一种并联间隙放电监测装置的制作方法

本发明涉及电力系统故障定位和状态监测领域，特别是涉及输电线路间隙放电监测领域，尤其涉及一种并联间隙放电监测装置。

背景技术：

并联间隙(招弧角)是一种疏导型的雷电防雷技术，其利用并联于绝缘子串两侧的间隙装置，接闪雷电、疏导工频电弧、避免绝缘子被电弧灼伤，有助于提高线路重合成功率，减少运行维护工作量，在欧洲、日本等国家和地区被广泛采用。随着电网结构不断加强、六氟化硫开关设备和微机保护装置的大规模使用，我国电网应用并联间隙技术的条件已经具备，并在35kv至500kv线路上开展了并联间隙技术试点应用，起到了有效降低雷击故障率、保护绝缘子、减少故障巡视工作量的效果。

并联间隙的基本作用原理是：在绝缘子串两端并联一对金属电极构成保护间隙，通常保护间隙的距离小于绝缘子串的串长。架空线路遭雷击时，绝缘子串上产生很高的雷电过电压，因保护间隙的雷电冲击放电电压低于绝缘子串的放电电压，故保护间隙首先放电，接续的工频电弧在电动力和热应力作用下，通过并联间隙所形成的放电通道被引至间隙端部，固定在端部燃烧，从而保护绝缘子免于电弧灼烧。并联间隙的应用虽然会使线路的雷击跳闸率有所提高，但可避免工频电弧引起的绝缘子永久性损伤与破坏。此外，实验表明，灼烧3～5次以内的并联间隙具有更好的保护效果。

随着并联间隙的推广应用，针对安装并联间隙的线路提出合理的雷击跳闸率指标，合理调整安装并联间隙线路雷击故障巡线要求，快速找出并联间隙动作杆塔位置与闪络发生时刻，避免并联间隙保护失效，需要对并联间隙动作进行有效监测。

如何有效、快速、便捷、经济的进行并联间隙的间隙放电及续流监测需要考虑多种影响因素及工况条件，具体而言：

1.电磁干扰严重，运行环境恶劣。并联间隙安装于绝缘子串的低压侧和高压侧两端，分别为上电极和下电极，当线路雷击闪络时，上下电极间隙两端会产生放电，并引起持续的工频电流通过。工频持续电流可超过50ka，伴随着强烈的电磁效应，电动力和热应力巨大，灼烧面大，且作用时间长，可达10ms。对于安放于间隙附近的监测装置，极易受到侵扰。并且监测装置需长期户外运行，饱受风吹日晒雨淋，且易受输电线路杆塔周围污秽侵袭。因此并联间隙放电监测装置需具有较强的抗干扰和防冲击能力。

2.供电手段匮乏、取电困难。并联间隙放电监测装置需就近安放于并联间隙的上电极或下电极附近，以便监测放电和工频续流的电流回路，而线路杆塔上不具备常规的可靠的市电供电条件，需采用高压取电、地线取能、太阳能等供电方案，而这些方案对低功耗设备供电尚可，对高功耗设备供电存在困难和挑战。因此并联间隙放电监测装置需采用超低功耗设计，以确保能够长期稳定在线运行。

3.通信条件有限，存在通信盲区。目前，输电线路在线监测系统广泛采用的是gprs等公共通信运营商提供的无线通信方案，这一方案需有公共通信运营商的网络覆盖。或者是在近距离范围内利用wifi、蓝牙、zigbee等无线技术实现数据传输，而远距离传输则功耗显著上升，抗干扰能力下降。并联间隙在工程应用中大多采用的是全线安装方式，并联间隙监测装置分布特征将随输电线路走向呈现线性节点分布，类似链式网络拓扑结构，且节点位置高、地理空间分布广，跨度大，单级杆塔之间跨度可达1km甚至更远，总长度可达数百公里，局部范围内节点个数稀少，通信条件参差不起，存在通信网覆盖盲区，监测数据传输困难，而人工巡线则费时费力。因此并联间隙放电监测装置需具备长距离、低功耗、自组网通信能力。

4.成本敏感、经济性要求高。并联间隙本身是一种价格低廉、经济实用的输电线路防雷产品，基本是千元左右。作为并联间隙的监测装置，如果成本过高，甚至是其监测对象的几倍高，就失去了其工程应用价值，只能适用于理论或实验研究。而地线取能、高压取电供电方案，北斗卫星短报文通信，全线路公网或wifi覆盖等通信技术方案因成本过高不适宜采用。因此需对并联间隙放电监测装置成本进行严格控制，选取更适宜的技术方案实现。

