高压换流站交流侧避雷器在线监测系统的研制

高压换流站交流侧避雷器在线监测系统的研制

陈哲

国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司 内蒙古 通辽 028000

摘要：随着社会经济的欣欣向荣和我国城市建设快速发展，电力工程行业取得蓬勃发展。金属氧化物避雷器作为变电站内重要的过电压保护设备，其本身运行状况的好坏将直接影响到电力系统的安全。因此对金属氧化物避雷器进行在线监测就显得尤为重要。金属氧化物避雷器的核心器件是电阻片，电阻片具有极为优越的非线性特性。在正常工作电压下，流过电阻片的电流仅为微安级，但长期在工频电压下工作会使电阻片的非线性发生变化，导致流过电阻片的泄漏电流增加，泄漏电流的增加直接使电阻片温度上升而发生热崩溃，严重时直接引起避雷器的爆炸。

关键词：高压换流站；交流侧；避雷器；在线监测；系统

引言

随着我国经济实力的快速提升，我国迎来了高速发展的全新时代，随着人们生活水平的提高，人们对电力系统的安全运行要求越来越高。氧化锌避雷器是保障我国电网稳定安全运行的重要民用电力设备。

1电流、电压信号采集设计

避雷器的电流信号由电流传感器采集，母线的电压信号由互感器采集。（1）氧化锌避雷器总泄漏电流的采集是整个系统的关键，直接影响系统的可靠性和准确性，泄漏电流的采集具有以下几个难点：a.设备正常运行时的泄露电流比较小，一般只有微安级；b.工作现场环境是高压大电流场合，电磁干扰严重；c.测量的电流传感器反映速度要快；d.避雷器在过流保护时的动作电流幅值远远大于正常运行时候市面上的电流传感器无法满足设计的技术要求，经综合考虑选用磁平衡原理特别设计的微电流传感器，电流传感器的测量端被串接到避雷器的接地回路。

2监测装置

避雷器监测ＩＥＤ采用ＺＹＮＱ平台硬件结构，从信号采集单元获取避雷器泄漏电流和母线电压，最多具备２个电压信号采集单元（４段母线）和４５个电流信号采集单元（１５个间隔）的数据接入能力，完成母线电压及各次谐波电压的监测，完成各电流采集单元对应避雷器本体的监测功能，实现避雷器全电流和阻性电流的计算和数据诊断，数据通过ＤＬ／Ｔ８６０上送至站端单元。监测装置具有以下主要功能。（１）监测功能，具备对金属氧化物避雷器的全电流、阻性电流基波峰值、阻容比、雷击次数及系统电压等状态参量的连续实时或周期性自动监测功能。（２）报警功能，具备全电流和阻性电流预警和告警功能，预警和告警门限可设置；具备本体和通信异常告警功能。（３）日志记录功能，具有日志存储功能，能存储不少于１００条告警事件信息。（４）通信功能，避雷器监测ＩＥＤ与后台采用以太网口通信，采用ＤＬ／Ｔ８６０通信协议，与电压信号采集单元和电流信号采集单元采用ＲＳ－４８５方式通信。（５）数据存储功能，具有数据存储功能。

3特别设计

特别设计的磁平衡原理电流传感器是在聚磁环开一道缝隙，缝隙里面安装霍尔元件用来检测磁环的磁通量，将被测的电流（原边）线圈与输出（次级）的电流线圈分为逆向分别绕制在磁环上，当原边线圈有电流流过时会在聚磁环处所产生一个磁场作用到霍尔元件上，霍尔元件的输出电压发生变化，将霍尔元件的输出电压进行处理，转化为电流信号也即是次级电流，因次级的电流线圈逆向绕制在磁环上，这样次级电流也会在聚磁环处所产生一个与原边电流产生的磁场方向相反的磁场作用到霍尔元件上，当原边与次级产生的磁场大小相等（方向相反）时，作用在霍尔元件的磁场为零，次级电流信号保持相对稳定。次级电流的频率、相位与原边的电流信号相同，但其幅值可根据原边电流与原边线圈匝数的乘积与次级电流与次级线圈匝数的乘积相等的关系计算出次级电流的数值。

