一种基于在线监测的无间隙氧化锌避雷器

1.本发明属于避雷器技术领域，具体涉及一种基于在线监测的无间隙氧化锌避雷器。


背景技术：

2.无间隙氧化锌避雷器作为电力系统中重要设备，其安全性及稳定性直接关系着电力系统的正常运行。无间隙氧化锌避雷通过吸收能量来抑制电力系统的过电压，长时间运行必然导致性能劣化，因此需要在线监测其状态以保证其安全运行。
3.无间隙氧化锌避雷器内部的氧化锌阀片串的泄漏电流的变化趋势可反映避雷器的运行状态。而当前业内普遍将避雷器整体的泄漏电流，即避雷器内部氧化锌阀片串的泄漏电流与外绝缘套筒的泄漏电流的矢量和,做为在线监测的对象，附图2所示为避雷器泄漏电流的等效电路图，i1与i2分别为流经避雷器内部氧化锌阀片串与外绝缘套筒的泄漏电流，i1为根本的监测对象，而当前常见的监测方法监测的是i3。由于避雷器外绝缘套筒的泄漏电流易受温度、湿度、污秽情况、天气等环境因素影响大幅变化，导致针对i3的监测数据误报警率高，误报警的避雷器将浪费大量人力物力拆取复测。针对此问题，当前的改进手段有：1.将环境因素纳入测量范畴并结合泄漏电流一起评估避雷器状态2.将泄漏电流的横向个体与纵向趋势比较归结出避雷器状态3.屏蔽环等手段屏蔽外绝缘泄漏电流的影响。其中方法1、2希望减小i2的影响，但依然无法从根本上解决原理性的错误；方法3从电路原理上看是正确的，但研究显示屏蔽环可靠性不高，可出现屏蔽环扎接不稳、屏蔽环锈蚀、屏蔽环接触到避雷器内部导体、多节型避雷器不适用等问题。而通过阻性电流实现对避雷器监测的方法中，包括三次谐波法、基波法、补偿法等方法，都需通过i3获取阻性电流，依然排除不了原理上的错误。因此选择内置式监测是避免外绝缘泄漏电流影响的最优正确方案。
4.大量研究表明，阀片温度是比泄漏电流更直接反映其状态的参量。避雷器做为电力系统中的吸能元件，其内部的氧化锌阀片串吸收电网中多余的能量，当避雷器因自身状态异常或雷击能量过大导致的吸能过多时，将直接表现为避雷器内部氧化锌阀片串发热，因此氧化锌阀片串的温度变化可反映避雷器的状态，是避雷器的重要监测要素。当前通常由巡检人员对避雷器进行红外测温的方式监测其温度，而这种方法测的是避雷器外套和法兰盘的表面温度，且易受环境因素影响。相比而言，如果能够实现内置式接触测温监测，是最准确的避雷器测温方案。
5.综上所述，避雷器的内置式在线监测是原理正确且最优的监测方案。然而现有的监测氧化锌避雷器监测技术均无法直接用于避雷器内置式监测，有些无法获取电源，有些会影响避雷器密封结构，有些不利于避雷器运行维护，都无法保证各项功能和避雷器本体的可靠。因此，需要采用新的内置式避雷器在线监测技术。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于在线
监测的无间隙氧化锌避雷器，解决当前避雷器外置型在线监测泄漏电流并非氧化锌阀片串泄漏电流、监测数据获取影响避雷器密封结构、不利于维护等问题；可在线监测避雷器氧化锌阀片串温度、氧化锌阀片串泄漏电流大小以及动作次数，避免外绝缘套筒泄漏电流影响造成的误报警率高的问题，提高避雷器状态评估的可信度。
7.本发明采用以下技术方案：
8.一种基于在线监测的无间隙氧化锌避雷器，包括避雷器外绝缘筒，避雷器外绝缘筒的一端连接高压端连接法兰，另一端连接低压端连接法兰组成避雷器本体，避雷器本体的内部设置有氧化锌电阻片串和监测单元，氧化锌电阻片串的一端与高压端连接法兰连接，氧化锌电阻片串的另一端与低压端连接法兰连接，监测单元与氧化锌电阻片串连接，用于在线监测避雷器泄漏电流、动作次数及内部温度状态信息。
9.具体的，监测单元的外部套装有金属电极，监测单元通过测温探头与氧化锌电阻片串连接，测温探头用于测取氧化锌电阻片串相邻阀片的温度并将温度信号传递至监测单元。
10.进一步的，金属电极与测温探头，以及监测单元储能器件的地电位保持同一电位。
11.进一步的，金属电极为罩形结构。
12.具体的，监测单元设置在避雷器外绝缘筒内靠近高压端连接法兰的一侧，或靠近低压端连接法兰的一侧。
