本发明涉及一种内置电流互感器的避雷器及其使用方法，用于防止电力系统雷电过电压及避雷器在线监测，属于避雷器及其在线监测技术领域。
背景技术：
避雷器是电力系统中非常重要的一种过电压防护设备，用于防止电力系统雷电过电压。因为具有非线性系数小、保护特性好、能量吸收能力强、通流能力大、结构简单和稳定性好等优点，目前氧化锌避雷器应用最为广泛。氧化锌避雷器的结构一般如附图1所示。图中，1为上法兰，金属材质，导电；2为外部绝缘，一般为瓷质或硅橡胶；3为绝缘筒或绝缘胶结构，在加强绝缘的同时，增加结构强度；4为氧化锌阀片叠加形成的避雷器阀芯；15为电极，金属材质，导电，连接避雷器阀芯和下法兰；5为下法兰，金属材质，导电。
正常运行时，氧化锌避雷器通过上法兰接入电力系统，通过下法兰接入接地网。氧化锌阀片具有极为优越的非线性特性。正常工作电压下氧化锌阀片电阻值很高，近似于一个绝缘体，流过避雷器阀芯的电流很小。而在过电压作用下，氧化锌阀片的电阻变成很小，雷电流可以通过阀芯流入大地。
避雷器常见的缺陷是阀片老化和受潮。当避雷器发生这些缺陷后，最典型的特征是运行电压下流过阀片的泄漏电流增大，特别是泄漏电流的阻性分量更加灵敏和准确。《电力设备预防性试验规程》（dl/t596）规定，“运行电压下交流泄漏电流，测量值与初始值比较有明显变化时应加强监测，当阻性电流增加1倍时，应停电检查”。运行电压下泄漏电流全电流与阻性电流的测试，可以通过带电测试的方法完成。但带电测试是周期性开展的，不能实时监测泄漏电流的数据。因此氧化锌避雷器一般都配合安装了泄漏电流在线监测仪表作为在线监测手段，具体安装方法如附图2所示。图中，1为上法兰，金属材质，导电；2为外部绝缘，一般为瓷质或硅橡胶；3为绝缘筒或绝缘胶结构，在加强绝缘的同时，增加结构强度；4为避雷器阀芯，由氧化锌阀片叠加形成；5为下法兰，金属材质，导电；15为电极，金属材质，导电，连接避雷器阀芯和下法兰；6为支撑绝缘子，不导电；7为避雷器架构，用于支撑避雷器，材质一般为水泥或钢材；8为接地引下线，金属材质，导电，连接接地网；9为避雷器泄漏电流在线监测仪表。13为金属导体，将泄漏电流从避雷器下法兰5引入避雷器泄流电流在线监测仪表9。正常运行时，在运行电压的作用下，泄漏电流从避雷器阀芯4通过电极15流至下法兰5。由于支撑绝缘子6不导电，泄漏电流只能通过金属导体13流至避雷器泄漏电流在线监测仪表9。避雷器泄漏电流在线监测仪表9，根据流过的电流显示泄漏电流数值。泄漏电流流过避雷器泄漏电流在线监测仪表9后，经过接地引下线8，流入接地网。避雷器泄漏电流在线监测仪表9显示的避雷器运行电压下泄漏电流，需要运维人员定期进行抄录、比对和判断，依然无法实现实时监测。于是又出现了具有通讯功能的避雷器泄漏电流在线监测仪表，通过通讯功能将测量到的泄漏电流数值发送到上位机进行实时计算和判断。还有一种方法，就是在附图2中增加一个穿心型电流互感器，让金属导体13穿心通过这一电流互感器，利用电流互感器测量流过金属导体13中的电流，电流互感器输出电流接入通讯模块并发送给上位机进行实时计算和判断。
