云南电网怒江供电局 刘凡波 陈志喜
我国经济的快速发展对电网的稳定运行要求越来越高。近年来，南方电网公司新建了诸多变电站来满足电力增长的需求，导致变电站内金属氧化锌避雷器监测的工作量增加，需要对诸多变电站的多个金属氧化锌避雷器进行24h状态监测[1]。本文利用物联网大数据开发变电站的金属氧化锌避雷器24h 状态监测系统与原普通监测器不同在于，在监测器内安装了避雷器全电流和谐波法阻性电流模拟测试电路、单片机A/D 转换系统、利用金属氧化锌避雷器泄漏电流充电和远程通信模块，将避雷器的泄漏电流、阻性电流、放电次数和放电时间，无线远传至后台计算机。智能监测装置性能满足JB/T-10492-2011《金属氧化物避雷器用监测装置》及其中附录C 中有关智能监测装置的技术要求。
2.1 氧化锌避雷器机理概述
金属氧化物避雷器性能容易变差[2]。金属氧化物避雷器在工作状况之下接收不同的电压差，必将导致金属氧化物避雷器产生不同情况的劣化。金属氧化物避雷器的劣化主要包括三方面：第一，内部元器件老化；
第二，金属氧化锌非线性伏安特性的电阻器值的变低；
第三，外部绝缘橡胶护套的劣化。金属氧化锌非线性伏安特性的电阻器附属于固体电解质，在运行情况下主要来自电的劣化以及冲击干扰，而低苯基硅橡胶属于高分子化合物，在运行情况下主要碰到热劣化及电晕劣化。
2.1.1 DC劣化机理
金属氧化锌非线性伏安特性的电阻器附在运行进程中长时间接收标称电压，在必定水平上也会导致金属氧化锌非线性伏安特性的电阻器附的劣化。当DC内部过电压给予在金属氧化锌非线性伏安特性的电阻器附时，金属氧化锌非线性伏安特性的电阻器附里面的布局产生必然的更动。微观方面，具有整流特性的金属产生变异致使倾斜分布，致使倾斜劣化的电流-电压曲线。
DC 不过0 的信号影响金属氧化锌非线性伏安特性的电阻器，grain boundary 处不断有带负电荷的带电的粒子气体从空间电荷区内产生转移而堆集，同时汇合处的带正电荷的带电的粒子气体产生廓张。与grain boundary 层比较，空间电荷区电磁场较弱，没有显明的带电的粒子转移情况，相反带电的粒子廓张在grain boundary 层中frequency很快，故产生带正电荷的带电的粒子气体堆集及带负电荷的带电的粒子气体廓张，整流特性的金属高度都会因带电的粒子转移形成堆集或廓张而降低。同样，带电的粒子转移也产生于加反向电压grain boundary 层及空间电荷区中，有所区别的情况是产生在空间电荷区的带电的粒子转移，进而产生高度降低的整流特性的金属；
产生在grain boundary层的带电的粒子转移，进而产生高度上升的整流特性的金属。但由于高度转变量小于正向偏置，故而发生非对称整流特性的金属分布局面。
2.1.2 AC劣化机理
在AC电压下较与DC劣化不同，金属氧化锌非线性伏安特性的电阻器附具备对称转变的电流-电压曲线，很容易观察到对称转变出自对称转变的双整流特性的金属。金属氧化锌非线性伏安特性的电阻器附接收AC电压时，带电的粒子在同样强度的正、负电磁场下转移速率及交换水平大致相同，可以认为带电的粒子密度一般不会变化，如此金属氧化锌非线性伏安特性的电阻器附特性曲线仍旧是对称分布的。与此同时不一样的是，空间电荷区内的电磁场强度具有差异，主要是正向偏置电压与加反向电压不同。其中带电的粒子转移在电磁场较弱的正向偏置强度较弱，而加反向电压带电的粒子交换水平明显较大，如此正加反向电压带电的粒子的转移速率及堆集水平致使双整流特性的金属产生转变，但这样的转换仍然维系对称转变，最终金属氧化锌非线性伏安特性的电阻器附产生劣化以至无效。
