朱 飛， 婁 魁

（1.杭州市電力設計院有限公司，杭州 310004；2.杭州天湖智能科技有限公司，杭州 310004）

0 引言

隨著智能變電站建設的深入推進，變電站設備對電涌的敏感程度也隨著各種先進電子設備的大面積應用而直線提升，導致電涌（雷電）成為電子設備損壞（性能減退、使用壽命結束等）的主要原因[1-2]。安裝匹配的電涌保護器可阻止電涌（雷電流）從各類電纜引入、實現分段泄流，是變電站系統防電涌（雷電）的最主要措施[3-5]。這些電涌保護器在線長期運行時，在電涌（雷電）過電壓（流）脈沖波侵擾和自然老化的雙重作用下，其性能會逐漸下降，一旦劣化失效，會造成嚴重后果。因此，電涌保護器性能現場在線狀態(tài)的測試和故障診斷以及電涌（雷電）過電壓（流）防護能力的監(jiān)測、管理和評估工作同樣重要。

以往變電站設置的傳統低壓電涌（雷電）防護系統實質上存在極大的安全生產隱患。本文著重論述通過先進防護設備和進步技術的應用，結合已有的無人值守管理平臺，旨在解決傳統低壓電涌（雷電）防護與管理存在的安全隱患，完善高、中、低壓電涌（雷電）防護與管理的在線監(jiān)測系統（目前無低壓電涌、雷電防護和管理的在線監(jiān)測系統），進行集中性在線監(jiān)測與預警管理，開啟預維護模式，減少或預防雷擊事故的發(fā)生，降低維護和管理成本，提高投資收益，增強整體安全性和安全管理水平。

1 傳統雷電防護系統的局限性

傳統雷電防護系統是一種離線式單方向概念的電涌保護系統，它必須通過人工或者簡單的檢測系統來判斷各在線電涌保護設備是否失效[6-8]，屬于滯后式維護；界定電涌保護設備運行情況的離線式系統，其技術上的局限性導致在當前雷擊環(huán)境日趨惡劣的形勢下存在著極大的安全隱患。

1.1 技術手段局限性

1.1.1 系統技術結構的不完善性

從系統實質性的角度分析，傳統雷電防護系統屬于離線式運行，系統未對在線運行電涌保護設備的運行數據進行有效整合，從而導致未能準確掌握電涌保護設備是否遭受過電涌沖擊、遭受過一次乃至多次電涌沖擊的電涌保護設備是否還能承受下一次大電涌等信息，因此，傳統雷電防護系統無法實現系統運行狀態(tài)預先判斷。

1.1.2 日常維護和檢測等技術管理手段的局限性

從電涌保護系統的管理需求出發(fā)，系統的使用單位必需在雷擊發(fā)生前或者雷擊發(fā)生后，對電涌保護設施的可靠性進行巡檢或測試。

（1）業(yè)主維護人員巡檢。通常各單位根據國標規(guī)定的維護要求，在多年現場管理經驗的基礎上，制訂了電涌保護設施的管理制度和措施，體現為：日常維護+周期維護+定期檢測+不定期檢測等單一或多種方式的結合。維護人員僅憑肉眼和經驗巡檢在線電涌保護設備的工作狀態(tài)，通過觀察電涌保護器的指示窗口是否異常來判斷其性能好壞，該方式過于依賴巡檢人員的經驗水平和責任心，人為的疏忽等因素將造成巡檢的形式化。有一種情況對于現場設備來說是非常致命的：在雷擊發(fā)生前，電涌保護器已處于臨界損壞狀態(tài)，但是人工檢測手段卻未能及時有效發(fā)現，其直接后果將導致被保護設備被雷擊損壞。

（2）專業(yè)檢測單位技術手段的局限性。專業(yè)檢測單位年檢根據國標要求對檢測報告范圍內的檢測內容進行復檢，往往偏重于直擊雷防護設施，而對于電涌保護設備只能檢測當前設備有無損壞，其檢測技術手段無法確定電涌保護設備的生命周期。

（3）現有監(jiān)控技術手段的單一性。當在線電涌保護設施已經損壞失效時，可通過其遙信接口信號告知維護管理人員。但是雷擊的連續(xù)性是雷電活動的基本規(guī)律，前次雷擊中損壞的電涌保護器已通過遙信告知方式上傳，但維護措施的落實卻需要時間，且后續(xù)雷擊已經來臨，被保護設備被雷擊損壞的情況普遍存在。

1.2 物理特性的不安全性

（1）構成電涌保護系統的重要組成部分，電涌保護器核心元器件之一是壓敏電阻，其本身的物理特性（在線工作時存在漏電流），就決定了在線工作的電涌保護器存在漏電流，有電流通過就導致電涌保護器存在溫度變化隨著時間的推移，漏電流和溫度的周期性變化將導致漏電流呈非線性上升，亦即在線運行的電涌保護器是存在生命周期特性的。泄電流沖擊后溫度變化導致漏電流呈非線性上升，生命周期特性。