上述的避雷器结构和对应的运行电压下避雷器泄漏电流在线监测方法存在着固有的问题。上述的方法能够正常、准确的测量运行电压下避雷器泄漏电流的前提是，流过金属导体13和避雷器泄漏电流在线监测仪表9的电流与流过避雷器阀芯4的电流完全一致。但实际工作中，却存在着一些干扰因素，其中最重要的是支撑绝缘子6的绝缘特性和外部绝缘2的污秽情况。支撑绝缘子6的绝缘特性如果不好，会产生分流，造成流过金属导体13和避雷器泄漏电流在线监测仪表9的电流与流过避雷器阀芯4的电流不一致。避雷器外部绝缘2的外表面上一般会有一定程度的污秽，在避雷器运行电压的作用下，会有电流流过外部绝缘2的外表面，一般称其为污秽电流。一般情况下，污秽越严重污秽电流越大，特别是在雨雪天气下，污秽电流往往可以达到很高的数值。污秽电流最终也要通过下法兰5，流过金属导体13和避雷器泄漏电流在线监测仪表9，造成流过金属导体13和避雷器泄漏电流在线监测仪表9的电流与流过避雷器阀芯4的电流不一致。附图3是上述问题的等效电路图。图中r1为避雷器氧化锌阀芯4的等效电阻，r2为外部绝缘2污秽的等效电阻，r3为支撑绝缘子6的等效电阻，9为避雷器泄漏电流在线监测仪表，i1为流过避雷器阀芯4的电流，i2为流过避雷器外部绝缘2表面的污秽电流，i3为流过支撑绝缘子6的电流，i为流过避雷器泄漏电流在线监测仪表9的电流。由图可知，i=i1+i2-i3。当避雷器外部绝缘表面干燥洁净时，i2非常小；当避雷器支撑绝缘子6绝缘良好时，i3非常小；这时i基本上等于i1，可以认为流过避雷器泄漏电流在线监测仪表9的电流，即为流过避雷器阀芯4的电流。但当避雷器外部绝缘存在较严重污秽，甚至叠加雨雪天气时，污秽电流i2数值会变得很大，此电流流过避雷器泄漏电流在线监测仪表9，造成避雷器泄漏电流在线监测仪表9检测到的电流大于流过避雷器阀芯4的电流。当避雷器支撑绝缘子6绝缘不好时，r3变小，i3变大，会造成避雷器泄漏电流在线监测仪表9检测到的电流小于流过避雷器阀芯4的电流。上述两种情况在实际工作中经常发生，给准确判断避雷器健康状况带来了困扰，也是各种避雷器在线监测功能正确发挥作用的瓶颈。究其原因，这是避雷器结构与对应的避雷器在线监测设备配合，固有的缺陷。因为流过金属导体13的电流与流过避雷器泄漏电流在线监测仪表9的电流始终是同一个电流，因此利用电流互感器测量金属导体13上的电流实现避雷器泄漏电流在线监测的方法，也存在上述固有的缺陷。
中国发明专利号cn201310381377.1，涉及一种可无线监测避雷。其主要内容是在避雷器阀芯原有阀片的下部插入一组低压氧化锌阀片，同时在该组低压氧化锌阀片的上下端分别设置铜电极，在避雷器外部绝缘护套内装设包含取电、电量检测、射频收发、信号处理等功能模块的环形电路。环形电路输入端分别与两个铜电极相连，形成低压氧化锌阀片与环形电路的并联回路，该并联回路同时与原有的避雷器氧化锌阀片形成串联回路。该专利认为正常运行时，低压氧化锌阀片阻值远远大于环形电路的输入阻抗，因此绝大部分电流将流过环形电路，并认为这一电流近似等于运行电压下避雷器的泄漏电流。环形电路中的电量检测模块采集这一电流，信号处理模块对电量检测模块的采样值进行计算得到电流数值，射频收发模块将相应的计算信息发送给接收装置，从而实现避雷器的在线监测。这一专利的实现存在如下几个问题。第一，在原有的避雷器氧化锌阀片下部插入一组低压氧化锌阀片，并通过低压氧化锌阀片两端的铜片连接环形电路的做法，其实质是利用原有氧化锌阀片和低压氧化锌阀片形成串联电路进行分压。由于氧化锌阀片本身是一种非线性元件，同时不同的氧化锌阀片的阻值及非线性特性并不完全相同，这种串联分压取得的数值离散性很高，而且测量的精确度无法得到保证。第二，在原有避雷器氧化锌阀片下部插入一组低压氧化锌阀片，不可避免的会改变原有避雷器的工作参数和特性。第三，环形电路主要由电子元件组成，考虑到运行环境的因素，环形电路的使用寿命远远小于避雷器本体的使用寿命。将环形电路置于避雷器绝缘外护套内部的做法，必然会面临避雷器正常运行生命周期内，环形电路提前失效的问题，不仅无法保证在线监测的正常实现，而且无法修复环形电路中的故障，甚至影响避雷器本体的正常运行。