孫 震 楊希磊 樊子暉 朱立勤 王遜峰 王明邦

1.國網(wǎng)上海嘉定供電公司 上海 2018992.國網(wǎng)上海市電力公司 上海 2001223.上海兆邦電力器材有限公司 上海 201315

1 研究背景

在以計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云儲存、機(jī)器人為核心的智能時(shí)代,輸配電網(wǎng)正面臨深刻變革,輸配電線路的智能遠(yuǎn)程控制是未來的發(fā)展方向。電力物聯(lián)網(wǎng)圍繞電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié),充分應(yīng)用移動(dòng)互聯(lián)和人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)、先進(jìn)通信技術(shù),實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)萬物互聯(lián)、人機(jī)交互,建立具有狀態(tài)全面感知、信息高效處理、應(yīng)用便捷靈活特征的智慧服務(wù)系統(tǒng)。

電力裝備是“中國制造2025”十大領(lǐng)域之一,上海市智能電網(wǎng)發(fā)展迅速,分布式電源、微電網(wǎng)智能用電、智能變電站、配電自動(dòng)化、設(shè)備狀態(tài)檢測、用電信息采集、智能樓宇、電動(dòng)汽車充換電站等廣泛實(shí)現(xiàn)試點(diǎn),互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)與電力系統(tǒng)更加緊密融合,已初步具備構(gòu)建城市能源互聯(lián)網(wǎng)的條件。

筆者研究電力物聯(lián)網(wǎng)中避雷器的遠(yuǎn)程故障監(jiān)測與維護(hù),設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的高可靠性無線避雷器在線監(jiān)測裝置,涵蓋發(fā)、輸、變、配、用、調(diào)度等各領(lǐng)域,運(yùn)用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、5G等現(xiàn)代信息通信技術(shù),與控制技術(shù)深度融合,為智能電網(wǎng)提供全生命周期的一體化、專業(yè)化避雷信息服務(wù)。研究成果首先在上海實(shí)施應(yīng)用,逐步成為上海電網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)的有機(jī)組成部分,然后進(jìn)一步推廣,對實(shí)現(xiàn)高效、安全的能源供應(yīng)具有重要意義,具有廣泛的市場前景,社會效益與經(jīng)濟(jì)效益顯著。

2 存在的問題

現(xiàn)有的避雷器監(jiān)測裝置一般為有線式,與避雷器就近連接在一起,用于監(jiān)測避雷器的漏電流和遭雷擊次數(shù)。查看避雷器監(jiān)測裝置監(jiān)測數(shù)據(jù)時(shí),需要爬到線上,危險(xiǎn)性較高。無線式避雷器監(jiān)測裝置的監(jiān)測終端一般由單片機(jī)、無線收發(fā)模塊、漏電流采集電路、雷擊次數(shù)采集電路、供電電源組成,單片機(jī)通過無線收發(fā)模塊將漏電流采集電路和雷擊次數(shù)采集電路所采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)測主機(jī),查看監(jiān)測數(shù)據(jù)較為方便。但是,現(xiàn)有的無線式避雷器監(jiān)測裝置需要加裝太陽能電池板提供電能,這樣不僅提高了監(jiān)測裝置的復(fù)雜程度,增大了整體體積,增加了制造成本,而且還降低了可靠性。

3 研究內(nèi)容

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足,筆者設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的高可靠性無線避雷器在線監(jiān)測裝置。這一避雷器在線監(jiān)測裝置由與避雷器串聯(lián)的整流橋、電源變換電路、單片機(jī)、與單片機(jī)相連的監(jiān)測信號采集電路、無線收發(fā)模塊組成。電源變換電路包括儲能電容、開關(guān)管組件、高電壓檢測器和電阻。儲能電容并聯(lián)在整流橋的輸出端,端電壓經(jīng)開關(guān)管組件和三端穩(wěn)壓器為避雷器在線監(jiān)測裝置供電。儲能電容端電壓還經(jīng)過由第一電阻和第二電容組成的積分延時(shí)電路,施加至高電壓檢測器的輸入端。擬采用在避雷器內(nèi)部植入溫度、電流傳感器和嵌入式芯片的方式,實(shí)現(xiàn)對溫度、電流等信號的監(jiān)測。擬采用消息隊(duì)列遙測傳輸協(xié)議作為通信協(xié)議,定義一套完整的信號接口,涵蓋溫度、電流等檢測信號,以及避雷器故障、避雷器短路、避雷器失效、電池電壓不足、通信系統(tǒng)故障等故障報(bào)警信號。

4 理論依據(jù)

避雷器泄漏電流指在正常額定電壓下,避雷器工作時(shí)所流過的電流。一般而言,在正常的工作狀態(tài)下,可以將避雷器看作絕緣體,不存在過電壓時(shí),避雷器泄漏電流非常小,不會大于1 mA。隨著避雷器長時(shí)間工作,受外界因素影響,避雷器內(nèi)部閥片的性能會有所降低,此時(shí)避雷器泄漏電流就會變大。避雷器泄漏電流在一定程度上反映了避雷器的絕緣程度,是在運(yùn)行狀態(tài)下判斷避雷器性能的一個(gè)極為重要的指標(biāo)。

