胡偉偉，賀 強(qiáng)，姜 坤，霍穩(wěn)靜，李 勝

（南陽金牛電氣有限公司，河南 南陽 474750）

0 引 言

氧化鋅避雷器是電力系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分，在不同的行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[1]。隨著我國電力需求的不斷增大，對(duì)于氧化鋅避雷器的運(yùn)行性能也提出了更高的要求。在實(shí)際運(yùn)行過程中，使用年限、內(nèi)部結(jié)構(gòu)性能以及安裝方式等都會(huì)直接影響到氧化鋅避雷器的使用壽命。當(dāng)前我國部分電力企業(yè)在對(duì)避雷器進(jìn)行檢修時(shí)僅通過簡單的巡視進(jìn)行例行檢修，這種方式存在一定的安全隱患[2]。針對(duì)避雷器中存在的問題設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，利用低耗能的遠(yuǎn)距離無線電（Long Range Radio，LoRa）通信技術(shù)及時(shí)發(fā)現(xiàn)避雷器運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的各種事故，從而延長避雷器的使用壽命，減少漏電事故的發(fā)生，具有較好的實(shí)際應(yīng)用意義[3,4]。

1 氧化鋅避雷器運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)整體架構(gòu)

氧化鋅避雷器運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)主要由避雷器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測終端、中繼網(wǎng)關(guān)、后臺(tái)數(shù)據(jù)中心以及遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

（1）避雷器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測終端。針對(duì)避雷器運(yùn)行過程中出現(xiàn)的泄漏電流、雷擊電流以及原始信號(hào)采集等進(jìn)行優(yōu)化處理，經(jīng)平臺(tái)統(tǒng)一處理后將對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街欣^網(wǎng)關(guān)終端。

（2）中繼網(wǎng)關(guān)。利用中繼網(wǎng)關(guān)對(duì)相應(yīng)區(qū)域內(nèi)終端檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一接收和處理，將處理好的數(shù)據(jù)直接發(fā)送至遠(yuǎn)程控制中心，供后臺(tái)統(tǒng)一化管理。

（3）后臺(tái)數(shù)據(jù)中心。后臺(tái)數(shù)據(jù)中心主要進(jìn)行數(shù)據(jù)接收和處理，將收集到的數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)讀取。

（4）遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)。通過遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)避雷器運(yùn)行中產(chǎn)生數(shù)據(jù)的顯示、查詢以及整理，技術(shù)人員可以直接通過該平臺(tái)對(duì)避雷器運(yùn)行中產(chǎn)生的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，以便在第一時(shí)間制定出針對(duì)性的處理措施[5]。

2 檢測原理

2.1 泄漏電流檢測

避雷器的使用對(duì)于電力行業(yè)而言具有非常重要的意義，將其應(yīng)用在電力系統(tǒng)中有助于避免和減少因雷擊造成的系統(tǒng)故障。避雷器能夠直接將大電壓分散至大地，從而確保電力系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備不受影響。氧化鋅避雷器主要由氧化鋅閥片、壓力釋放裝置和瓷套構(gòu)成。

流經(jīng)氧化鋅避雷器的總電流由阻性分量和容性分量合成，最終產(chǎn)生的主要是無功功率，借助無功功率能夠間接性分析出整個(gè)運(yùn)行系統(tǒng)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)氧化鋅閥片發(fā)熱的主要原因，有助于技術(shù)人員及時(shí)采取針對(duì)性的處理措施。同時(shí)，產(chǎn)生有功功率導(dǎo)致氧化鋅閥片發(fā)熱的主要是阻性電流中的基波分量，只要能檢測到總泄漏電流中的阻性電流基波分量，就能判斷氧化鋅閥片的性能是否良好。

2.2 雷擊電流檢測

利用雷電流流過防雷設(shè)備泄流通道時(shí)會(huì)在其周圍空間產(chǎn)生變化磁場的原理進(jìn)行感應(yīng)監(jiān)測，從而實(shí)現(xiàn)雷擊電流的間接測量，以便技術(shù)人員能夠檢測雷擊電流[6]。當(dāng)電流通過時(shí)，周圍的空間會(huì)產(chǎn)生一定的磁場，雷擊電流經(jīng)過后磁場的感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)增強(qiáng)，借助這種方式還能分析產(chǎn)生的雷電流大小。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 避雷器狀態(tài)監(jiān)測終端

避雷器狀態(tài)監(jiān)測終端主要由電池供電單元、信號(hào)采集單元、信號(hào)AD轉(zhuǎn)換單元、電源電壓采集單元、實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元、LoRa通信單元、串口通信接口單元以及微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）構(gòu)成，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行有較大的幫助。