据申请人所知，输电线路避雷器在线监测器实现了对避雷器冲击脉冲的监测，并利用gprs网络实现了数据的传输，但其无法有效监测并判断后续工频续流，不具备长距离、低功耗、自组网通信能力，易受通信网络覆盖盲区的限制。且为满足准确时间标记和位置信息，该设备利用集成的gps卫星授时定位模块实现对时与定位，设备的整体功耗与成本较高。

技术实现要素：

本发明的目的是：针对上述影响因素和技术存在的不足，提出一种并联间隙放电监测装置，实现对并联间隙的冲击放电和后续工频续流的有效监测，提供准确的并联间隙动作时间、动作次数、累积次数、以及线路编号、杆塔编号、相序、等信息等数据，实现监测数据的自动获取，汇聚与保存，方便后续的闪络故障快速定位、数据分析与应用。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种并联间隙放电监测装置，包括主节点装置和子节点装置，其特征在于：

主节点装置包括：主节点前端信号处理及隔离单元、主节点时钟、主节点中央处理器、主节点rf无线数据传输单元、主节点rf天线、gnss单元、gnss天线、gprs单元、gprs天线、主节点电源控制单元、主节点电池、主节点太阳能电池板，其中：主节点前端信号处理及隔离单元的输出与主节点中央处理器输入相连，主节点时钟的输出与主节点中央处理器的输入相连，主节点中央处理器的输入输出分别与主节点rf无线数据传输单元、gnss单元、gprs单元、主节点电源控制单元相连，主节点太阳能电池板的输出与主节点电源控制单元的输入相连，主节点电源控制单元的输入输出与主节点电池的输入输出相连，主节点rf天线的输出与主节点rf无线数据传输单元的输入相连，gnss天线的输出与gnss单元的输入相连，gprs天线的输出与gprs单元的输入相连；

子节点装置包括：线圈传感器、子节点前端信号处理及隔离单元、子节点时钟、子节点中央处理器、子节点rf无线数据传输单元、子节点rf天线、子节点电源控制单元、子节点电池、子节点太阳能电池板，其中：线圈传感器的输出与子节点前端信号处理及隔离单元的输入相连，子节点前端信号处理及隔离单元的输出与子节点中央处理器输入相连，子节点时钟的输出与子节点中央处理器的输入相连，子节点中央处理器的输入输出分别与子节点rf无线数据传输单元、子节点电源控制单元相连，子节点太阳能电池板的输出与子节点电源控制单元的输入相连，子节点电源控制单元的输入输出与子节点电池的输入输出相连，子节点rf天线的输出与子节点rf无线数据传输单元的输入相连；

主节点装置和子节点装置、子节点装置和子节点装置之间通过rf无线组网通信，主节点装置通过gprs与上位机通信。

进一步地，所述的主节点rf无线数据传输单元和子节点rf无线数据传输单元，采用载波侦听多路访问/冲突避免(csma/ca)协议和低功耗广域网(lpwan)通信技术，其中lpwan通信技术采用的是具有远距离、低功耗、多节点、抗干扰能力强、低成本特性的lora通信技术，是一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案，主要利用433mhz-915mhz的免费频率段通信。

进一步地，所述的主节点装置，利用gnss单元进行本地精确授时，并利用主节点rf无线数据传输单元和子节点rf无线数据传输单元组建的通信网向子节点装置授时，授时同步的精度在1ms以内。

进一步地，所述的子节点装置，可以初始固化线路编号、杆塔编号、相序、位置坐标数据，利用主节点rf无线数据传输单元和子节点rf无线数据传输单元组建的通信网相互进行数据转发路由，将数据送至对应的主节点装置，单个子节点装置rf无线覆盖范围内的其他子节点装置可以作为冗余路由节点。

进一步地，所述的主节点装置和子节点装置，采用低功耗设计方案，采用触发工作与同步定时工作相结合的运行方案。

进一步地，所述的主节点装置和子节点装置，内部电子部件采用了金属屏蔽层进行屏蔽保护，外部采用了封闭式绝缘防护外罩，防护等级为ip68。

进一步地，一条输电线路可以由多个子节点装置和两个主节点装置组成网络，也可以根据线路长度增加主节点装置数量；每个主节点装置可以管理并汇总至少100个子节点装置。

进一步地，主节点装置可以通过增加线圈传感器实现并联间隙放电监测。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明方案的优点在于：可实现对并联间隙的冲击放电和后续工频续流的有效监测，采用一个主设备带多个子设备的级联组网方案实现了监测数据的有效回传，避免的通信盲区，且能提供准确的并联间隙动作时间、动作次数、累积次数、以及线路编号、杆塔编号、相序、等信息等数据，为合理调整安装并联间隙线路雷击故障巡线要求，快速找出并联间隙动作杆塔位置与闪络发生时刻，提供了数据支撑，同时，本发明装置环境适应性强，通过调整监测参数，可实现多种输电线路状态的数据监测。

