CN109633384A - 一种智能型绝缘线路防雷在线监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能型绝缘线路防雷在线监测装置及方法，包括CPU模块，CPU模块输入端连接有采样模块、环境温度检测模块和电源模块，采样模块连接避雷器的电流互感器和电压互感器，环境温度检测模块连接避雷器的温度传感器；CPU模块还连接有通讯模块并与通讯模块通信，通讯模块与系统主站进行通信；配电线路的导线通过绝缘子串支承于横担上；避雷器包括固定金具、接线球形电极、接地球形电极和可调固定支架；夹持固定于导线上的固定金具支承接线球形电极，接线球形电极通过固定金具与导线导通，接地球形电极通过可调固定支架支承于横担上并接地。本发明保证绝缘子不遭雷电袭击，对避雷器泄露电流及阻性电流分量和动作次数进行数据远传，工作效率高。
Description
技术领域
本发明属于电力安全技术领域，特别涉及一种智能型绝缘线路防雷在线监测装置及方法。
背景技术
随着国民经济的发展，对供电可靠性的要求越来越高。为减少线路过电压所造成的跳闸事故，很多输电线路采用更换绝缘子的方式来提高线路绝缘水平，以求达到减少线路跳闸率的目的。更换绝缘子后，当遇到操作过电压或者雷击过电压时，线路上所安装的防过电压产品(避雷器)不能彻底有效地释放操作或雷击电流，从而造成线路上的电压上升，危及到线路上设备的安全，导致严重的设备安全事故发生。
配电线路的绝缘水平通常比较低，不但直击雷能造成危害，感应雷产生的过电压也能产生雷害事故，同时，配电线路能采取的防雷措施非常有限，一般不能采用架设避雷线、耦合地线等方法，只是安装避雷器进行保护。但是避雷器只适用于配电线路的进出线侧和配电设备的保护，不能在配电网上大量安装，如果整个配电线路均安装避雷器则由于数量众多，必然导致成本高、投资大、运行维护困难，且避雷器本身在损坏时又会形成新的故障点，影响配电网的可靠运行，所以配电网的防雷问题一直是影响配电网安全运行的主要问题。配电线路由于要穿越山区、江河、丘岭等地区，遭受雷击的概率非常大，线路上所用的瓷绝缘子经长期运行后其绝缘水平降低，强大的雷电流和工频电流会把绝缘子打炸，甚至造成断线事故。
为了防止线路绝缘子在雷击时受到损伤，就要保护绝缘子，最好的办法是在雷击过电压发生时，雷击流和其随后的工频续流不流过绝缘子表面，因为如果雷电流或工频续流流过绝缘子表面时，或多或少都会使绝缘子受到损伤，且由于是固体和气体交界面的绝缘结构，受绝缘子表面污秽的影响和电场畸变的影响，不利于电弧的熄灭，则雷电建弧率高，严重时会使绝缘子完全破坏。
为解决上述问题，本申请发明人深入产品应用现场，并吸收一线用户的大量反馈信息，防过电压遵循由“堵截”型转为“疏导”型的原则，针对不同的环境和地区的实际情况，发明了智能型绝缘线路防雷在线监测装置，可以解决配网输电线路过电压对线路设备带来的危害，减少过电压造成的绝缘子闪络、爆瓶、断线事故，为提高线路供电的安全可靠性保驾护航。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种智能型绝缘线路防雷在线监测装置及方法，一方面，保证了绝缘线路绝缘子不遭受雷电袭击，避免发生绝缘子击穿事故；另一方面，可以对避雷器泄露电流及反应避雷器阻性电流分量和动作次数进行数据远传，免除了人工记录、抄表的繁杂，大大提高了运维人员的工作效率。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种智能型绝缘线路防雷在线监测装置，其结构特点是包括CPU模块，所述CPU模块的输入端连接有采样模块、环境温度检测模块和电源模块，所述采样模块连接避雷器的电流互感器和电压互感器，所述环境温度检测模块连接避雷器的温度传感器；所述电源模块连接CPU模块的电源端；所述CPU模块的输出端连接显示模块，所述显示模块连接显示器；所述CPU模块还连接有通讯模块并与通讯模块通信，所述通讯模块与系统主站进行通信；
