750kV智能变电站中避雷器在线监测的设计

延安750kV智能变电站中避雷器在线监测的设计刊登于陕西电力杂志毛慧明3邓育平1肖文1刘明放2孝晓阳21.国家电网公司陕西省电力公司；2.陕西省电力设计院；3.西安西润电器技术有限责任公司）摘要：延安750kV变电站是目前我国电压等级最高的智能变电站，本文论述了其中避雷器智能在线监测的设计。主要包含：避雷器智能监测方法的选取，全泄漏电流和阻性电流的监测方法的选取，放电次数和放电时间测量方法的选取，抗干扰能力和信号隔离的设计，通讯系统的设计，产品的安装调试，以及避雷器智能监测的发展趋势等。ElectricPowerDesignInstitute关键词：智能变电站、金属氧化物避雷器、避雷器智能监测、避雷器传感器、RS485通信DesignonSurgeArresterOnlineMonitorofYan'an750kVDigitalSubstationDENGYu-ping1XIAOWen1LIUMing-fang2XIAOXiao-yang2MAOHui-ming3(1.ShanxiElectricPowerCompanyStateGridCorporationofChina；2.ShaanxiElectricPowerDesignInstitute；3.Xi’anXirunElectricApparatusTechnologyCO.LTD)Abstract：Yan'an750kVsubstationisofthehighestvoltagelevelintelligentsubstation，thispaperdiscussesthedesignofDigitalmonitoringforarrester.MainlyincludesthattheselectionofDigitalmonitoringmethodsforarrester,allleakagecurrentandresistivecurrentmonitoringmethodsselected,surgecounterandsurgetimemeasurementmethodselection,anti-jammingcapabilityandsignalisolationdesign,communicationsystemdesign,productinstallationanddebugging,aswellasthearresterintelligentmonitoringtrends.Keywords:DigitalSubstationMetaloxidesurgearresterMonitorforsurgearresterSenserofsurgearresterRS485communication0、引言智能变电站在我国已进入发展推广阶段，目前已有不少的智能变电站投入了运行。国家电网陕西省电力公司于2011年2月27日投入运行的延安750kV智能变电站，是目前国际上运行电压等级最高，智能化程度最高的智能变电站，她位于延安市洛川县境内，占地183亩，工程总投资5.8亿元，一期总容量2100兆伏安，750kV出线两回，330kV出线4回。远期总容量2×2100兆伏安，750kV出线8回，330kV出线12回。金属氧化物避雷器（以下简称避雷器）的智能监测是智能变电站的重要组成部分。避雷器由于不带任何间隙，在持续运行电压下有泄露电流流过，泄露电流会使避雷器不断老化。另外由于受潮、电位分布不均匀、表面污秽电流、过电压使避雷器过热等原因都会引起避雷器劣化。为了监测避雷器的运行状况和记录避雷器的放电次数，避雷器一般都安装有在线监测器。一般在线监测器安装在变电站内避雷器下方，避雷器的运行情况必须由值班人员巡视才能记录，很显然在智能变电站中是不能接受的，必须将其运行参数传输到IED（智能电子设备）中，进行智能监测。