附图说明

图1是并联间隙放电监测装置主节点装置框图。

图2是并联间隙放电监测装置子节点装置框图。

图3是并联间隙放电监测装置主节点装置和子节点装置rf无线组网与数据跳转示意图。

图4是并联间隙放电监测装置典型安装位置示意图。

图中：1、主节点前端信号处理及隔离单元；2、主节点中央处理器；3、主节点时钟；4、主节点rf无线数据传输单元；5、主节点rf天线；6、gnss单元；7、gnss天线；8、gprs单元；9、gprs天线；10、主节点电源控制单元；11、主节点电池；12、主节点太阳能电池板；13、线圈传感器；14、子节点前端信号处理及隔离单元；15、子节点中央处理器；16、子节点时钟；17、子节点rf无线数据传输单元；18、子节点rf天线；19、子节点电源控制单元；20、子节点电池；21、子节点太阳能电池板；22、杆塔；23、输电线路；24、表示rf通信路径数据可在多个装置间跳转；25、主节点装置；26、子节点装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行说明。

本发明的具体方案是：一种并联间隙放电监测装置是由主节点装置25和子节点装置26共同组成。其中，主节点装置25的主要功能包括：本地对时与全网授时，子节点装置26数据的汇聚，向上位机转发本网络所有设备的数据等。子节点装置26的主要功能包括：存储本设备所处杆塔的线路编号、杆塔编号、相序、位置坐标等数据，进行并联间隙放电监测，并记录、存储对应的动作时间和次数，在自身网络覆盖范围内将上级子节点的数据向下级子节点或主节点转发。一般情况，一条输电线路可由多个子节点装置26和2个主节点装置25组成网络，也可根据线路长度增加主节点数量，提升通信冗余度。根据工程应用情况，每个主节点装置25可管理并汇总至少100个子节点装置26。

图1是并联间隙放电监测装置主节点装置框图，主节点装置25包括：主节点前端信号处理及隔离单元1、主节点时钟3、主节点中央处理器2、主节点rf无线数据传输单元4、主节点rf天线5、gnss单元6、gnss天线7、gprs单元8、gprs天线9、主节点电源控制单元10、主节点电池11、主节点太阳能电池板12组成。

图2是并联间隙放电监测装置子节点装置框图，子节点装置26包括：线圈传感器13、子节点前端信号处理及隔离单元14、子节点时钟16、子节点中央处理器15、子节点rf无线数据传输单元17、子节点rf天线18、子节点电源控制单元19、子节点电池20、子节点太阳能电池板21组成。

由图1和图2所示，主节点装置25和子节点装置26在整体架构是是相近的，采用的统一的平台，模块式设计方案，因此可以根据产品的需要配置对应的功能。在并联间隙放电监测中，子节点装置26通过减少gnss单元6、gnss天线7、gprs单元8、gprs天线9等单元，可在不损失主体功能的前提下，有效压缩成本。而主节点装置25通过增加线圈传感器13也可实现并联间隙放电监测。

整体的信号与数据控制的流程是：线圈传感器13贴近放置在图4所示意的工频续流的电流回路上，感应的信号由线圈传感器13输出口传入子节点前端信号处理及隔离单元14，子节点前端信号处理及隔离单元14具有限幅、过流等措施，同时为了进一步降低冲击对后续设备的损害，增加了光电隔离器进行保护。隔离后的信号由子节点前端信号处理及隔离单元14的输出口至子节点中央处理15的ad采样输入，进行数字化。中央处理器采用的是超低功耗的处理器芯片，并采用触发与定时唤醒工作模式，进一步降低整机功耗。通过设置幅度阈值和时间阈值等参数条件判断是否有有效信号进入。当存在有效信号时，立即进行时间标定，并存储，通过同步授时技术，时间标定精度可达1ms。中央处理器每天有多次定时启动工作的时间窗口，在这一时间段内，全部子节点装置26和主节点装置25将启动主节点rf无线数据传输单元4和子节点rf无线数据传输单元17，利用主节点rf天线5和子节点rf天线18进行信号发射与接收。定时启动时段根据功能和作用分为数据传输时段、全网授时对时时段、状态检查时段等，从而避免通道拥挤。主节点时钟3和子节点时钟16将为主节点中央处理器2和子节点中央处理器15提供本地时钟信号。主节点中央处理器2和子节点中央处理器15通过主节点电源控制单元10和子节点电源控制单元19进行全局电源控制，同时主节点电源控制单元10和子节点电源控制单元19也将控制太阳能电池板进行主节点电池11和子节点电池20的充电操作。gnss单元6是全球卫星定位处理单，通过gnss天线7接收卫星信号，并向主节点中央处理器2提供位置和时间服务，并受其操作控制。gprs单元8是公网数据通信单元，通过gprs天线9向上位机发送数据，并接收上位机指令给主节点中央处理器2，主节点中央处理器2将根据需要操作gprs单元8进行响应。