因此这一专利无法解决前面提到的避雷器结构和对应的运行电压下避雷器泄漏电流在线监测方法存在的固有问题。中国发明专利号cn201410534755.x，涉及避雷器带电监测技术领域，具体涉及一种具有漏电流测量功能的避雷器。其主要内容是一种具有漏电流测量功能的避雷器，包括外部密封的伞套、设置于所述伞套内部的由至少一个金属氧化物阀片组成的芯组，在所述芯组的上部设有第一铝电极、下部设有漏电流测量传感器。该专利所述漏电流测量传感器包括第二铝电极、第三铝电极、以及设置于所述第二铝电极和第三铝电极之间的电阻片。其所述第二铝电极设置于芯组的下部，在第二铝电极中设有引出到所述伞套外部的检测正极，在所述第三铝电极引出有检测负极；在该专利技术方案中，利用电阻将避雷器漏电流变换为电压信号，利用电阻两端的检测正极和检测负极将电压信号引出到避雷器护套外部，根据该电压值得到避雷器漏电流的变化情况，实现了避雷器漏电流的带电检测。该专利的技术方案依然是利用避雷器原有阀芯与新加入的电阻形成串联分压电路，通过测量电阻两端的电压，并根据新加入电阻的阻值计算得到泄漏电流。无非是用一固定阻值的电阻代替了中国发明专利号cn201310381377.1方案中的低压氧化锌阀片。此专利方案中依然存在着如下问题。第一，由于氧化锌阀片本身是一种非线性元件，同时不同的氧化锌阀片的阻值及非线性特性并不完全相同，这种串联分压取得的数值离散性很高，而且测量的精确度无法得到保证。第二，在原有避雷器氧化锌阀片下部插入电阻，不可避免的会改变原有避雷器的工作参数和特性。特别是中国发明专利号cn201410534755.x方案中提到了要在外部密封伞套上引出两个电极，对密封性要求非常高的避雷器而言，存在较大的隐患。因此这一专利也无法解决前面提到的避雷器结构和对应的运行电压下避雷器泄漏电流在线监测方法存在的固有问题。目前，已有技术对上述问题没有有效的解决方案。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种内置电流互感器的避雷器及其使用方法，通过电流互感器直接测量流过避雷器阀芯的泄漏电流，从而排除其他因素的影响，提高测量结果的准确性和可靠性，同时提高避雷器在线监测系统的准确性和可靠性，解决背景技术中存在的上述问题。
本发明目的是通过下面的技术方案实现的：
一种内置电流互感器的避雷器，包含上法兰、外部绝缘、绝缘筒或绝缘胶结构、避雷器阀芯、下法兰、电极、电流互感器、电流互感器输出线和电流互感器输出信号接口；上法兰与下法兰之间设有避雷器阀芯，避雷器阀芯下面设有电极，电极设置在下法兰上面，避雷器阀芯外面设有绝缘筒或绝缘胶结构，绝缘筒或绝缘胶结构的外面套有电流互感器；电流互感器的外面设有外部绝缘；电流互感器的电流互感器输出线，与下法兰上的电流互感器输出信号接口连接。
上法兰，金属材质，导电；外部绝缘，一般为瓷质或硅橡胶；绝缘筒或绝缘胶结构，在加强绝缘的同时，增加结构强度；氧化锌阀片叠加形成的避雷器阀芯；电极，金属材质，连接避雷器阀芯和下法兰，导电；下法兰，金属材质，导电；电流互感器和电流互感器输出线、电流互感器输出信号接口为公知的结构方式。
本发明在原有的氧化锌避雷器的结构基础上，增加了电流互感器、电流互感器输出线和电流互感器输出信号接口三部分。所述的电流互感器，采用穿心型电流互感器。电流互感器布置在绝缘筒或绝缘胶结构的外部，外部绝缘的内部。绝缘筒或绝缘结构穿心通过电流互感器。这种结构和布置方式，可保证不改变避雷器的结构强度和运行参数，电流互感器与避雷器阀芯和电极之间有足够的绝缘强度，同时外部绝缘还能够给电流互感器提供外部绝缘保护以及机械强度保护。
