相应的配置一台避雷器传感器；在线监测ＩＥＤ将智　能化变电站各间隔避雷器传感器传送过来的信号进　行集中搜集和处理、全电流和阻性电流显示、动作　次数显示、电流超出告警范围告警显示、传感器通　信异常告警显示，以便提醒现场运行人员及时了解　各间隔避雷器和传感器的运行状态，同时通过智能　智能型避雷器在线监洳装置的磊丹翩和应用　化变电站通用的ＩＥＣ　６１８５０通信标准将各信号送后　台监控系统进行避雷器监测变量的实时监控、动态　画面展示、历史数据记录和告警等。　本文研制的避雷器在线监测装置是新一代全面　支持智能化变电站的智能型在线监测装置。装置　采用南瑞继保电气有限公司最新研制的ＵＡＰＣ平台，　支持ＧＯＯＳＥ和ＭＭＳ通信，可以通过ＩＥＣ　６１８５０中的　ＬＯＧ日志方式存储避雷器相关数据，如泄漏全电流、　泄漏阻性电流、动作次数等，可以通过后台进行任　何时刻的数据查询。装置采用整体面板、全封闭机　箱，强弱电严格分开，抗干扰能力大大提高，达到　了电磁兼容各项标准的最高等级，经过严酷的高低　温试验，可以在户外恶劣的环境中运行。采用了高　性能ＤＳＰ、内部高速总线，硬件和软件均采用模块　化设计，配置灵活，具有插件、软件模块通用，易　于扩展、易于维护的特点。　避雷器在线监测装置配置了高性能板卡，其中　Ｂ０１板卡为ＮＲ４１０６板卡，该插件由高性能定点ＤＳＰ、　现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ）及其他外设组成。装置　管理、通信等功能通过光以太网进行，支持ＧＯ０ＳＥ　通信和ＭＭＳ通信，支持双网模式，并负责人机界面　交互和报告事件记录。当装置按断路器间隔配置时，　该插件还负责接收间隔内的Ｓ　传感器和避雷器传　感器的相关数据。Ｂ０７和Ｂ０８板卡为ＲＳ４８５扩展插　件ＮＲ４２０５。当ＰＣＳ一２２３Ａ作为避雷器在线监测ＩＥＤ时，　由于传感器数量较多，通过选配Ｂ０７和Ｂ０８插件，　可以扩展Ｒ￥４８５的通信口，增加总线带载能力；该　插件可支持不同串口通信协议的传感器信号接入，　方便工程实施。Ｂ０９板卡为电源插件，具有很宽的　输入范围，为ＤＣ８８～２６４Ｖ。具有预留的开出接　点，包含报警、闭锁节点及其他开出节点，输出电　流６Ａ，最大电流可达８～１０Ａ。电源主拓扑为反激，　原边采用准谐振，副边同步整流，以提高电源效率。　全范围效率大于８０％，最高效率可达８４％。　目前避雷器在线监测装置已在诸多智能化变电　站中良好运行和可靠应用。氧化锌避雷器的实时监　测与故障诊断对于确保电网的可靠安全运行、了解　电网实时运行的状况具有十分重要的意义。一旦　ＭＯＡ发生故障，避雷器本身将造成损坏甚至是爆炸，　同时其他电气设备将失去过电压保护，直接影响电　力系统的安全运行。　在线监测氧化锌避雷器的运行状态，一方面可　电工电气（２０１３　Ｎｏ．１０）　以在不停电的情况下随时了解其运行状态，及早发　现和排除故障，避免发生避雷器爆炸，健全变电站　避雷器的安全运行预警系统；另一方面可对避雷器　动作次数进行统计和对泄漏电流进行实时采集，并　实现数据的远传，从而有效及时地检测避雷器内部　缺陷，尤其是阀体受潮、内部组件老化等，以实现　避雷器的状态检修。　状态检修基于设备实际运行工况，根据其运行　电压下各种特性参数的变化，通过比较诊断确定电　气设备是否需要检修以及需要检修的项目和内容，　具有极强的针对性和实时性。根据美国电力研究院　诊断检修中心的统计表明，实施状态检修可以提高　设备利用率在５％以上，同时节约检修费用２５％～　３０％　。而传统的定期检修多是在设备停电的条件　下进行，其科学性、时效性差，检修具有一定的盲　目性；设备停电次数多，测试周期长；无法对运行　中电力设备的绝缘进行跟踪测试，不能及时发现设　备内部的故障隐患；且停电做介质损耗、泄漏等预　防性试验时，试验施加的电压远远低于运行电压，　对某些缺陷的反应也不够灵敏。