筆者依托泛載物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)來布置和連接線路避雷器,依照基本雷電防護(hù)原理,滿足信息化、智能化防雷需求,設(shè)計(jì)無線避雷器在線監(jiān)測裝置,構(gòu)建具有實(shí)時(shí)監(jiān)測、遠(yuǎn)程監(jiān)測、雷擊記錄、災(zāi)害預(yù)警等功能的綜合信息化智能防雷系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)從防護(hù)到預(yù)警,從巡檢到自檢的全新雷電防護(hù)模式。

在研究中,依靠智能監(jiān)測技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)信號傳輸技術(shù),實(shí)現(xiàn)對大面積避雷器工作狀態(tài)和雷擊次數(shù)的監(jiān)測。在感知層,傳感器實(shí)時(shí)檢測避雷器閥片溫度、泄漏電流及動(dòng)作次數(shù)。北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)用于定位故障點(diǎn)。在傳輸層,應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)感知層與后臺服務(wù)層的實(shí)時(shí)信息傳送。

5 創(chuàng)新點(diǎn)

采用并聯(lián)接線法,基于電流互感器感應(yīng)并聯(lián)導(dǎo)線上電流的原理和方法,可以同時(shí)測量金屬氧化物避雷器的泄漏電流和雷擊次數(shù)。在金屬氧化物避雷器中金屬氧化物接近底部的位置放置一個(gè)金屬薄片,引一根導(dǎo)線穿過電流互感器后接至避雷器外殼地,此導(dǎo)線與底部的金屬氧化物形成并聯(lián)。在金屬氧化物絕緣性能良好的狀態(tài)下,金屬氧化物無泄漏電流,電流互感器感應(yīng)到導(dǎo)線上的電流為零。在金屬氧化物絕緣性能變差的狀態(tài)下,有微弱的電流流過金屬氧化物,當(dāng)電流流至接近金屬氧化物底部時(shí),由于金屬氧化物底部阻性大,電流會全部流至并聯(lián)的導(dǎo)線上,電流互感器感應(yīng)到導(dǎo)線上有微弱電流,一般為0～50 mA,此電流即為金屬氧化物的泄漏電流。當(dāng)直擊雷或感應(yīng)雷到達(dá)金屬氧化物時(shí),由于金屬氧化物的物理特性,雷擊電壓大于金屬氧化物的截止電壓閾值,金屬氧化物導(dǎo)通,大電流流至金屬氧化物底部。此時(shí),絕大部分電流通過金屬氧化物流至外殼地,同時(shí)會分流部分電流,大小為1～5 A。電流互感器感應(yīng)到導(dǎo)線上的大電流,即可記錄雷擊次數(shù)。

測量金屬氧化物的溫度,與環(huán)境溫度對比,判斷金屬氧化物是否發(fā)熱。結(jié)合測量得到的金屬氧化物泄漏電流,雙參數(shù)分析金屬氧化物避雷器的絕緣性能,準(zhǔn)確性高,可以避免誤判。頂端承載的高壓線電壓沒有限制,可以適用10 kV或35 kV不同高壓等級,不需要修改測量單元的任何參數(shù)。采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),功耗低,延時(shí)短,成本低,體積小,測量數(shù)據(jù)直接傳輸至云平臺,安全可靠?？梢愿鶕?jù)用戶要求定時(shí)傳輸數(shù)據(jù),在發(fā)生雷擊時(shí),實(shí)時(shí)快速上傳數(shù)據(jù),方便管理人員及時(shí)進(jìn)行管理。

6 產(chǎn)品介紹

在線監(jiān)測裝置與金屬氧化物避雷器的普通組合如圖1所示。金屬氧化物避雷器當(dāng)于一個(gè)很大的電阻,處于絕緣狀態(tài)。一旦系統(tǒng)發(fā)生過電壓,金屬氧化物避雷器立即激活進(jìn)入工作狀態(tài),成為導(dǎo)體,將高電壓釋放至大地,之后恢復(fù)為絕緣狀態(tài),阻斷續(xù)流。金屬氧化物避雷器可以避免系統(tǒng)電壓持續(xù)升高,保護(hù)設(shè)備和人身安全。絕緣掛板起支撐連接且固定金屬氧化物避雷器的作用。智能監(jiān)測模塊通過監(jiān)測流過金屬氧化物避雷器的泄漏電流,實(shí)現(xiàn)對金屬氧化物避雷器狀態(tài)的監(jiān)測。脫離器受到大電流沖擊時(shí)會自行脫落,方便定位線路中的故障點(diǎn)。