13.具体的，监测单元连接通信带用于实现外部通讯。
14.具体的，监测单元包括自取电模块，自取电模块内部设置有第一保护模块，第一保护模块经整流模块和储能器件与储能控制电路及mcu连接，储能控制电路及mcu连接温度监测模块用于获取电阻片温度，连接泄漏电流采样模块获取泄漏电流信号，储能控制电路及mcu连接避雷器动作监测模块获取避雷器动作信号。
15.进一步的，温度监测模块包括热电偶，热电偶与储能控制电路及mcu连接。
16.进一步的，泄漏电流采样模块的输入端与整流模块连接，输出端与储能控制电路及mcu连接。
17.进一步的，避雷器动作监测模块包括第二保护模块吗，第二保护模块用于获取雷击时阀片的电压信号，并将获取的电压信号经雷击触发模块发送至储能控制电路及mcu。
18.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
19.本发明一种内置在线监测器的无间隙氧化锌避雷器，避雷器本体通过氧化锌电阻片串泄放冲击电流，限制过电压，以实现正常的避雷器功能，在此基础上于避雷器内部安置了监测单元，可直接、准确地获取避雷器内部的氧化锌电阻片泄漏电流及温度信息，从而最大程度避免外部环境对避雷器监测的影响，进一步可评估得到避雷器本体的真实状态。
20.进一步的，测温探头设置在金属电极内可接触式测取相邻氧化锌电阻片的温度并传与监测单元处理，是最直接可靠的测温方式。
21.进一步的，金属电极与测温探头，以及监测单元储能器件的地电位保持同一电位，以保证雷击时整体电路的绝缘强度。
22.进一步的，金属电极为罩形结构，可最大程度屏蔽外界的复杂的电磁环境的干扰，保证监测单元正常工作。
23.进一步的，监测单元可设置于高压端或低压端连接法兰侧，使得避雷器整体可应
用多种两端对称式外形结构，且生产或安装过程中无需特别注意高、低压端。
24.进一步的，监测单元通过通信带将监测数据远传至数据集中器与远程数据接收终端，将所监测的各项数据远传至数据集中器与远程数据接收终端，无需人力巡检获取数据。
25.进一步的，自取能模块可将避雷器氧化锌阀片串泄漏电流能量存储，并控制为各电路器件供能，而无需电池供电或外部供电，包括第一保护模块、整流模块、储能器件、储能控制电路及mcu，使得自取能模块能稳定安全地从避雷器泄漏电流中取能，并周期性地控制能量的存储与释放，保证各监测模块的正常工作及通讯数据的远传。
26.进一步的，温度监测模块可在线监测每节避雷器低压端阀片温度，提高对避雷器状态判断的准确性。
27.进一步的，泄漏电流经整流桥输出至泄漏电流采样模型方便电流采样，后经采样模型输出反映泄漏电流大小的数字信号至mcu供其处理。
28.进一步的，避雷器动作监测模块可在线监测动作次数，为全无源器件组成，可记录任意时刻的雷击，向mcu反馈雷击信号。
29.综上所述，本发明可原位替代无间隙避雷器及其监测器，且相比一般外部监测器，能够额外增加阀片温度的在线监测，提高了监测的可信度；可获取氧化锌电阻片串的泄漏电流，真实反映避雷器状态；能够将监测数据远传，避免巡检带来的大量人力物力消耗，同时提高监测的频率；最终能够提高电力系统的安全性。
30.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
31.图1为本发明结构示意图；
32.图2为避雷器泄漏电流的等效电路图；
33.图3为本发明内置监测单元的各功能框图；
34.图4为本发明电位示意图；
35.图5为本发明监测数据传输示意图。
36.其中：1.高压端连接法兰；2.避雷器外绝缘筒；3.氧化锌电阻片串；4.测温探头；5.金属电极；6.监测单元；7.通信带；8.低压端连接法兰；9.氧化锌阀片串；10.电位点；11.监测单元氧化锌阀片；12.相对地电位。
具体实施方式
37.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的
含义是两个或两个以上。
39.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