配电线路的导线通过绝缘子串支承于配电线路杆塔的横担上；
所述避雷器包括固定金具、接线球形电极、接地球形电极和可调固定支架；夹持固定于导线上的固定金具支承所述接线球形电极，接线球形电极通过固定金具与导线导通，所述接地球形电极通过可调固定支架支承于所述横担上并保持接地，所述接线球形电极和接地球形电极相对放置且两者之间设有间隙m，所述间隙m比绝缘子串的长度j短。
作为一种优选方式，所述可调固定支架由支撑架和螺杆构成，支撑架一端与横担固连，支撑架另一端设有与螺杆相配合的螺孔，螺杆通过所述螺孔支承于支撑架上，螺杆与所述接地球形电极固定连接。
作为一种优选方式，所述固定金具由导线夹持件和电极连接杆构成，所述导线夹持件由第一弓形夹板和第二弓形夹板构成，第一弓形夹板和第二弓形夹板通过螺栓或者铆钉将导线的金属导体部分紧密夹持，所述电极连接杆一端与第一弓形夹板固定连接，另一端与接线球形电极固定连接。
作为一种优选方式，所述接线球形电极和接地球形电极为防锈球形电极。
作为一种优选方式，所述接线球形电极与绝缘子串之间的距离i为500mm以上。
作为一种优选方式，所述采样模块还包括有源二阶滤波电路、泄漏电流ADC转换器、母线电压ADC转换器；电流互感器依次通过有源二阶滤波电路、泄漏电流ADC转换器与CPU模块相连；电压互感器通过母线电压ADC转换器与CPU模块相连。
基于同一个发明构思，本发明还提供了一种利用所述的智能型绝缘线路防雷在线监测装置进行在线监测的方法，其特点是包括：
第一步，利用电流互感器采集避雷器下端到地的总泄漏电流，利用电压互感器采集母线电压；
第二步，将采集的避雷器总泄漏电流和母线电压进行离散数字化，通过傅里叶变换在频域中求得总泄漏电流和母线电压的基波值和各次谐波的相位和幅值，并从实时总泄漏电流中分离出实时总阻性电流值、阻性电流基波值和阻性电流各次谐波值；
第三步，将实时总泄漏电流中分离出的总阻性电流值、阻性电流基波值和阻性电流各次谐波值与避雷器以往的总阻性电流值、阻性电流基波值和阻性电流各次谐波值进行纵向比较，根据比较结果判断避雷器是否需要调节接线球形电极和接地球形电极之间的距离m、避雷器是否出现污秽、受潮、老化。
作为一种优选方式，将采集的避雷器总泄漏电流和母线电压进行离散数字化是指，将避雷器总泄漏电流、母线电压的离散信号进行数字化，使得离散信号的函数值只取有限值。
作为一种优选方式，所述将采集的避雷器总泄漏电流和母线电压进行离散数字化，通过傅里叶变换和运算，在频域中求得总泄漏电流和母线电压的基波值和各次谐波的相位和幅值，包括：
对母线电压傅里叶展开得：
式中，U0为直流电压值，Ukm为k次谐波幅值，m表示最大值，αk为母线电压k次谐波相角，ω为角频率，t为初始时间，k为各次谐波分量，k＝1,2,3……；
对总泄露电流傅里叶展开得：
式中，I0为总泄露电流的直流分量，Ikm为总泄露电流的k次谐波幅值，βk为总泄露电流的k次谐波相角；
由(1)可以求得总泄露电流容性分量为：
上式中，总泄露电流容性分量的k次谐波幅值为：Ickm＝kωCUkm；
因母线电压与泄露电流阻性成分同相，其各次谐波也同相，若Irk为k次谐波的阻性电流幅值，其阻性电流为：
又因为ix＝ir+ic，将(2)、(3)、(4)代入其中有：
将式(5)两边同时乘以sin(nωt+αn),并在一定周期内取定积分，有：
根据三角函数的乘积在一个周期内的正交特性：
对于式(6)，仅在k＝n时，对应项的定积分不等于0，可化简为：
利用三角函数的积化和差公式简化(9)得：