（2）制造中的各種原因造成質量、工藝缺陷等所帶來的泄流后電涌保護器本地溫度變化曲線函數的糾正系數變化。

（3）電涌保護器因自身特性、制造缺陷等導致發(fā)生異常時，無法第一時間得到響應。

（4）電涌保護器在進行防護時，需要級間能量配合，如果是級間線纜長度或者電涌的頻率問題，極易引起后一級電涌保護器炸裂或燒毀，從而引起火災事故。

因此，傳統電涌保護系統從根本上無法解決或減少雷擊安全隱患的問題，更無法實現對電涌保護系統進行實時的信息化和無人化管理，已經無法滿足新時期的電涌防護需要。

2 系統關鍵技術和原理

智能化低壓電涌（雷電）防護和管理系統是基于傳統防雷技術、電子級間能量配合技術、信息采集處理技術和互聯網技術等的科技綜合體[9-12]。它不僅擁有傳統電涌保護系統所必須具備的雷電和電涌防護功能，還擁有對其本身設備的自檢測、數據上傳、數據處理和終端控制等綜合性數字化管理功能。

2.1 系統功能

智能化低壓電涌（雷電）防護和管理系統能夠將防雷元器件自帶的性能技術參數指標進行量化，綜合應用信息采集處理技術對量化的數據進行匯集處理，應用互聯網技術傳輸到系統平臺中進行數據分析，智能評估電涌保護設備使用情況，預測電涌保護設備使用壽命，并可根據需要通過互聯網進行集中管理[13-15]。

系統可通過電涌保護器的生命周期預警，接地電阻值預警等數據，通過維護平臺進行集中管理，從而實現在線電涌保護設備實時管理，達到減少或預防因雷擊或電涌造成的設備故障，從而提高生產效益。

系統可根據大量的雷電環(huán)境監(jiān)測數據提供針對性的投資和維護建議，提高投資收益能力。

2.2 系統的基本結構

智能化低壓電涌（雷電）防護和管理系統主要由硬件部分和軟件部分組成，系統的基本結構如圖1所示。

圖1 智能化低壓電涌（雷電）防護和管理系統的基本結構

（1）硬件部門主要是指防雷設施和對設施的在線監(jiān)測功能模塊、聯網等。

（2）軟件部分為智能化運行平臺。在控制中心建設運行平臺，統一對現場防雷系統的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測、數據處理和綜合管理。根據管理和運維需求設定設備劣化程度顯示及劣化界限，自動收集現場運維記錄，查看實時運行狀態(tài)，階段性評估分析等。

2.3 電涌保護器生命預測時間計算方法

智能化低壓電涌（雷電）防護和管理系統的核心內容是對生命周期（即壽命時間）進行監(jiān)測。本案中，壽命時間（t）計算方法采用熱衰變和漏電流綜合測試法。

通過大量的實驗室數據生成一個固定品牌芯片的劣化參考值δ。由于電涌保護器在線運行過程中會發(fā)熱，產生熱衰變，隨著熱衰變程度的提升，電涌保護器的溫度會明顯變化，從而可通過監(jiān)測設備得到實測溫度T1和電涌保護器的本地環(huán)境溫度 T2，得出劣化值=（T1-T2）/δ的基本關系式，劣化值與實測溫度、雷擊次數n和雷擊強度θ直接相關。

漏電流的存在是由壓敏電阻的物理特性決定的，電涌保護器在線運行過程中，其漏電流會隨著在線時間的推移、雷擊次數和雷擊強度的不同而產生很大的變化，根據防雷專業(yè)公司多年收集的項目實測數據和實驗室數據庫的積累，已建立以下數據模型：

綜合熱衰變參考劣化值和漏電流數據模型取得的參數，得到壽命時間的計算方法：

式中：I=Z（n，θ）； 擬合函數f（δ，I）和 Z（n， θ）為實驗室數據及現場數據的糾正函數。

2.4 遙信監(jiān)測升級

智能化低壓電涌（雷電）防護和管理系統實時監(jiān)測電涌保護器的正?；蚬收锨闆r，當電涌保護器已損壞，可通過控制中心啟動應急措施來確保被保護設備的安全；當電涌保護器的壽命達到一定程度（可以人為設置閾值或者預警值）時，可提前通過系統警示進行檢修，做到預維護或者預檢。

2.5 兩種防護模式的差異性

傳統雷電防護系統和智能化低壓電涌（雷電）防護和管理系統差異情況如表1所示。

3 系統應用

110 kV鴻豐變電站的智能化低壓電涌（雷電）防護和管理系統從系統設計、市場調研、技術開發(fā)、數模研究和項目實施等環(huán)節(jié)中，已充分驗證了建設成果的重要性和實用性。

（1）分別在接地變的低壓側、站用電源交流屏的進線端均并聯安裝型號TH-FD/T1+T2（SY）智能電子級間能量配合電涌（雷電）保護器以及型號SY-1A-R01全功能型智能數據采集模塊，其上傳數據涵蓋：運行環(huán)境參數、雷擊環(huán)境參數、全生命周期參數和劣化報警信號等。