40.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
41.还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
42.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
43.在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
44.本发明提供了一种基于在线监测的无间隙氧化锌避雷器，包括避雷器本体与内置监测单元；避雷器本体通过氧化锌电阻片串泄放冲击电流，限制过电压，以实现正常的避雷器功能。内置监测单元通过其中各监测功能模块实现对避雷器本体状态的在线监测，并通过通讯模块将监测数据远传至数据集中器与远程数据接收终端，自取能模块为各监测功能模块及通讯模块供能。监测功能模块包括温度监测模块、泄漏电流采样模块、避雷器动作监测模块。温度监测模块可在线监测每节避雷器低压端阀片温度，提高对避雷器状态判断的准确性。泄漏电流采样模块可测取氧化锌阀片串的泄漏电流，避雷器动作监测模块可在线监测动作次数，通讯模块可将所监测的各项数据远传至数据集中器与远程数据接收终端，无需人力巡检获取数据。自取能模块可将避雷器泄漏电流能量存储，并控制为各电路器件供能，而无需电池供电或外部供电。
45.请参阅图1，本发明一种基于在线监测的无间隙氧化锌避雷器，包括高压端连接法兰1、避雷器外绝缘筒2、氧化锌电阻片串3、测温探头4、金属电极5、监测单元6、通信带7和低压端连接法兰8。
46.高压端连接法兰1通过避雷器外绝缘筒2与低压端连接法兰8连接组成避雷器本体，避雷器本体内设置有氧化锌电阻片串3，氧化锌电阻片串3的一端与高压端连接法兰1连接，另一端与低压端连接法兰8连接，避雷器外绝缘筒2内部靠近低压端连接法兰8或高压端连接法兰1的一侧设置有金属电极5，金属电极5为罩形结构，罩形结构的内部设置有监测单元6，监测单元6通过测温探头4与金属电极5连接，通过通信带7实现外部通讯，金属电极5与高压端连接法兰1之间设置有氧化锌电阻片串3。
47.高压端连接法兰1，用于避雷器与线路间的连接，或多节串联避雷器节与节之间的
连接。
48.避雷器外绝缘套筒2，用于形成避雷器内部封闭环境并保证避雷器外部绝缘耐压需求。
49.避雷器氧化锌电阻片串3，与氧化锌阀片串9相同，为避雷器的主要功能单元，用于泄放过电流，限制电力系统过电压，如图4所示。
50.测温探头4，用于测取相邻阀片的温度并将温度信号传递至内置监测单元中。
51.金属电极5，为避雷器至监测单元传导电流并用于安置测温探头4，如图4所示，金属电极5与测温探头4以及监测单元6的储能器件的地电位保持同一电位，以保证雷击时整体电路的绝缘强度。
52.监测单元6，置于避雷器内部的高压端或低压端，用于避雷器泄漏电流、动作次数、内部温度等状态的在线监测。
53.通信带7，由电磁波易穿透的材料组成，作为内置监测单元中通讯模块与外部通讯的通道，将避雷器监测数据经通讯模块以无线通讯的方式穿过通信带远传至数据集中器与远程数据接收终端。
54.低压端连接法兰8，用于多节串联避雷器节与节之间或避雷器与地之间的连接。
55.请参阅图3，监测单元6包括温度监测模块、泄漏电流采样模块、避雷器动作监测模块、自取电模块及通讯模块。
56.温度监测模块包括热电偶，热电偶用于将电阻片温度的模拟量转为数字量传输给自取能模块的储能控制电路及mcu；
57.泄漏电流采样模块包括泄漏电流采样模块，泄漏电流采样模块用于将氧化锌阀片串9的泄漏电流模拟量转为数字量传输给自取能模块的储能控制电路及mcu；
58.避雷器动作监测模块包括第二保护模块和雷击触发模块，保护模块用于采集雷击时阀片的电压，然后经雷击触发模块将获取的雷击信号传递至自取能模块的储能控制电路及mcu。
