避雷器的在线监测与故障诊断技术
前言：电力系统设备的状态监测和故障诊断是近
10年来发展较快的新技术，具有良好的发展和应用前景。但是，目前状态监测与故障诊断的应用还不普遍，还存在种种问题，包括一些认识上的误区。在实际应用中，有故障预报、故障诊断和状态监测等几个在内容上相近但存在差别的概念。一般来说，他们在内容上没有严格的界限，采用的方法很多都是一样的，都要进行在线检测盒数据分析，而且最终目标也是一致的，即防范于未然。本文主要讲述避雷器的在线监测和故障诊断技术。根据国家电网公司的规划，我国交、直流特高压输电工程的建设步伐将逐步加快。随着电压等级和杆塔高度的提高以及电网规模进一步扩大，电网结构更加复杂，加之近年来我国气候环境变化异常、雷电活动日益频繁，防电问题必将更加突出。
1、避雷器在线监测与故障诊断原理
金属氧化物避雷器在线监测和故障诊断的方法主要有全电流法，阻性电流分量法，功率损耗和元件温度，在参考文献中主要用到全电流法，监测避雷器的泄露电流，在一定程度上判断阻性电流的变化。这种方法简单方便，但在正常情况下，总泄露电流的阻性分量只占容性分量的10%左右，这使得监测到的总泄露电流的有效值或平均值主要取决于容性电流分量。
泄露电流是评估10kV配电网MOA运行状态的有效特征量，可通过监测正在运行的MOA泄露电流有没有发生畸变来评估MOA的运行状态。当10kV配电网的MOA正常运行时，其全泄露电流较小，只有微安级，且为工频正弦波；老化后的MOA的泄露电流幅值增大，且波形发生严重畸变，不再是标准的工频正弦波。10kV配电网中氧化锌的泄露电流及其微弱，很容易被噪声淹没，单纯从没有处理过的原始波形上无法区别正常避雷器和老化避雷器。消噪后的泄露电流可以为氧化锌避雷器运行状态的在线评估提供幅值和波形两个有效数据。
2、在线监测与故障诊断基本方法
通过改进阈值的小波消噪算法对10kV配电网避雷器的泄露电流信号进行消噪处理，并验证了本文所提出的算法在消噪效果上的优势，为配电网避雷器在线监测的工程实际应用提供了指导。改进阈值的平移不变量小波消噪算法原理，阈值的选取是利用小波阈值去噪的关键步骤，通常采用硬阈值法和软阈值法。近年来，有人提出采用软硬阈值法相结合的思路，
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本文中姑且称为软硬折中阈值法，其计算式见文献。另外，在一些特殊的情况下，10kV配电网氧化锌避雷器的泄露电流信号的不连续邻域中，采用阈值方法时其信号会再某一目标水平内上下浮动，这种现象称为伪吉布斯现象。此外，由于传统的阈值法缺乏平移不变性，因此极易在去噪后产生振铃效应。利用平移不变量小波去噪的方法能够很好的抑制伪吉布斯现象，其具体算法为：先把包含噪声的待处理信号循环平移n次，采用阈值法进行去噪处理，再对去噪结果取平均值，即“平移-去噪-平均”。改进后的阈值函数，采用硬阈值法得到的小波系数会出现不连续点，产生伪吉布斯现象，重构后的信号震荡较大，采用软阈值法得到的函数连续性好，但小波系数始终存在一定的偏差，导致重构信号的误差较大，软硬折中阈值法虽然可以结合二者的优点，但其阈值函数仍存在不连续点。阈值的选择既不能过大，也不能过小。若阈值过大，则会过滤掉原来不该被消除的有用信号，使信号严重失真；若阈值过小，则不能达到消噪的根本目的。在小波变换中，原始信号与污染噪声的传播特性有本质区别，每层小波系数所对应的阈值与污染噪声的小波系数传播特性应该是一致的。
由于我国6-10kV系统为中性点不接地系统，地电位升无法通过变压器中性点耦合到母线上，电网GPR过高可能会反击到低压避雷器上。而避雷器额定电压选取的原则是参考系统的最大工频过电压，通常不会考虑到地电位升高的问题。这样，当地网GPR过高导致反击到避雷器两端的电压超过其工频耐受电压时，就可能导致其被击穿而放电，发生避雷器爆炸事故。对于位于高电阻率地区的发变电站，如果放宽对接地电阻的要求时，需要按照站内低压避雷器所能承受的反击过电压来决定。但目前国内外尚未有文献对低压避雷器所能承受的最大地网反击过电压做系统的研究工作，通常只是根据避雷器的工频耐受特性，简单的套用解析公式进行估算。
3、案例分析
以发、变电站10kV系统额定电压为17kV的电站型避雷器为例，其1s工频耐受电压约为额定电压的1.25倍，即21.25kV，由于10kV系统的相电压为5.8kV，则通过公式可以计算出其最大允许的稳态地电位升为8.58kV。然而，一般入地短路电流直流分量衰减的时间常数为0.05s左右，在4个周期即0.2s以后就基本衰减为0，如果避雷器1s的工频耐压仍然采用暂态的最大值来校验显然是不合适的。而且从继电保护的角度来看即使考虑后备保护，故障也一般可以在0.5s以内切除，耐受时间取为1s也稍偏严格。另外在避雷器被击穿后，地网通过击穿的避雷器向线路对地电容充电，导致母线电压迅速上升，作用在避雷器两端的电压将急剧下降。