圖1 在線監(jiān)測裝置與金屬氧化物避雷器普通組合

采用如上組合,能夠保護(hù)電力系統(tǒng)中各電器設(shè)備免受過電壓損壞,基于電力物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)避雷器與后臺服務(wù)器的實(shí)時(shí)信息傳送,由后臺服務(wù)器保存信息,并進(jìn)行大數(shù)據(jù)處理,達(dá)到一二次融合的避雷器故障識別功能。系統(tǒng)發(fā)生過電壓時(shí),能夠及時(shí)收到信息,并確認(rèn)故障點(diǎn)。后臺通過數(shù)據(jù)綜合判斷避雷器是否需要更換,使架空線路發(fā)生雷擊后的損失降到最低。

在線監(jiān)測裝置與金屬氧化物避雷器的腔室組合如圖2所示。絕緣護(hù)罩起絕緣與保護(hù)的作用,絕緣殼體起支撐、阻隔與絕緣的作用,絕緣外套是由硅橡膠制成的絕緣傘裙。金屬氧化物避雷器、智能檢測模塊、脫離器的作用與前述相同。鋁合金卡套用于卡住金屬氧化物避雷器芯體,并接地。金屬支架起支撐連接且固定金屬氧化物避雷器的作用。

圖2 在線監(jiān)測裝置與金屬氧化物避雷器腔室組合

采用如上組合,當(dāng)避雷器因雷擊損壞時(shí),只需要應(yīng)用絕緣操作桿更換避雷器芯體,簡單方便,并可以帶電作業(yè)。采用如上組合,還可以提高線路絕緣等級,產(chǎn)品的拆裝、維修、更換均不需要爬桿,在地面借助絕緣操作桿就可以完成,省時(shí)省力。避雷器安裝在腔室內(nèi),避免日照、雨淋及霧霾作用,避雷器的使用壽命延長。

7 技術(shù)參數(shù)

無線避雷器在線監(jiān)測裝置防護(hù)等級為IP68,技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 無線避雷器在線監(jiān)測裝置技術(shù)參數(shù)

8 推廣前景

當(dāng)前,我國電力工業(yè)發(fā)展迅速,發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量逐年增加。絕緣子避雷器作為輸配電設(shè)備不可缺少的組成部分,與電力工業(yè)的發(fā)展有密切關(guān)系。電力工業(yè)是絕緣子避雷器產(chǎn)品最主要的應(yīng)用市場,城鄉(xiāng)電網(wǎng)建設(shè)和改造、西電東送工程、電氣化鐵路建設(shè)、特高壓產(chǎn)品市場不僅為絕緣子避雷器產(chǎn)品提供了廣闊的市場空間,而且對絕緣子避雷器產(chǎn)品提出了新的要求,促進(jìn)絕緣子避雷器產(chǎn)品的市場結(jié)構(gòu)調(diào)整和新技術(shù)研發(fā)力度。強(qiáng)度等級高、耐污性能好、可靠性高的絕緣子避雷器將成為未來電力工業(yè)的重點(diǎn)應(yīng)用產(chǎn)品。

筆者設(shè)計(jì)的無線避雷器在線監(jiān)測裝置具有競爭優(yōu)勢。目前市場上的避雷器產(chǎn)品只具有單一防雷功能,安裝工序復(fù)雜費(fèi)時(shí)。在達(dá)到相同防雷電壓參數(shù)的前提下,筆者設(shè)計(jì)的無線避雷器在線監(jiān)測裝置實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測泄漏電流、工作溫度、動(dòng)作次數(shù)等功能,并且能夠在線分析,判斷避雷器的質(zhì)量,對避雷器故障進(jìn)行提前預(yù)警。

無線避雷器在線監(jiān)測裝置還支持移動(dòng)巡檢,在現(xiàn)場巡檢中通過智能移動(dòng)電話應(yīng)用軟件直接獲取避雷器的工作狀態(tài),基于動(dòng)作次數(shù)、泄漏電流大小對比,快速定位故障避雷器,提高檢修作業(yè)效率。無線避雷器在線監(jiān)測裝置完全適應(yīng)電網(wǎng)現(xiàn)代化建設(shè)的需要,符合電力線路器材向低能耗、無故障、長壽命、免檢修發(fā)展的要求。

9 結(jié)束語

架空線路的防雷在電力系統(tǒng)中具有重要地位,如果防護(hù)措施不當(dāng),雷擊過電壓將會對電廠、變電站的電氣設(shè)備造成破壞,嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。架空導(dǎo)線上直接安裝避雷器是一種有效的防雷方法,但避雷器一旦遭雷擊損壞,就成為架空導(dǎo)線的短路障礙,無法輸送電,且故障點(diǎn)的查找一直是一個(gè)難題。筆者通過研究電力物聯(lián)網(wǎng)中避雷器的遠(yuǎn)程故障監(jiān)測與維護(hù),設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的高可靠性無線避雷器在線監(jiān)測裝置,具有較高的應(yīng)用和推廣價(jià)值。