所述的电流互感器，由于避雷器运行电压下的泄漏电流数值很小，多为微安级和毫安级，因此电流互感器必须具备准确测量微小电流的能力，可采用零磁通电流互感器或其它具备测量微小电流能力的电流互感器。
所述的电流互感器，具有变比k。变比k可根据避雷器不同的参数设定不同的数值。
所述的电流互感器，应布置在避雷器底部，由下法兰支撑，水平位置与电极平齐，互感器上沿不超过避雷器阀片的底部。确保电流互感器处于地电位区域，提高电流互感器和避雷器运行的可靠性。
所述的电流互感器，外部应有金属屏蔽结构，金属屏蔽结构不对电流测量产生影响，金属屏蔽与避雷器下法兰金属部分连接，金属屏蔽与电极之间有足够的绝缘强度。,
所述的电流互感器由铁芯、绕组和金属屏蔽结构组成，可以认为电流互感器与避雷器本体具有相同的运行生命周期。
所述的电流互感器输出线，连接电流互感器二次绕组和电流互感器输出信号接口，作用是将电流互感器输出信号传送到电流互感器输出信号接口。电流互感器输出线应有足够的绝缘措施和绝缘强度，线径应满足机械强度和信号损耗的要求，外部采用屏蔽措施。
所述的电流互感器输出信号接口，布置于外部绝缘外侧的下法兰上，接线端与下法兰间有足够的绝缘强度。
一种内置电流互感器的避雷器的使用方法，包含如下步骤：
正常运行时，一种内置电流互感器的避雷器通过上法兰接入电力系统，通过下法兰接入接地网；在运行电压的作用下，避雷器泄漏电流流过避雷器阀芯、电极，并通过下法兰流入大地；由于电流互感器套在绝缘筒或绝缘胶结构的外部，也就是套在了避雷器阀芯和电极的外部；泄漏电流穿心流过电流互感器的一次侧，将在二次侧感应出电流；这一电流通过电流互感器输出线传输到电流互感器输出接口；外部测量表计或是避雷器在线监测装置从电流互感器输出接口处接收电流互感器二次电流，并根据电流互感器变比k，计算出电流互感器一次电流值；计算得到的电流互感器一次电流值即为避雷器运行电压下的泄漏电流值。
本发明接入电力系统时，避雷器泄漏电流在线监测仪表或避雷器在线监测装置获得泄漏电流数值可以从电流互感器输出接口处直接获得，不再需要支撑绝缘子和金属导体。简化了避雷器安装形式，减少了安装部件，提高了避雷器运行的可靠性。
本发明的积极效果是：在不改变避雷器的参数性能，不改变避雷器的主体结构的前提下，排除影响运行电压下避雷器泄漏电流测量准确性和可靠性的因素，实现对运行电压下避雷器泄漏电流的准确测量，提升避雷器在线监测的可靠性和准确性。简化了避雷器安装形式，减少了安装部件，提高了避雷器运行的可靠性。
附图说明
图1为已有技术氧化锌避雷器的结构示意图；
图2为已有技术氧化锌避雷器配合泄漏电流在线监测仪表安装示意图；
图3是等效电路图；
图4是本发明实施例的结构示意图；
图5是本发明安装示意图；
图中：上法兰1、外部绝缘2、绝缘筒或绝缘胶结构3、避雷器阀芯4、下法兰5、避雷器架构7、接地引下线8、避雷器泄漏电流在线监测仪表9、电流互感器10、电流互感器输出线11、电流互感器输出信号接口12、金属导体13、放大控制电路14、电极15。
具体实施方式
以下结合附图，通过实施例对本发明作进一步说明。
一种内置电流互感器的避雷器，包含上法兰1、外部绝缘2、绝缘筒或绝缘胶结构3、避雷器阀芯4、下法兰5、电极15、电流互感器10、电流互感器输出线11和电流互感器输出信号接口12；上法兰1与下法兰5之间设有避雷器阀芯4，避雷器阀芯4下面设有电极15，电极15设置在下法兰5上面，避雷器阀芯4和电极15外面设有绝缘筒或绝缘胶结构3，绝缘筒或绝缘胶结构3的外面套有电流互感器10；电流互感器10的外面设有外部绝缘2；电流互感器10的电流互感器输出线11，与下法兰5上的电流互感器输出信号接口12连接。