定期检修体制具有　严重的缺陷，存在着维修不足或维修过剩以及盲目　维修的现象，这使得国家每年在设备维修方面耗资　巨大，且不能满足电力工业发展的要求。因此，对　避雷器进行在线监测具有重要的意义，而避雷器在　线监测装置的成功应用将对避雷器的在线监测和状　态检修带来重要作用。　３结语　本文对避雷器在线监测的原理进行了分析，并　采用基波分析法得到了避雷器正常工作时和过电压　时全电流、阻性电流、容性电流波形图，同时基于　ＵＡＰＣ平台，研制了新一代全面支持智能化变电站　的智能型在线监测装置，硬件和软件均采用模块化　设计，配置灵活，插件、软件模块通用，易于扩展、　易于维护。　研制的避雷器在线监测装置及系统具有布局清　晰、功能集成度高、可靠性强等特点，体现了信息　数字化、功能集成化、状态可视化等技术特征，满　足了智能化变电站实际应用需求。避雷器在线监测　装置的成功应用将对避雷器的在线监测和状态检修　（下转第４３页）　一３９—　厂用电系统中不同电源切换的特点　电工电气　（２０１３　Ｎｏ．１０）　ｌ　Ｉ　　ｌｌ　蓄电池母线Ａ　一１ＱＳ２、　＿、　…　ｌｌ　…　一　蓄２Ｑ电Ｓ池２　母线Ｂ…　Ｉ　’　３ＱＳ　Ｓ１＼　＿＼　——　Ｆ　Ｆ，　一　２ＱＳ１　—　—Ｆ１。　＿　＿　１Ｆ　…线Ａ　Ｆｓ　Ｆ６　广＿＿　ＬＪｌｌ　。　一Ｆ。ｒ　一一　’　’　１　ｒ　’Ｆｌ０　Ｌ　Ｊ　Ｌ　秃　１ｃＢ　…ｉｘＴ　。　，、　　齐由屏母绋Ｒ　Ｊ　Ｌ　保安Ａ段电源　保安段电源　图４　Ｖ直流配电装置一次接线图　交流电源分别通过３台　开关充电屏整流成　智能高频　蓄　生的波动满足负载要求，确保机组各分系统的稳　定运行。　直流电压；其中ｌ台作为　两段直流母线的公用充电屏，为防止　电池组并联运行，公用充电屏的　过整流后输出　开关设有闭锁，　参考文献　［］电力工业部西北电力设计院．电力工程电气设备手　册（电气一次部分上下）［Ｋ］．北京：中国电力出版　社，　．　不能同时对两组蓄电池组的母线供电。工作电源通　直流电压到直流屏母线，同时对　蓄电池组作均充或浮充电；当工作电源故障时，　蓄电池组电源回路自动导通对直流屏母线供电，每　段　蓄电池组容量为　Ａｈ（　放电率）；在工　作电源和备用Ｉ电源都无法正常工作时或者机组检　修时，由公用充电屏给直流母线提供电源。　［２］　计技术规程［Ｓ］．　［３］ＤＬ／Ｔ　版社，　．　火力发电厂、变电所二次接线设　火力发电厂厂用电设计技术规定［ｓ］．　［４］张炜．电力系统分析［Ｍ］．北京：中国水利水电出　［５］陈家斌．电力生产安全技术及管理［Ｍ］．北京：中　５　结语　燃煤机组重要负载的厂用电配电装置，采用多　路不同进线电源和其完备的切换逻辑顺序在失电　后能快速合上备用电源，且配电装置输出电压产　国水利水电出版社，　．　［６］国家电力调度通信中心．电力系统继电保护实用技　术问答［Ｍ］．２版．北京：中国电力出版社，　版．北京：中国电力出版社，　．　一一　．　［７］熊为群，陶然．继电保护自动装置及二次回路［Ｍ］．２　收稿日期：　（上接第３９页）　带来重要作用，实施状态检修可以提高设备利用率，　同时节约检修费用。该装置已在诸多智能化变电站　［２］　［３］　电力设备预防性试验规程［ｓ］．　氧化锌避雷器阻性电流测试仪通用　中良好投运和可靠运行，积极响应了国家电网公司　提出的对一次设备进行在线监测的要求。　参考文献　［］　监测器［］．　技术条件［ｓ］．　［４］邓维．金属氧化物避雷器阻性电流测量方法研究　［Ｄ］．上海：上海交通大学，　发展［Ｊ］．华北电力技术，　．　，　（２）：２３—２６．　一一　［５］胡文乎，尹项根．电气设备在线监测技术的研究与　交流无问隙金属氧化物避雷器用　收稿日期：　————