根据交、DC 劣化机理所知，全泄漏电流10%～20%的阻性电流的增多是引起金属氧化锌避雷器劣化的主导成分，因此从全泄漏电流里精确采集其阻性电流是分析金属氧化物避雷器正常与否的重要步骤。
本项目采用物联网大数据手段对变电站的金属氧化锌避雷器实时状态监测，采集到的信息用无线模式传送到后台，利用大数据智能处理方法来对金属氧化锌避雷器的实时状态进行实时掌控。研究人员为抑制变电站内电磁干扰，影响阻性电流测量精密度及基波分量，研究开发出智能系统辨识法，从被影响的相应电流中取出准确的基波分量，进而实现对金属氧化锌避雷器实时运行的故障监测。
2.2 氧化锌避雷器的常用监测方法
现在惯用的氧化锌避雷器远程监控手段有总电流法、补偿法、阻性电流三次谐波法、基次谐波法测阻性电流以及西林电桥介损测量法等。
2.2.1 总电流法
监控氧化锌避雷器上安全回路线中的全泄漏电流，经过该泄漏电流的程度，来分析氧化锌避雷器劣化情况的监控办法。总电流法测试是经过在金属氧化锌避雷器的安全回路线串接在DC 或AC 毫安表,因此来测试总的泄漏电流。研究主要检测金属氧化锌避雷器的老化或受潮问题，在氧化锌避雷器劣化或受到潮湿时，阻性电流增多，从而全电流随之增加。
2.2.2 补偿法
经过补偿的方法,对容性电流进行补偿，经过取得系统标称电压补偿全泄漏电流的电容性电流的分量,因而只剩下电阻性电流的分量。
2.2.3 阻性电流三次谐波法
金属氧化锌避雷器具有良好的非线性特性，致使全电流里电阻性的分量不只包括有基波，并且还有3次、5次、7次、9次、11次，甚至更高次谐波，其所持分量顺序逐步减弱。金属氧化锌避雷器泄漏电流里的3次谐波IR3是一个特征量，明锐地反应氧化锌避雷器的劣化以及问题。电阻性电流三次谐波法是将总电流流经过BPF分析出三次谐波的分量,按照金属氧化物避雷器的全电阻性电流与三次谐波电阻性分量中间具备的特殊的比值相关来获得阻性电流最大瞬间值。
2.2.4 基次谐波法测阻性电流
测量时用电压互感器测量电网电压信号，用一个CT直接接在氧化锌避雷器的安全回路线上，经过相应的计算可以测得阻性电流基波值，按照电阻性电流基波所持比值的转变来分析金属氧化锌避雷器的运行情况。
2.2.5 西林电桥介损测量法
金属氧化锌避雷器阀片在单相小电流下的电路等效模型，其是由一个非线性电阻与线性电容并联而成。通过长期的研究和积累经验发现，介损测量能够有效判断介质受潮老化等整体劣化重要特征量。
3.1 对金属氧化锌避雷器运行时的信号进行智能化采集
信号采集技术是在线监测仪的一个重要的技术，由于避雷器的泄漏电流为微安级，所以如何对信号进行采集就是采集技术的关键点，拟采用穿芯式高精度电流互感器进行采集。此外，对于如此微弱的电流信号，系统需要高精度的电路来对信号采集分析处理，确保数据的真实有效性。
3.2 对金属氧化锌避雷器时钟模块研究
基于高精度计时芯片DS1302Z，DS1302Z是低成本、高准确度通用串行总线I2C 微小的脉冲电流充电低功耗及时时钟模块rtc时钟，具备集成的全温度补偿石英晶体振荡器和石英晶体。机件包括输入端，中断供电时依然维系精准的记录时间，并且提供商业级和工业级温度范围。集成的全温度补偿石英晶体振荡器，提升了机件持久准确度，缩小了装配线的元器件使用量。