利用三角函数的正交特性可得：
得：
得：
所以有：
Irk＝Ikmcos(βk-αk)＝Ikm[cosαkcosβk+sinαksinβk] (13)
同理，将(5)两边同时乘以cos(nωt+αn)，并在同一周期内取定积分，依据三角函数正交特性，仅当k＝n时，定积分有不为零项；化简后可得容性电流的各次谐波量为：
Ick＝Ikmsin(βk-αk)＝Ikm[cosαkcosβk-sinαksinβk] (14)
利用此方法从总泄露电流中分离出总阻性电流值、阻性电流基波值和阻性电流各次谐波值。
作为一种优选方式，污秽和内部受潮故障告警时，阻性电流占比、基波增长幅值和谐波增长幅值的整定值0-99在线可设；避雷器老化告警时，阻性电流占比、基波增长幅值和谐波增长幅值的整定值0-99在线可设。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
第一，接线球形电极和接地球形电极之间带有间隙的设计，使得配电线路遭受雷击后在电压差达到一定水平以后该间隙可以先于绝缘子串放电，把沿绝缘子串表面燃烧的电弧引离绝缘子而在两个球形电极之间燃烧，因此可以避免绝缘子串和线路被雷击烧毁，维持线路正常运行的作用，从而可以彻底解决绝缘导线的雷击损伤和短线的问题。由于接线球形电极安装于导线的负载一侧，而且绝缘子串与接线球形电极保持500mm以上的距离，因此持续的工频电弧在电动力和热应力的作用下会向远离绝缘子串的方向向外延展，可以避免绝缘子由于电弧的爬行产生的热量而烧毁，从而可以避免配电线路发生物理性故障，可以提高重合闸的成功率。由于本发明的两个球形电极之间的间隙可以调整，因此可以适用于多种电压、多种型号/数量的绝缘子串支持的配电线路，而且不仅适用于裸导线，还适用于绝缘导线，因此具有适用范围广的优点；绝缘子串在杆塔上的工作过程中，绝缘子串的表面会逐渐形成污秽、发生劣化，使得绝缘子串的耐受电压低于其安装前的耐受电压，此时可以调整两个球形电极之间的间隙就可以使得老化的绝缘子串具有较好的防雷效果。此外，本发明防锈型球形电极的设计，可以有效防止球形电极生锈而影响球形电极的捕捉电弧根部的能力，可以有效提高球形电极的使用寿命；本发明结构简单、成本低廉，而且维护也非常简单，可以直接通过肉眼检查本可调间隙防雷装置的状态，不需要停电检查或者带电检查，更加安全、方便。
第二，通过物联网通信将绝缘线路遭受雷击的数据远程传输给主站，上位机会发出故障报警信号，负责监测人员通知检修人员去现场检查修理或者更换相关设备。大幅度减少了人工巡视工作的繁杂和雷击造成的停电试验带来的损失，其可以自动采集数据并将数据远程传输至监控室，方便了监控人员及时发现绝缘子或者绝缘线路的故障缺陷并在必要条件下更换设备，杜绝故障隐患，提高了供电可靠性。
附图说明
图1为本发明装置整机结构原理图；
图2为本发明采样模块工作原理图；
图3为本发明避雷器应用于绝缘导线的结构示意图；
图4为本发明固定金具的结构示意图。
图5为图4的剖视图。
图6为本发明避雷器等效电路模拟图。
具体实施方式
如图1至图6所示，智能型绝缘线路防雷在线监测装置包括CPU模块，所述CPU模块的输入端连接有采样模块、环境温度检测模块和电源模块，所述采样模块连接避雷器的电流互感器和电压互感器，所述环境温度检测模块连接避雷器的温度传感器；所述电源模块连接CPU模块的电源端；所述CPU模块的输出端连接显示模块，所述显示模块连接显示器；所述CPU模块还连接有通讯模块并与通讯模块通信，所述通讯模块与系统主站进行通信；
配电线路的导线1通过绝缘子串2支承于配电线路杆塔的横担3上；