上法兰，金属材质，导电；外部绝缘，一般为瓷质或硅橡胶；绝缘筒或绝缘胶结构，在加强绝缘的同时，增加结构强度；氧化锌阀片叠加形成的避雷器阀芯；电极，金属材质，连接避雷器阀芯和下法兰，导电；下法兰，金属材质，导电；电流互感器和电流互感器输出线、电流互感器输出信号接口为公知的结构方式。
本发明在原有的氧化锌避雷器的结构基础上，增加了电流互感器、电流互感器输出线和电流互感器输出信号接口三部分。所述的电流互感器，采用穿心型电流互感器。电流互感器布置在绝缘筒或绝缘胶结构的外部，外部绝缘的内部。绝缘筒或绝缘结构穿心通过电流互感器。这种结构和布置方式，可保证不改变避雷器的结构强度和运行参数，电流互感器与避雷器阀芯和电极之间有足够的绝缘强度，同时外部绝缘还能够给电流互感器提供外部绝缘保护以及机械强度保护。
所述的电流互感器，由于避雷器运行电压下的泄漏电流数值很小，多为微安级和毫安级，因此电流互感器必须具备准确测量微小电流的能力，可采用零磁通电流互感器或其它具备测量微小电流能力的电流互感器。
所述的电流互感器，具有变比k。变比k可根据避雷器不同的参数设定不同的数值。
所述的电流互感器，应布置在避雷器底部，由下法兰支撑，水平位置与电极平齐，互感器上沿不超过避雷器阀片的底部。确保电流互感器处于地电位区域，提高电流互感器和避雷器运行的可靠性。
所述的电流互感器，外部应有金属屏蔽结构，金属屏蔽结构不对电流测量产生影响，金属屏蔽与避雷器下法兰金属部分连接，金属屏蔽与电极之间有足够的绝缘强度。
所述的电流互感器由铁芯、绕组和金属屏蔽结构组成，可以认为电流互感器与避雷器本体具有相同的运行生命周期。
所述的电流互感器输出线，连接电流互感器二次绕组和电流互感器输出信号接口，作用是将电流互感器输出信号传送到电流互感器输出信号接口。电流互感器输出线应有足够的绝缘措施和绝缘强度，线径应满足机械强度和信号损耗的要求，外部采用屏蔽措施。
所述的电流互感器输出信号接口，布置于外部绝缘外侧的下法兰上，接线端与下法兰间有足够的绝缘强度。
一种内置电流互感器的避雷器的使用方法，包含如下步骤：
正常运行时，一种内置电流互感器的避雷器通过上法兰1接入电力系统，通过下法兰5接入接地网；在运行电压的作用下，避雷器泄漏电流流过避雷器阀芯4、电极15，并通过下法5流入大地；由于电流互感器套在绝缘筒或绝缘胶结构3的外部，也就是套在了避雷器阀芯4和电极15的外部；泄漏电流穿心流过电流互感器10的一次侧，将在二次侧感应出电流；这一电流通过电流互感器输出线11传输到电流互感器输出接口12；外部测量表计或是避雷器在线监测装置从电流互感器输出接口12处接收电流互感器二次电流，并根据电流互感器变比k，计算出电流互感器一次电流值；计算得到的电流互感器一次电流值即为避雷器运行电压下的泄漏电流值。
参照附图4。本发明中上法兰1为金属材质，导电，作用是连接电力系统。避雷器阀芯4由氧化锌阀片叠加构成，是避雷器的主要部分。绝缘筒或绝缘胶结构3，套在避雷器阀芯4和电极15的外部，主要是起到加强绝缘和加强机械强度的作用。外部绝缘2，可以是瓷质材料也可以是硅橡胶材料，主要是提供外部绝缘和提供必要的机械强度。电极15，金属材质，导电，连接避雷器阀芯4和下法兰5，形成导电回路。下法兰5为金属材质，导电，作用是与避雷器架构7、避雷器接地引下线8连接并提供泄漏电流和雷电流流通的通道。电流互感器10，为穿心型电流互感器，套在绝缘筒或绝缘胶结构3的外部。这种布置方式等效于避雷器阀芯4和电极15穿心通过电流互感器10，流过避雷器阀芯4的泄漏电流成为电流互感器10的一次电流。电流互感器输出线11，两端分别连接电流互感器10的二次绕组输出端和电流互感器输出信号接口12，主要作用是将电流互感器10输出的二次绕组电流传输到电流互感器输出信号接口12。电流互感器输出接口12布置在避雷器下法兰5上，其主要作用是接收电流互感器10的二次绕组电流，并与各种外部检测设备连接，把电流互感器10的二次绕组电流传输给各种外部检测设备。电流互感器输出接口12的接线端与下法兰5间有足够的绝缘强度。