（2）分別在站用電源系統逆變器的交流側、各GIS控制柜環(huán)形交流電源系統的進線端、各站用照明、動力和風機控制配電箱的進線端，均并聯安裝型號TH-FD/T2/3+N（SY）智能C級電涌保護器及型號SY-1A-R03基本功能型智能數據采集模塊，其上傳數據涵蓋了雷擊環(huán)境參數、全生命周期參數和劣化報警信號等。

（3）在站用通信電源母排上安裝型號THDZ48（SY）、智能直流48 V電涌保護器及型號SY-1A-R03基本功能型智能數據采集模塊。

（4）在各GIS控制柜直流電源的進線端、站用電源逆變器的直流側均安裝型號THD-Z220（SY）、智能直流220 V電涌保護器以及型號SY-1A-R03基本功能型智能數據采集模塊。

（5）在站用電源系統內安裝型號THJD-ZNCS-01接地電阻值監(jiān)測儀。

（6）在各站用檢修箱內安裝型號TH-FD/T2/3+N傳統C級電源電涌保護器。

（7）在站用電源系統內安裝型號C2000 N3400-M串口數據服務器（內置RS485信號自動轉換TCP信號的協議），各智能數據采集模塊的RS485信號通過星型的總線結構上傳至串口數據服務器，輸出TCP信號至服務器主機。其中組網和布線的技術步驟為：①各數據采集模塊按安裝次序設定地址，平臺軟件通過訪問該地址設備獲取相關采集數據；②按施工圖的要求，將每一線上數據采集模塊的RS485輸出串聯成總線結構；③485總線電纜采用帶屏蔽層的多股軟線，均經由站內電纜橋架的弱電通道敷設。

（8）在控制室安裝服務器和顯示器等，并將平臺運行軟件安裝于服務器內，通過人機交換平臺操作系統的運行，如表2所示。

表2系統的應用結果中已充分實現項目設計的初衷。在低壓電涌防護技術方面，應用了領先的級間能量配合技術，提高了針對變電站低壓電涌的整體防護水平；在智能技術應用方面，實施低壓電涌保護設備的智能化管理，從實質上彌補了目前變電站智能監(jiān)測領域的技術空白，告別人工巡檢的時代，從而跨入高、中、低壓電涌（雷電）防護設備整體監(jiān)測的新時代，為提升變電站的綜合安全管理能力打下了堅實的基礎；在系統的應用效果方面，實時高效是它的主題，簡單明確是它的目的，是保障變電站設備可靠運行的一種行之有效手段。

4 系統建設中存在的問題及解決辦法

（1）電涌保護效果問題。受保護設備的內部元件布置影響，導致防雷引入線過長或接地線過長（按國標要求：引入線+接地線的長度應≤0.5 m），造成電涌保護的效果還存在一定的偏差。解決辦法：主設備廠家安裝電涌保護器應先考慮電涌保護效果，后講究工藝美觀。無法實現安裝線長時，可根據國標的等電位連接措施實現（分等電位排）。

表1 兩種雷電防護系統差異性對比分析

表2 平臺界面顯示的數據類型

（2）系統平臺的兼容性問題。該系統軟件采用Windows系統進行編寫，安裝中未能與國家電網公司的Linux系統兼容，從而影響了系統投入運行時間節(jié)點。解決辦法：系統版本應綜合考慮國家電網公司的特性，推出多版本結合的模式。

5 系統推廣價值

（1）電子級間能量配合型電涌保護器的應用，將雷電危害和電涌危害進行有機結合，按其理論推算，可有效延長智能電源一體化設備的使用壽命達30年，就單個變電站而言，每年可節(jié)省因雷電或電涌造成的維修費用約5萬元。

（2）系統的監(jiān)測管理手段應用，可將低壓電涌保護系統進行集中式管理，無需人員巡檢，按電力維護規(guī)程，單人+車輛+每日所需產生的費用達1 000元左右，還不包含因巡檢人員的因素造成的設備延誤維修損失。因此，集中式管理系統每年可節(jié)省運行維護費用約10萬元。

（3）低壓電涌監(jiān)測系統的應用，可杜絕維護人員的工作失誤所造成的雷擊（或電涌）損壞設備事故，按維護人員的專業(yè)培訓費用計算，可節(jié)省人員的培訓費用約5萬元；并可節(jié)省每年的專業(yè)檢測費用約2萬元。

因此，智能化低壓電涌（雷電）防護和管理系統信息化管理平臺的建設從技術上完善了智能變電站的內涵，從根本上提高了智能變電站中的安全管理水平，實現了電涌防護系統的管理可控化。

6 結語

智能化低壓電涌（雷電）防護和管理系統的應用，有效解決了雷電防護和電涌防護的雙重防護因素，同時實現了低壓電涌保護器的實時監(jiān)測，使低壓電涌防護系統的管理可控化。當然，如何將該系統融合至變電站現有的防雷在線監(jiān)測中是后續(xù)深入開展的要就課題。所以，隨著該系統在智能變電站建設中的普及，其功能將快速優(yōu)化，從而最大限度保障智能化變電站的安全可靠運行。