4避雷器监测IED单元的设计

为减少整个监测单元的开发周期，避雷器监测IED单元的硬件系统购买了上海某公司的开发平台，在该开发平台上只进行了软件系统的开发，完成了由MOA监测装置和PT采样装置向IED单元传送变量的存储，同时在监测IED单元内部通过算法计算得出泄露电流与母线电压的夹角，进而得出容性电流和阻性电流。

5信号端口防护设计

智能化监测器内部的互感器根据被试信号的类型和电流大小选用不同类型、匝数比、线径的电流互感器，以达到最优配比，同时，采用不同积分电阻，以优化信号的输出。样机的信号线主要用来传输前端传感器采集的全电流信号和雷电流信号，用4根双绞线实现，其中两根用来传输工频信号，峰值电压为5 V；另外两根传输雷电流信号，峰值电压为10 V。对于后级信号发大电路，最大输入电压为17 V。对于瞬态信号的防护，一般会选用气体放电管、压敏电阻、TVS管等器件进行保护。结合防护器件的特点，考虑到样机防护的端口为信号端口，根据工程经验，这里选用压敏电阻和TVS管相结合的方式进行防护。压敏电阻主要用来泄放浪涌电流，TVS管主要用来泄放静电电流，二者相结合，以保护后级电路。根据压敏电阻的一般选择原则，结合信号端口浪涌试验要求、信号特性和工程经验，选择压敏电阻的型号分别为HEL-14D180和HEL-14D330。根据TVS管的一般选择原则，结合信号端口静电放电的试验要求、信号特性和工程经验，选择压敏电阻的型号分别为P6KE6.8CA和P6KE11CA。因为压敏电阻的功率比TVS管的功率大，所以压敏电阻放置于TVS管的前端。同时，由于压敏电阻和TVS管属于两种不同类型的防护器件，其时间响应特性，击穿电压特性等性能指标不同，为了让其能按照预期目标进行工作，必须在两者之间设置去耦器件。在全电流信号端口选用电感进行去耦，在雷电流信号端口选用电阻进行去耦。较小器件在安装时应尽量减小器件引脚的长度。

6避雷器状态监测终端驱动程序

避雷器状态监测终端由泄漏电流采集软件驱动、雷击计数软件驱动、雷击电流采集软件驱动、电源电压采集软件驱动、ＬｏＲａ通信软件驱动、串口通信软件驱动、内存ＥＥＰＲＯＭ软件驱动、实时时钟软件驱动和程序远程更新软件驱动等组成。（１）泄漏电流采集软件驱动：驱动ＡＤＣ芯片准确采集避雷器泄漏电流值。（２）雷击计数软件驱动：避雷器遭到雷击时监测端会触发一个电平，利用该高电平唤醒处于睡眠模式的ＣＰＵ进行雷击计数和雷击时间记录并将信息传送给中继网关。（３）雷击电流采集软件驱动：驱动单片机内部ＡＤＣ采集雷击电流值。（４）电源电压采集软件驱动：驱动单片机内部ＡＤＣ采集监测终端自身供电电压值。（５）ＬｏＲａ通信软件驱动：与中继网关形成自组网，完成数据上传和指令下传等通信功能。（６）串口通信软件驱动：监测终端配置信息设置和打印。（７）内存ＥＥＰＲＯＭ软件驱动：保存并提供监测终端的配置信息。（８）实时时钟软件驱动：提供时间信息和单片机停机模式唤醒信号。（９）程序远程更新软件驱动：完成终端远程程序更新操作。

结语

本文基于工程实际，开发了一套换流站内高压交流侧金属氧化物避雷器在线监测装置。给出了详细的装置开发过程，对交流避雷器内的泄露电流等相关参数进行了实时采集，采集的准确度和实时性较高，可为避雷器的状态检修提供有力的支撑。

参考文献

［1］文桦，张亚军．金属氧化锌避雷器在线监测系统的设计［J］．信阳师范学院学报(自然科学版)，2014，27(1):111－114．

［2］陈西平，孙毅卫，汪雨辰，等．雷电流传感器低频相位补偿方法研究［J］．电气自动化，2020，42(3):91－94;111．

［3］黄义，吴静，胡奕挺．分体式避雷器底座泄漏电流在线监测装置设计［J］．东北电力技术，2020，41(4):47－50．