参照附图5。本发明通过上法兰1接入电力系统。避雷器通过下法兰5直接安装在避雷器架构7上，并通过接地引下线8接入接地网。附图2中的支撑绝缘子6和金属导体13不再安装使用。正常运行中避雷器的泄漏电流和雷电过电压时的雷电流的流通回路是，避雷器上法兰1、避雷器阀芯4、电极15、避雷器下法兰5、接地引下线8。正常运行中避雷器的泄漏电流穿心流过电流互感器10，在电流互感器10的二次绕组感应出二次电流。电流互感器10的二次电流通过电流互感器输出线11传输到电流互感器输出接口12。放大控制电路14，通过导线从电流互感器输出接口12接收、采集电流互感器10的二次电流。放大控制电路14能根据电流互感器10的变比k对电流互感器10的二次电流进行计算，计算得到电流互感器10的一次电流。计算得到的电流互感器10的一次电流就是正常运行中避雷器的泄漏电流。放大控制电路14可根据具体工程要求，根据输入的电流值，输出相对应的电流值或电压值。避雷器泄漏电流在线监测仪表9，从放大控制电路14取得输入信号并完成显示。放大控制电路14中还可以包含通讯模块，将计算得到的避雷器泄漏电流值发送给上位机，进行监测和判断。
本发明的主要创新点是在避雷器内置穿心型电流互感器。电流互感器套在避雷器绝缘筒或绝缘胶结构外部，使得避雷器阀芯中流过的避雷器泄漏电流成为电流互感器的一次电流。电流互感器的二次电流传输到避雷器外部的接口部分，提供给避雷器泄漏电流在线监测仪表或其它在线监测装置。这一方法排除了避雷器外部绝缘表面污秽电流和避雷器支撑绝缘子绝缘情况对避雷器泄漏电流测量准确性的影响，实现对运行电压下避雷器泄漏电流的准确测量，提升了避雷器在线监测的可靠性和准确性。同时简化了避雷器安装形式，减少了安装部件，提高了避雷器运行的可靠性。
为验证本专利方案的有效性，我们设计了如下试验方案。
1．选取传统结构的35kv氧化锌避雷器一支，型号为y5w-51/334。选用与该传统结构的35kv氧化锌避雷器相同的元件，按照本专利技术方案制作一支内置电流互感器的35kv氧化锌避雷器，电流互感器变比k为1000:1。对二者进行常规试验，试验数据见下表。由试验数据可知，本专利技术方案对避雷器的参数特性没有改变。
2.按照附图2所示的方案，对传统结构的35kv避雷器模拟接线。按照附图5所示的方案，对内置电流互感器的35kv氧化锌避雷器模拟接线，其中放大电路选用放大倍数为1000倍的电流放大电路，避雷器泄漏电流在线监测仪表选用微安表。在两支避雷器外绝缘干燥洁净的情况下，将两支避雷器上法兰并联，接地引下线并联。利用耐压机对两个避雷器同时施加运行电压，记录避雷器泄漏电流在线监测仪表的读数。收集电力设备外绝缘上的污秽，溶于水制成污秽水溶液。将污秽水溶液均匀喷洒在两支避雷器外绝缘上，模拟避雷器潮湿污秽的运行条件。将两支避雷器上法兰并联，接地引下线并联，利用耐压机对两个避雷器同时施加运行电压，记录避雷器泄漏电流在线监测仪表的读数。试验数据见下表。由试验数据可知，外绝缘的污秽电流对利用本专利技术方案制成的内置电流互感器的避雷器的泄漏电流在线监测仪表的测量没有影响。