3.2 中繼網(wǎng)關(guān)

本設(shè)計(jì)中，中繼網(wǎng)關(guān)主要由太陽能供電單元、LoRa通信單元以及4G通信單元等組成。

3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)

遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)主要是對(duì)系統(tǒng)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的一個(gè)重要平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控和后續(xù)統(tǒng)計(jì)和分析，為技術(shù)人員制定防雷措施提供支撐。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 避雷器狀態(tài)監(jiān)測終端驅(qū)動(dòng)程序

本設(shè)計(jì)中避雷器狀態(tài)監(jiān)測終端驅(qū)動(dòng)程序主要由泄露電流采集軟件驅(qū)動(dòng)、累計(jì)電流采集軟件驅(qū)動(dòng)、電源電壓采集軟件驅(qū)動(dòng)、LoRa通信軟件驅(qū)動(dòng)、串口通信軟件驅(qū)動(dòng)、內(nèi)存EEPROM軟件驅(qū)動(dòng)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘軟件驅(qū)動(dòng)以及程序遠(yuǎn)程更新軟件驅(qū)動(dòng)構(gòu)成，具體功能如下。

泄漏電流采集軟件驅(qū)動(dòng)具有遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的功能，維修人員在實(shí)際檢修過程中能夠直接結(jié)合監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的變化情況采取針對(duì)性的應(yīng)對(duì)措施，同時(shí)還能直接對(duì)驅(qū)動(dòng)芯片中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

通過雷擊電流采集軟件驅(qū)動(dòng)能夠直接喚醒處于睡眠模式的中央處理器（Central Processing Unit，CPU），采集和統(tǒng)計(jì)雷擊數(shù)據(jù)，最終將采集到的數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)街欣^網(wǎng)關(guān)，以便技術(shù)人員能夠在第一時(shí)間采取針對(duì)性的處理措施[7]。

電源電壓采集軟件驅(qū)動(dòng)能夠向單片機(jī)內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）下發(fā)指令，采集雷擊電流值。

相較于中繼網(wǎng)關(guān)的整體系統(tǒng)運(yùn)行而言，LoRa通信軟件驅(qū)動(dòng)本身具有上傳指令和下達(dá)指令的功能，能夠?qū)Ξa(chǎn)生的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

串口通信軟件驅(qū)動(dòng)能夠直接對(duì)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新配置，還能實(shí)現(xiàn)打印數(shù)據(jù)的功能[8]。

內(nèi)存EEPROM軟件驅(qū)動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的監(jiān)測和配置，為用戶提供便利。

實(shí)時(shí)時(shí)鐘軟件驅(qū)動(dòng)能夠?yàn)榧夹g(shù)人員的檢修和相關(guān)的信號(hào)喚醒等提供信號(hào)支撐，幫助其快速開展工作。

技術(shù)人員直接通過程序遠(yuǎn)程更新軟件驅(qū)動(dòng)進(jìn)行最終的操控工作和升級(jí)更新，從而達(dá)到自動(dòng)化的操控標(biāo)準(zhǔn)[9,10]。

4.2 避雷器運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測終端控制方法

結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測要求，筆者設(shè)計(jì)了避雷器在運(yùn)行過程中監(jiān)測終端的控制方式，具體流程如圖2所示。

圖2 避雷器運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測終端控制流程

該監(jiān)測終端在實(shí)際運(yùn)行過程中可以直接獲取漏電流值和對(duì)應(yīng)的電壓值等，且檢測獲取的時(shí)間較短，通過對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，判斷是否為有效指令。系統(tǒng)將監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)等直接上傳至中繼網(wǎng)關(guān)中，有助于監(jiān)測工作的高效進(jìn)行。在運(yùn)行過程中，針對(duì)外部中斷環(huán)節(jié)產(chǎn)生的泄漏電流值、供電電壓、雷電流值進(jìn)行累計(jì)計(jì)數(shù)，將累計(jì)后的數(shù)據(jù)上傳至中繼網(wǎng)關(guān)，降低失誤率。

5 結(jié) 論

通過分析氧化鋅避雷器使用的各種在線監(jiān)測技術(shù)、雷電流在線監(jiān)測技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出了一種架空輸電線路氧化鋅避雷器運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。通過分析不同狀態(tài)下避雷器運(yùn)行過程中產(chǎn)生的泄漏電流、雷電流信號(hào)等，有助于工作人員第一時(shí)間了解避雷器的運(yùn)行情況和老化情況，從而采取針對(duì)性的維修措施，減少漏電和爆炸事故的發(fā)生，提高避雷器的運(yùn)行安全性，對(duì)于保障我國用電安全有一定的積極作用。