59.自取电模块包括第一保护模块、整流模块、储能器件、储能控制电路及mcu，第二保护模块用于限制雷击等异常情况下的电压升及冲击电流，将氧化锌阀片串9的泄漏电流经整流模块变为直流电后通过储能器件进行储能，通过储能控制电路控制储能器件的储能与泄放。
60.通讯模块用于将从储能控制电路及mcu处理后的各种监测数据发送至数据集中器与远程数据接收终端。
61.请参阅图5，以通讯模块为lora通讯模块为例，同一区域内各避雷器各节的监测数据通过内部的lora子模块首先传输至内部存在lora主模块的数据集中器，数据集中器可用于巡检人员现场观测历时数据与现场召测即时数据；数据集中器再将所得监测数据经符合电力系统规约的各种无线通讯方式将数据传输至主控室或远方测控便与上级人员观测与控制。
62.本发明一种基于在线监测的无间隙氧化锌避雷器的工作原理如下：
63.避雷器本体通过氧化锌电阻片串泄放冲击电流，限制过电压，以实现正常的避雷器功能；避雷器内部的内置监测单元通过其中各监测功能模块实现对避雷器本体状态的在线监测，并通过通讯模块将监测数据远传至数据集中器与远程数据接收终端；自取能模块
为各监测功能模块及通讯模块供能。监测功能模块包括温度监测模块、泄漏电流采样模块、避雷器动作监测模块。温度监测模块可在线监测相邻于监测单元的阀片温度，提高对避雷器状态判断的准确性。泄漏电流采样模块可测取氧化锌电阻片串的泄漏电流，避雷器动作监测模块可在线监测动作次数，通讯模块可将所监测的各项数据远传至数据集中器与远程数据接收终端，无需人力巡检获取数据。自取能模块可将避雷器泄漏电流能量存储，并控制为各电路器件供能，而无需电池供电或外部供电。
64.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
65.实施例1
66.500kv内置监测型氧化锌避雷器
67.500kv内置监测型氧化锌避雷器为三节图1所示部分串联形成的整体。
68.安装于500kv线路与地之间，用于限制线路过电压并远程在线监测避雷器自身状态。
69.避雷器外绝缘筒为复合材料绝缘筒
70.内置监测单元位于每节避雷器的低压端
71.内置监测单元中mcu为msp430系列单片机
72.内置监测单元中通讯模块为lora模块
73.内置监测单元中泄漏电流采样模块的采样电流范围为0～6ma。
74.500kv内置监测型避雷器的三节避雷器内部都存在监测单元，可更有效地评估避雷器每一节的状态，避免较大的外绝缘泄漏电流影响，以及单节避雷器故障反映于整体的监测中不够明显等问题，大大提高了避雷器状态评估的可靠性。
75.实施例2
76.330kv内置监测型氧化锌避雷器
77.330kv内置监测型氧化锌避雷器为两节图1所示部分串联形成的整体。
78.安装于330kv线路与地之间，用于限制线路过电压并远程在线监测避雷器自身状态。
79.避雷器外绝缘筒为瓷绝缘筒
80.内置监测单元位于每节避雷器的高压端
81.内置监测单元中mcu为stm32单片机
82.内置监测单元中通讯模块为zigbee模块
83.内置监测单元中泄漏电流采样模块的采样电流范围为0～3ma。
84.330kv内置监测型避雷器的两节避雷器内部都存在监测单元，可更有效地评估避雷器每一节的状态。内置监测型避雷器对应于各电压等级都有良好的监测效果。
85.综上所述，本发明一种基于在线监测的无间隙氧化锌避雷器，避雷器监测数据可
通过无线通讯的方式与数据集中器交互，数据集中器一方面可将历史数据就地显示或远传至数据集中器与远程监测终端显示，一方面可即时召测避雷器数据便于巡检工人获取即时数据，可避免数据获取过程中大量的人力物力消耗；监测功能及远传通讯的电能来源通过自取能技术从避雷器泄漏电流中稳定获取，避免电池供能、太阳能供能等技术破坏避雷器密封结构、存在工作死区、后期需定期维护等问题。本发明适用于各电压等级电力线路及变电站，用以替代当前普遍应用的无间隙氧化锌避雷器，对于电压等级高的、环境因素变化大的避雷器安置点效果尤为显著。
86.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。