主节点装置25和子节点装置26、子节点装置26和子节点装置26之间是通过rf无线组网通信，主节点装置通过gprs与上位机通信。其中，rf无线数据传输单元采用了载波侦听多路访问/冲突避免(csma/ca)协议和低功耗广域网(lpwan)通信技术，其中lpwan通信技术采用的是具有远距离、低功耗、多节点、抗干扰能力强、低成本特性的lora通信技术，是一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案，主要利用433mhz-915mhz的免费频率段通信。通过实景测试传输距离可达5km，在线路连续布设并联间隙放电监测装置时，一个节点信号可覆盖至少7个节点，对于线路大跨越也能覆盖至少3个节点，可利用主节点rf无线数据传输单元4和子节点rf无线数据传输单元17组建的通信网相互进行数据转发路由，将数据送至对应的主节点，单个子节点装置rf无线覆盖范围内的其他子节点装置可作为冗余路由节点，可有效提高网络节点通信跳转的冗余度，提高通信可靠性，如图3所示。通过网络跳转，监测数据可自动远传回上位机或中心站，方便用户使用和查询。

时间的准确性对于输电线路雷电监测、故障判别和事故分析具有重要的意义。虽然通过全部安装gnss系统可方便实现统一对时和时间同步，但却很难降低成本，为此发明人利用网络对时的原理，由主节点装置25逐级向子节点装置进行对时。主节点装置25则利用gnss单元进行本地精确授时，实现全球时间同步。子节点装置则可利用rf无线数据传输单元组建的通信网向上一级子节点装置对时通信，往复多次后，即可得到准确时间。此外，装置本地也有主节点时钟3和子节点时钟16进行守时，可确保在下次同步前的时间精度。通过组网测试，时间同步精度可在1ms以内。

子节点装置26内部具有大容量存储空间。因监测装置一旦安装即固定不动，不需要利用gnss系统提供动态坐标，只需在安装时植入准确坐标即可满足要求，从而降低设备成本。因此，利用子节点装置26内部大容量存储空间，初始固化线路编号、杆塔编号、相序、位置坐标等数据。

为了满足在线监测设备长期在线运行的要求，针对并联间隙放电监测装置的影响因素和工况条件，主节点装置25和子节点装置26均采用超低功耗设计方案，采用触发工作与同步定时工作相结合的运行方案，工作电压3v，整机待机工作电流小于0.01ma，最大工作电流小于125ma，平均工作电流小于0.71ma，在2000mah电池的配置下，可无光照工作116天。同时，为了避免外部环境因素的影响，装置内部电子部件采用了金属屏蔽层进行屏蔽保护，外部采用了封闭式绝缘防护外罩，防护等级为ip68。

本发明可实现对并联间隙的冲击放电和后续工频续流的有效监测，采用一个主设备带多个子设备的级联组网方案实现了监测数据的有效回传，避免的通信盲区，且能提供准确的并联间隙动作时间、动作次数、累积次数、以及线路编号、杆塔编号、相序、等信息等数据，为合理调整安装并联间隙线路雷击故障巡线要求，快速找出并联间隙动作杆塔位置与闪络发生时刻，提供了数据支撑，同时，本发明生产制造成本低，适合大规模工程应用。此外，本发明装置采用模块化、功能分块化设计方案，环境适应性强，通过调整监测参数和组件，可实现多种输电线路状态的数据监测。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的相关技术人员应当理解：可以对本发明进行修改或者同等替换，但不脱离本发明精神和范围的任何修改和局部替换均应涵盖在本发明的权利要求范围内。