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以氧化锌避雷器为研究对象，对地网电位升高时吸收能量进行系统的研究，并通过与避雷器的允许通流容量进行对比，从而得到避雷器对地电位升的反击耐受能力。通过建立仿真模型，对仿真结果进行分析，可以得出从短路时刻直至5s故障切除过程中通过A相避雷器的电流在初始阶段由于地网GPR的直流分量较大，避雷器中的放电电流也相对较大，最大值为61.94A，持续时间大约为4ms。随着直流分量的衰减，其后放电电流减小至
总结：国内外超特高压输电线路的进行统计表明，雷击事故在线路故障中占有很大的比例，也是特高压输电线路跳闸事故的主要原因。日本50%以上的超高压电力系统事故是由雷击引起的，统计到的54次特高压线路跳闸中，雷击引起的跳闸共53次；美国、俄罗斯等12个国家的275-500kV输电线路连续3a的运行资料表明，雷害事故占总事故的60%。国家电网公司的统计表明，由于雷击造成的线路跳闸数占总线路跳闸数的40.5%。可见避雷器发生故障的几率很大。金属氧化物避雷器的电阻阀片的主要成分为氧化锌，该物质有着非常优越的非线性特性，并具有响应快、通流容量大、性能稳定等特点，因此在发输配电网中得到了广泛应用。10kV配电网中的避雷器被击穿时会造成一点接地故障，当出现2个不同相的避雷器同时发生接地故障时，会引起开关保护发生动作进而造成大面积停电。特殊情况下，受损的避雷器发生爆炸，极易导致周围其他设备发生损坏。国内对避雷器的故障检测通常是每2a拆下避雷器进行预防性试验。但由于配电网避雷器数量太多，每次检测都要消耗大量的人力、财力并断电，且配电网避雷器常常采用复合绝缘材料外套，很难从外观上发现避雷器短路接地，因此传统的避雷器检测技术很难在第一时间检测到故障点所在位置，不利于配电网的安全运行。随着在线监测技术的迅猛发展，研究人员发现通过监测一些参数可以知道避雷器的运行状况，而通过泄露电流来反应避雷器运行情况的方法经过无数次的实践后被认为
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是一个简便而又可靠的方法。准确获得完整清晰的泄露电流波形对判断避雷器运行状态起着决定性作用。因此避雷器的在线监测和故障诊断技术在当今智能变电站的重要的组成部分，同时也是智能电网建设的决定性因素。
参考文献：
（1）谭波，杨建军，鲁海亮，文习山，接地网电位升对10 kV避雷器的反击仿真分析，高电压技术 第39卷第5期2013年5月31日
（2）张博宇，苏宁，吕雪斌，张翠霞，殷禹，陈立栋，带串联间隙1 000 kV特高压交流输电线路避雷器关键技术参数分析，高电压技术第39卷第3期2013年3月31日
（3）董莉娜，胡可，王微波，夏云峰，胡琴，胡建林，小波消噪在10 kV金属氧化物避雷器在线检测中的应用，高电压技术第40卷第3期2014年3月31日
（4）Daiana Antonio da Silva, Eduardo Coelho Marques da Costa, Jorge Luiz De Franco, Marcel Antonionni, Rodolfo Cardoso de Jesus, Sanderson Rocha Abreu, Kari Lahti, Lucia Helena Innocentini Mei, Jose Piolat, Reliability of directly-molded polymer surge arresters: Degradation by immersion test versus electrical performance, Electrical Power and Energy Systems 53 (2013) 488-498 (5) George R.S.Lira, Edson G.Costa, Tarso V.Ferreira, Metal-oxide surge arrester monitoring and diagnosis by self-organizing maps, Electric Power Systems Research, 2014, Vol.108 (6) Maximilian Nikolaus Tuczek and Volker Hinrichsen, Recent Experimental Findings on the Single and Multi-Impulse Energy Handling Capability of Metal-Oxide Varistors for Use in
High-Voltage Surge Arresters, IEEE TRANSCATIONS ON POWER DELIVERY, VOL.23, NO.1, JANUARY 2013.
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