3.3 自动组建金属氧化锌避雷器实时状态数据库
站控层的装备状况测试与评价系统可以根据得到的装备状况数据，选取基于多数据协调手段的集合评价模式，结合装备的构造特征和参数、工作状况记录以及环境成分，对装备工作状况和余下年限做出评价；
对已然产生、正在产生或或许产生的问题进行分析、判断和预报，明确问题的性质、类型、水平、原因，提出问题产生和变化的走向和其后果，指出限制问题变化和解除问题的有效方法，达到防止装备事故产生，确保装备安稳、可靠、正常工作的目标[3]。
3.4 对金属氧化锌避雷器运行情况进行智能分析
选取最前线的数字数据信号措置补充计算方法，对包含强烈干扰信号的金属氧化锌避雷器泄漏电流信号，进行数字自动化换算，选取措置器进行数字处理滤波，用以提升滤波的特殊效果，避免模拟数据信号滤波器不易措置杂乱干扰信号的缺陷。
3.5 利用金属氧化锌避雷器的本体泄漏电流提供电源
研究人员利用金属氧化锌避雷器泄漏电流能量供电，设备里面没有电池电源，无须外接太阳能板或者外部电源供电，当金属氧化锌避雷器泄漏电流高于或者是接近120μA，避雷器监测装置就可以远传此刻泄漏电流及雷击动作次数，数据永不丢失。
4.1 强干扰环境下金属氧化锌避雷器微弱持续电流信号监测与智能化采集
消除干扰的传统手段是使用数字滤波和模拟滤波。但是传统的极窄带低通滤波器或者陷波器的时域响应长，对于强干扰需要长时间才能够得到稳定的测量结果，为了降低滤波器的稳定时间，考虑使用冲击响应长度有效的“矩形窗”滤波器，该滤波器的优点在于不需要乘法运算，只需要不断累加输入信号就能够实现干扰消除，并完成直流信号的精确测量。
4.2 金属氧化锌避雷器内部过电压情况的准确监测
雷电击中变电站内设备具有不确定性，根据多年运行的经验证明，直接雷击和过电压对35kV 及以上的变电所内装备的破坏程度大。变电站内带固定无间隙避雷器。当金属氧化锌避雷器受到直接雷击时，雷电流流过导致的高电压、大电流超出其53%冲击放电电压时，金属氧化锌避雷器的串联无间隙氧化锌阀片被击穿，金属氧化锌避雷器跳动，金属氧化锌避雷器动作计算器进行计数，导致装备与接线间的电势差低于绝缘子串的击穿电压，从而防止线路自动跳闸断电，确保了供电的正常化[4]。
4.3 金属氧化锌避雷器实时状态的智能分析
监测到有强干扰变电站内金属氧化锌避雷器的微小链接泄漏电流数据，含有隔壁相以及周边高电压与大电流的电磁场环境干扰进来的烦琐影响，就算母线取电压数据，不足以分离出真正的阻性电流基波分量。因此，本项目针对该种干扰信号开展细致的钻研，研究开发出一种智能系统辨识法，从被影响的相应电流中取出准确的基波分量，来实现对金属氧化锌避雷器实时运行的故障监测。
应用金属氧化锌避雷器远程监控系统，运行人员无须到实施现场测试避雷器在线监测仪的运行数据，即可第一时间获取并查看相关数据，能够给电力管理人员和现场工作人员的工作带来便捷性，同时实现室内和移动办公，减少人力和物力，节约制造成本，提升了供电企业工作人员的工作效率。基于物联网的智能化避雷器远程监控系统，可以实现对整条输电线路避雷器智能化管理，保障电网的安全运行，推动智能电网的健康发展。
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