所述避雷器包括固定金具4、接线球形电极5、接地球形电极6和可调固定支架7；夹持固定于导线1上的固定金具4支承所述接线球形电极5，接线球形电极5通过固定金具4与导线1导通，所述接地球形电极6通过可调固定支架7支承于所述横担3上并保持接地，所述接线球形电极5和接地球形电极6相对放置且两者之间设有间隙m，所述间隙m比绝缘子串2的长度j短。以绝缘子串2与导线1接触点作为基点，固定金具4安装于导线1靠近负载方向一侧，为了防止接线球形电极5与绝缘子串2之间产生电弧，接线球形电极5与绝缘子串2之间的距离i应当为500mm以上，在本实施例中，i为500mm。
所述可调固定支架7由支撑架71和螺杆72构成，支撑架71一端与横担3固连，支撑架71另一端设有与螺杆72相配合的螺孔，螺杆72通过所述螺孔支承于支撑架71上，螺杆72与所述接地球形电极6固定连接。
支撑架71一端通过铆钉铆接或者焊接于杆塔的横担3上，另一端设有与螺杆72相配合的螺孔，螺杆72通过所述螺孔支承于支撑架71上，螺杆72与接地球形电极6焊接固定，通过调整螺杆72可以调节接线球形电极5和接地球形电极6之间的间隙m，在本实施例中，接地球形电极6与横担3之间的距离n为400mm。此外，可调固定支架7也可以采用其他的可调连接方式，例如在接地球形电极6靠近接线球形电极5的方向设有滑轨或者滑槽，将接地球形电极6固定于可调的滑轨或者滑槽上，只需要达到能够固定接地球形电极6，并且能够根据需要调整接线球形电极5和接地球形电极6之间的间隙m即可。在实际配电线路中，由于电压、材料等参数的差异，绝缘子串可能需要不同数量、不同型号的绝缘子，例如数量为4个、5个，型号为P10、P15、P20、X45的任一种或者其他的型号等，从而会导致绝缘子串2的长度j发生变化，此时只需要调整接线球形电极5和接地球形电极6之间的间隙使之达到要求即可，因此本发明的技术方案不仅可以用于新配电线路的防雷，尤其还可以方便地用于现有配电线路的防雷改造。
在实际工况中，接线球形电极5、接地球形电极6的球形电极由于产生高温的电弧，分子活动非常剧烈，因此容易生锈，而球形电极一旦生锈，则会影响球形电极的产生电弧的效果，因此接线球形电极5、接地球形电极6的球形电极采用防锈球形电极，例如采用稳定性较好的金属、防锈镀层、防锈合金等措施。因此本实施例中，接线球形电极5、接地球形电极6的球形电极均为镀铜钢球，其球体半径约为25mm，该大小能够在保证球形电极的分散性、保证球形电极的吸弧效果的同时，使得球形电极的质量较小，生产成本低、携带方便。
所述固定金具4由导线夹持件41和电极连接杆42构成，所述导线夹持件41由第一弓形夹板411和第二弓形夹板412构成，第一弓形夹板411和第二弓形夹板412均为金属制成，第一弓形夹板411和第二弓形夹板412通过螺栓或者铆钉将导线1的金属导体部分紧密夹持，所述电极连接杆42一端与第一弓形夹板411固定连接，另一端与接线球形电极5固定连接。由于该导线夹持件41的结构，使得导线夹持件41可以保持与导线1良好的导通而不损坏金属导体部分的结构性能。电极连接杆42一端与第一弓形夹板411焊接固定，另一端与接线球形电极5焊接固定，导线1到的接线球形电极5球心的长度k为200mm。
所述接线球形电极5与绝缘子串2之间的距离i为500mm以上。
如图3所示，在本实施例中导线1裹覆有绝缘层，在安装固定金具4的时候，先将导线1的绝缘层割破，然后将导线夹持件41夹持固定于导线的金属导体上。如图2所示，在本实施例中导线1为裸导线，则直接将导线夹持件41夹持固定于导线的金属导体上即可。