1、避雷器在线监测器方法的选择延安750kV智能变电站占地面积较大，避雷器在变电站中分布广、数量多、相距较远，所以我们将站内避雷器按地理位置分为750kV区和330kV区，两个区各使用一个IED。从避雷器到IED之间采用RS485通信的方式。为了提高通信的可靠性和抗干扰能力，防止地电位升高对系统的影响，各个避雷器的RS485通信信号汇总后再转换光信号传输到IED。避雷器的运行参数通过JSM3-485通信型避雷器在线监测器获得。当避雷器在运行过程中遭受雷击或内部过电压时，监测器内单片机系统通过放电次数传感器获得避雷器放电信号，将放电次数存储到记忆体中。当IED根据程序设定的时间进行数据采集时，程序根据监测器的编号依次向监测器发出通信指令，当相同编号的监测器接收到指令时，开始和计算机通信，将记忆体内存储的避雷器放电次数信息发送到计算机，同时启动模数（A/D）转换器，采集避雷器的全泄露电流信号和阻性电流信号，并将其发送到IED。计算机收到该避雷器的各种参数后，再向该监测器发出计数器清零指令，使该监测器存储器清零，以便再次记录数据。JSM3-485通信型避雷器在线监测器是将避雷器传感器（采集并传送避雷器放电次数和泄漏电流）安装在普通监测器内，他具有普通监测器和避雷器传感器的功能。1.1、避雷器监测数据的确定普通型避雷器在线监测器，一般具有监测避雷器的放电次数和全泄露电流值的功能。对于智能监测，避雷器放电次数和泄露电流的监测是必不可少的。另外由于避雷器的劣化与其阻性电流分量的大小有很大关系，所以我们增加了避雷器阻性电流的监测。智能监测器中采用单片机系统，用单片机系统时间确定避雷器的放电时间很容易，所以我们增加了避雷器的放电时间功能。1.2、避雷器泄露电流的监测为了提高抗干扰能力和提高智能监测器运行的可靠性，避雷器的泄露电流信号通过电流互感器获得，由于避雷器的持续运行电流值很小，电流互感器必须要有极高的灵敏度。但是避雷器在运行中要承受极大的雷电流和操作冲击电流。高灵敏的电流互感器不能承受大电流的冲击，将电流互感器安装小电流支路中，在雷电流下，与小电流支路并联的非线性电阻片导通，保护电流互感器在大电流冲击下不会损坏，并使传感器部分与避雷器主回路有电气隔离的作用。1.3、阻性电流监测器方法避雷器阻性电流的检测方法很多，常用的有补偿法、谐波法、功耗测试法、相位测试法等。在智能变电站中，普遍采用光电式电压互感器，不能直接获得避雷器电压信号。无法采用补偿法、功耗测试法、相位测试法等需要避雷器运行电压信号的测试方法。由于金属氧化物避雷器阻性电流分量具有优越的非线性，阻性电流的谐波分量很大，其中三次谐波分量成分最大。而其容性电流分量是线性的，所以通过测量避雷器泄露电流中三次谐波分量，并通过校准能够反映阻性电流的大小。三次谐波分量通过模拟电路，经过多级有源滤波，线性放大，峰值检测，校准电路等获得阻性电流信号。1.4、避雷器放电信号的获得避雷器放电信号通过继电器获得，当避雷器放电时，取样单元电压升高使继电器闭合。继电器常开触点与单片机相连接，获得放电信号。采用继电器能使单片机回路和监测器主回路完全隔离，提高系统的可靠性。1.5、监测器的抗干扰能力为了提高系统的抗干扰能力，单片机系统采用电磁隔离供电方式，RS485通信系统采用光电隔离通信方式。有较好的可靠性和抗干扰能力。2、通信系统监测器的供电系统：延安750kV变电站规模大，避雷器之间的相对距离较大。由于监测器采用12V（9—18V）直流电源供电，为了减小监测器供电线路上的电压衰减，将电站内的监测器分成10个区域，使用10个接线盒。每一个接线盒内安装一个12V开关电源（220V交流（或直流）转12V直流）分别给不同区域的监测器供电。通信线的连接：首先10区域内，监测器的通信线在接线盒内A+相互并接，B-相互并接。750区5个接线盒通的A+和B-相互连接在一起。330区5个接线盒通的A+和B-相互连接在一起。在其中的一个接线盒内安装一个RS485光纤转换器，将485信号用光缆传输到750小室和330小室。