在绝缘子串两端并联一镀铜可调球型间隙，使间隙的冲击放电电压略低于绝缘子串的雷击放电电压，在雷击线路发生闪络时，通过并联间隙引弧角把电弧引到该间隙处，从而保护绝缘子串免受电弧灼伤。另外，由于在雷电击穿时，间隙击穿是属于纯空气击穿，一方面，电弧通过引弧角并受风力和电动力的共同作用电弧被拉长，有利于电弧熄灭，使雷击建弧率下降；另一方面，如果线路跳闸后，纯空气间隙的去游离强，间隙绝缘会迅速恢复，有利于重合闸的重合成功；因此，并联间隙防雷技术一方面可有效保护绝缘子不受损坏，延长了绝缘子的使用寿命；另一方面可较大的提高线路重合闸成功率，是一种简单可靠的实用配电线路防雷技术。并联间隙及其球型电极合称并联过电压保护装置，根据绝缘子种类不同，分为瓷和玻璃绝缘子用并联间隙保护装置和复合绝缘子用并联间隙保护装置。
在绝缘子串两端并联一对镀铜球型电极，构成保护间隙，通常保护间隙的大小应在试验室，先对线路所采用的绝缘子串及其型式做u50％冲击放电电压试验，得出线路绝缘子串的u50％冲击放电电压，然后通过调整球型可调电极间隙的大小，使间隙的u50％冲击放电电压低于绝缘子串的5％左右。架空线路遭受雷击时，绝缘子串两端出现较高的雷电过电压时，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，将冲击电弧和持续的工频电弧通过并联间隙所形成的放电通道上释放，并固定在球型电极上燃烧，从而保护绝缘子免于电弧灼烧。
当闪络发生在绝缘子串表面时，如绝缘子串发生污闪、湿闪、冰闪等，接续产生的工频电弧在电动力和热应力作用下，沿着并联间隙电极向远离绝缘子串的方向运动，直至到达球型电极，同样保护绝球子免于电弧灼烧。
所述采样模块还包括有源二阶滤波电路、泄漏电流ADC转换器、母线电压ADC转换器；电流互感器依次通过有源二阶滤波电路、泄漏电流ADC转换器与CPU模块相连；电压互感器通过母线电压ADC转换器与CPU模块相连。所述ADC转换器为将模拟量转换为数字量的转换器，所述ADC转换器采用硬件锁相环技术进行跟频采集，每个工频周波设计用于分析计量泄漏电流三次谐波分量的128采样点。
参见图1和图2，本发明主要由可调型避雷器、通讯型计数器组成，通讯型计数器负责记录线路遭受雷击的次数，实时记录存储在装置芯片，并在时间间隔内将数据传送到远方后台监控系统或者手持IPAD设备。通讯型计数器由采样模块、CPU模块、无线通信模块、环境温度检测模块、电源模块组成。
(1)采样模块
采样模块包括电压互感器、电流互感器及二阶滤波电路，ADC转化电路器，采样信号通过经有源二阶滤波电路滤波后，得到泄露电流的三次谐波分量。泄露电流三次谐波分量及电网电压通过16位ADC模拟-数字转换得，采样精度高。ADC转换器采用硬件锁相环技术进行跟频采集，每个工频周波设计采样128点，用于分析、计算泄露电流三次谐波分量。
(2)CPU模块
采用德州仪器提供的高性能32位DSP芯片，数据处理功能强大，支持至少16路模拟量采集和32路可编程数字量，支持两路SPI串口，4路通用串口，是整个系统运行的核心部分，控制装置的数据采集、故障判断、远方通讯等。
(3)无线通讯模块
主要功能为短距离无线通信GSM/GPRS(对系统主站)，将避雷器装置运行信息及故障告警信号以无线形式转出，同主站进行双向通讯。
(4)环境温度监测模块
通过温度传感器获取装置内部环境温度
(5)电源模块
电源模块采用高性能锂电池供电。
本发明装置主要功能和特点如下：
(1)能够实时监测避雷器的有效运行状态，一旦出现损坏，能够及时作出维修更换。
(2)球型电极间隙可调，采用镀铜工艺，耐腐蚀性强。
(3)球型电极安装距离绝缘子较远，间隙放电时不会波及绝缘子从而能够得到有效保护。
(4)检测装置与系统主站之间采用GSM/GPRS通信，增强系统灵活性、可靠性。
(5)装置结构简洁便于巡视检查，基本不需维护。
(6)采集避雷器装置遭受雷击的次数及雷击时间等。
(7)支持系统对时。
(8)测量数据和报警信息无线上传。
(9)采用高精度温湿度传感器，可以实时采集装置内部温湿度。
(10)设备自检。
(11)远程参数修改和程序升级。
本发明装置主要技术参数如下：
(1)交流参考电压测量范围：≦500kV；
(2)泄露电流测量：100μA～100mA精度1％；
(3)容性电流测量：100μA～100mA精度5％；
(4)三次谐波电流：100μA～100mA精度5％；
(5)阻性电流测量：100μA～100mA精度5％；
(6)电流取样方式：电流通道为内置穿芯式小电流传感器取样方式，信息失真小；
(7)电压取样方式：有线模式(电压互感器(或实验变压器仪表绕组)的电压信号经过配套的V/I变换有源传感器接入电压通道，作为参考电压信号)；
(8)球型间隙通过100KA雷电流不烧熔；
(9)装置使用寿命20年；
(10)在寿命期内装置无明显锈蚀现象；
(11)供电方式：内部锂电池；
(12)通信方式：GSM/GPRS(对系统主站)。
本发明装置诊断原理为：
(1)雷电过电压作用时间隙动作把雷电过电压通过间隙泄入大地，从而保护了线路绝缘子和其他配电设备，因而装置可以有效地保护配电线路绝缘子和电气设备不被雷电击伤和击毁，可以用来保护配电设备，可以装在变电所的出线侧用来限制从线路来的雷电侵入波对变电所设备的危害；
(2)因为雷电冲击电弧和工频电弧是发生在问隙的电极间，绝缘导线不会被击穿，不会产生着弧点，更不会由于电弧的弧根固定而被烧断，因而能有效地防止绝缘导线的重击断线。
(3)如配电网因雷击造成单相接地，因间隙的动作电压低于线路绝缘子的击穿电压，则单相接地电弧会发生在球型电极之间，是纯空气间隙，受到空气的去游离、电动力和风力的作用，纯空气间隙的熄弧能力要比绝缘子的沿面熄弧能力强，因而采用球型间隙保护有利于单相接地电弧的熄灭，使配电线路恢复正常。
(4)如雷击造成了两相球间隙击穿，相间短路，线路跳闸，间隙之间的电弧熄灭，由于空气的去游离强，问隙之间的绝缘强度快速恢复，有利于线路重合闸的重合成功。如果是绝缘子相间闪络，则有有能在雷电流或工频续流把绝缘子表面损伤，或打炸，使重合失败，因而采用过电压间隙保护有利于提高配电网雷击重合闸的成功率。
避雷器在运行过程中，当避雷器老化，受潮以及表面污秽时，总泄露电流变化不大，但是占总泄露电流10％-20％的阻性电流却大大增加，故阻性电流才能灵敏反映避雷器的劣化过程。由于本发明中的避雷器具有非线性伏安特性，流过的阻性电流含有基波、三次、五次及更高次谐波，其中阻性电流的基波分量的大小不受电网高次谐波的干扰，且能可靠反映避雷器的劣化状况。
避雷器由于长期处于小电流区域，流过的高频分量极小，可以把避雷器近似看成一个非线性电阻和电容并联的电路。流经的总泄露电流主要为阻性和容性电流成分，其等效电路模拟图如图6所示。
Ix＝Ir+Ic，其中Ix为泄漏电流，Ir为阻性电流，Ic为容性电流。
为了防止雷击输、配电线路造成绝缘子损坏，将保护间隙并联到绝缘子两端，并调整间隙的雷电全波冲击动作值使之低于被保护绝缘子的雷电冲击闪络电压的5％左右，这样线路遭到雷击时间间隙动作，通过间隙把雷电流入大地，从而避免了绝缘子的沿面闪络，保护了绝缘子不被雷电打坏。由于间隙击穿是纯空气间隙击穿，纯空气间隙，受到空气的去游离、电动力和风力的作用，纯空气间隙的熄弧能力要比绝缘子的沿面熄弧能力强，因此采用球型间隙保护有利于接地电弧的熄灭，使电线路恢复正常有利于电弧的熄灭，与合理的中性点接地方式和其他防雷措施相配合可大幅度的提高供电可靠性。
本发明装置应用目的：
位于旷野易遭雷击的配电线路装保护间隙的目的是：1、保护绝缘子不被雷击损坏；2、与绝缘子沿面闪络相比便于工频续流的熄灭；3、间隙属于纯空气间隙，放电后绝缘恢复快，有利于提高重合闸的重合成功率，综合这些功能有利保护绝缘子和降低雷击跳闸。
本发明装置安装数量及方法：