通过光缆能大幅提高通信的可靠性和抗干扰能力，增加通信距离，防止地电位升高对系统的影响。在光缆进入小室后，再将光信号转换成RS485电信号接入IED。3、系统布线750kV区避雷器监测系统布线图如图1所示。图1：750kV区避雷器监测系统布线图330kV区布线图与750kV区布线图类似，也使用了5个接线盒。一对光电转换器，将信号送人330小室IED.4、系统调试避雷器监测系统布线完成后，首先检查计算机与监测器的通信是否正常。当通信系统正常后，通过计数器放电试验器对监测器进行放电计数性能试验，每次放电计数计算机都应检测到。对于避雷器泄漏电流和阻性电流的检测，在系统正常运行后，计算机检测到的全电流和阻性电流应该与实际值相符合。5避雷器智能监测的其它方法随着避雷器监测技术的发展，也出现了不同的避雷器智能监测技术。5.1、电流互感器（CT）取样方式采用电流互感器能很好的将监测回路和避雷器主回路隔离，监测的安全性有所提高。在容性电流监测方面，过去大多采用电流互感器取样方式。在部分智能电站避雷器监测中，有些工程直接使用了测量容性电流的电流互感器。这种方法也存在不少缺点，首先在测量容性电流时，测量回路中不存在雷电流，而避雷器监测中，CT要经受较大雷电流冲击，根据国标GB11032《交流无间隙金属氧化物避雷器》的要求，10kA等级以上的避雷器都要承受100kA，4/10μs的大电流冲击。在陡波电流下，电流互感器二次侧产生的过电压非常大。而容性电流用电流互感器大都无法耐受较大的冲击电流。会在监测回路中产生极高的冲击过电压，对测量系统造成危害。容性电流较大，而避雷器泄漏电流相对很小，干扰相对增大，采用容性电流互感器，测量误差较大。采用容性电流互感器，无法测量到避雷器的放电信号。而放电次数是避雷器监测的重要指标。为了解决这些问题，也有将普通在线监测器小电流支路引出，将电流互感器安装在小电流支路中，避免雷电流对测量回路造成危害。最根本的方法是研制避雷器监测用电流互感器与前置放电器，小电流测量精度高，能耐受强雷电流冲击，能输出避雷器放电次数信号。为此我们研制了放雷CT型避雷器传感器与前置放大器，能经受100kA大电流冲击，能监测避雷器的泄漏电流和放电次数。5.2、阻性电流的监测问题根据IEC60099-5推荐的避雷器阻性电流的测试方法有：(1)利用避雷器运行电压的方法有：利用电压相位直接读取阻性电流的相位法，利用电压信号补偿容性电流的补偿法，功耗测试法；(2)不需要运行电压的方法有：三次谐波法，谐波分析法，通过对泄漏电流综合分析得到基波信号的补偿法等。不同的测量方法的测量精度不同，各有利弊。利用电压信号测量功耗时，直接反应避雷器的发热性能，但是人们往往较关心阻性电流峰值的大小，而此方法测不到电流峰值。由于金属氧化物电阻片等值电路不是简单的电容和非线性电阻的并能回路，而是较复杂的链式回路。阻性电流的峰值和电压的峰值并不相同，参看图2IED60099-5给出的运行电压、全电流、阻性电流的图。从图2中可以看出，阻性电流的峰值和电压峰值相位时是不同的（实际上此相位差是随着阻性电流的大小而变化的）。所以采用相位法测量也会产生误差。由于不同避雷器的容性电流（持续运行电压下略小于全电流）不同，补偿法要自动调整补偿度的大小，电路复杂，也会产生误差。特别是电站中运行的避雷器存在相间干扰问题，即B相电压经过空间电图2：持续运行电压下，通过容性电流补偿后剩余的电流（阻性电流）容在A相和C相产生容性电流，由于相位差，会使A相阻性电流增大，C相阻性电流减小。对于500kV及以上的避雷器，测出的阻性电流会为负数（功耗小于零），说明已无法测试。有些仪器采用人为移相的方式测量，增加了人为因素。谐波法测量的优缺点：当避雷器老化引起阻性电流增大时的电流波形如图3所示：从图3可以看出，随着阻性电流值的增大，非线性急剧增加，所以测量阻性电流中的谐波分量，可以测量出阻性电流。谐波法准确度受运行电压中谐波分量的影响，由于三次谐波及五次谐波的相位不一定与基波的相位相同，相同是为尖顶波，而相