对于位于旷野易遭雷击的配电线路一般每级杆塔装一组，这时应了解配电线路所用的绝缘子型号(或取样)，以便在实验式做出该型绝缘子的50％雷电冲击放电电压，然后决定间隙的配合雷电冲击放电电压，小于绝缘子的5-7％。对于位于旷野配电线路杆塔可利用杆塔的自然接地(与绝缘子同状态)，不必刻意设置人工接地。
本发明优点效果：
(1)测量准确，采用高精度有源零磁通穿心式互感器，根据被测地电流大小自动选择放大倍数，实现高精度测量。
(2)数据可靠，测量单元具备有完善的故障检测机制，能及时、准确反映出避雷器工作状态，保证了数据来源的真实性、准确性。
(3)自动化程度高，通过对避雷器泄露电流、母线电压进行采样、分析，实现变电站避雷器设备无人在线监测，更准确、有效的判断避雷器的运行状态。
(4)系统灵活、可靠、投入成本低，检测装置与系统主站之间则利用GSM/GPRS进行通信。上述通信配置增强了系统的可靠性、灵活性、适用性，并节省了大量网络通信基础的建设费用。
(5)维护简单，装置采用模块化设计，符合标准化要求，具备高度的通用性和互换性，可在不影响设备运行的条件下，对包括传感器在内的所有部件进行维修或更换。
利用所述的智能型绝缘线路防雷在线监测装置进行在线监测的方法，包括：
第一步，利用电流互感器采集避雷器下端到地的总泄漏电流，利用电压互感器采集母线电压；当三相的避雷器的绝缘性能正常时，三相泄漏电流的三次谐波之和很小，当某相避雷器出现故障时，各相泄漏电流的基波成分相位幅值会发生变化，导致各分量无法相互抵消，使得总泄漏电流值大幅度提高，将此总泄漏电流的增加值作为避雷器故障诊断的特征量。
将总泄漏电流的阻性电流基波分量作为反映避雷器劣化过程的特征量：避雷器在运行过程中，内部阀片老化、受潮以及表面污秽时，总泄漏电流变化不大，但是占总泄漏电流10-20％的阻性电流却大大增加，故阻性电流才能灵敏反映避雷器的劣化过程；由于避雷器氧化锌阀片的电阻具有非线性伏安特性，流过的阻性电流含有基波、三次、五次及更高次谐波，其中阻性电流的基波分量大小不受电网高次谐波的干扰，且能反映避雷器的劣化过程；避雷器由于长期处于小电流区域，流过阀片的高频分量极小，可以把避雷器阀片近似看成一个非线性电阻和电容并联的电路，流经阀片的总泄露电流主要为阻性电流和容性电流成分。
第二步，将采集的避雷器总泄漏电流和母线电压进行离散数字化，通过傅里叶变换在频域中求得总泄漏电流和母线电压的基波值和各次谐波的相位和幅值，并从实时总泄漏电流中分离出实时总阻性电流值、阻性电流基波值和阻性电流各次谐波值。
第三步，将实时总泄漏电流中分离出的总阻性电流值、阻性电流基波值和阻性电流各次谐波值与避雷器以往的总阻性电流值、阻性电流基波值和阻性电流各次谐波值进行纵向比较，根据比较结果判断避雷器是否需要调节接线球形电极和接地球形电极之间的距离m、避雷器是否出现污秽、受潮、老化。若阻性电流占总泄露电流的百分比明显增长，其中，基波较首次测量值增长幅度较大，而谐波较首次测量值增长不明显，则可确定为避雷器污秽或内部受潮；若阻性电流占总泄露电流的百分比明显增长，其中，谐波较首次测量值增长幅度较大，基波较首次测量值增长不明显啊，可确定为避雷器老化。
将采集的避雷器总泄漏电流和母线电压进行离散数字化是指，将避雷器总泄漏电流、母线电压的离散信号进行数字化，使得离散信号的函数值只取有限值。
所述将采集的避雷器总泄漏电流和母线电压进行离散数字化，通过傅里叶变换和运算，在频域中求得总泄漏电流和母线电压的基波值和各次谐波的相位和幅值，包括：
对母线电压傅里叶展开得：
式中，U0为直流电压值，Ukm为k次谐波幅值，m表示最大值，αk为母线电压k次谐波相角，ω为角频率，t为初始时间，k为各次谐波分量，k＝1,2,3……；
对总泄露电流傅里叶展开得：
式中，I0为总泄露电流的直流分量，Ikm为总泄露电流的k次谐波幅值，βk为总泄露电流的k次谐波相角；
由(1)可以求得总泄露电流容性分量为：
上式中，总泄露电流容性分量的k次谐波幅值为：Ickm＝kωCUkm；
因母线电压与泄露电流阻性成分同相，其各次谐波也同相，若Irk为k次谐波的阻性电流幅值，其阻性电流为：
又因为ix＝ir+ic，将(2)、(3)、(4)代入其中有：
将式(5)两边同时乘以sin(nωt+αn),并在一定周期内取定积分，有：
根据三角函数的乘积在一个周期内的正交特性：
对于式(6)，仅在k＝n时，对应项的定积分不等于0，可化简为：
利用三角函数的积化和差公式简化(9)得：
利用三角函数的正交特性可得：
得：
得：
所以有：
Irk＝Ikmcos(βk-αk)＝Ikm[cosαkcosβk+sinαksinβk] (13)
同理，将(5)两边同时乘以cos(nωt+αn)，并在同一周期内取定积分，依据三角函数正交特性，仅当k＝n时，定积分有不为零项；化简后可得容性电流的各次谐波量为：
Ick＝Ikmsin(βk-αk)＝Ikm[cosαkcosβk-sinαksinβk] (14)
利用此方法从总泄露电流中分离出总阻性电流值、阻性电流基波值和阻性电流各次谐波值。
总泄露电流分为容性电流值和阻性电流值两个部分，因此从总泄露电流值中分离；采集母线电压是为了计算求得总泄露电流容性分量，从公式(1)变换可得公式(3)，最终结果公式(14)中体现到αk为母线电压k次谐波相角。
污秽和内部受潮故障告警时，阻性电流占比、基波增长幅值和谐波增长幅值的整定值0-99在线可设；避雷器老化告警时，阻性电流占比、基波增长幅值和谐波增长幅值的整定值0-99在线可设。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是局限性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种智能型绝缘线路防雷在线监测装置，其特征在于，包括CPU模块，所述CPU模块的输入端连接有采样模块、环境温度检测模块和电源模块，所述采样模块连接避雷器的电流互感器和电压互感器，所述环境温度检测模块连接避雷器的温度传感器；所述电源模块连接CPU模块的电源端；所述CPU模块的输出端连接显示模块，所述显示模块连接显示器；所述CPU模块还连接有通讯模块并与通讯模块通信，所述通讯模块与系统主站进行通信；
配电线路的导线(1)通过绝缘子串(2)支承于配电线路杆塔的横担(3)上；
所述避雷器包括固定金具(4)、接线球形电极(5)、接地球形电极(6)和可调固定支架(7)；夹持固定于导线(1)上的固定金具(4)支承所述接线球形电极(5)，接线球形电极(5)通过固定金具(4)与导线(1)导通，所述接地球形电极(6)通过可调固定支架(7)支承于所述横担(3)上并保持接地，所述接线球形电极(5)和接地球形电极(6)相对放置且两者之间设有间隙m，所述间隙m比绝缘子串(2)的长度j短。
2.如权利要求1所述的智能型绝缘线路防雷在线监测装置，其特征在于，所述可调固定支架(7)由支撑架(71)和螺杆(72)构成，支撑架(71)一端与横担(3)固连，支撑架(71)另一端设有与螺杆(72)相配合的螺孔，螺杆(72)通过所述螺孔支承于支撑架(71)上，螺杆(72)与所述接地球形电极(6)固定连接。
3.如权利要求1所述的智能型绝缘线路防雷在线监测装置，其特征在于，所述固定金具(4)由导线夹持件(41)和电极连接杆(42)构成，所述导线夹持件(41)由第一弓形夹板(411)和第二弓形夹板(412)构成，第一弓形夹板(411)和第二弓形夹板(412)通过螺栓或者铆钉将导线(1)的金属导体部分紧密夹持，所述电极连接杆(42)一端与第一弓形夹板(411)固定连接，另一端与接线球形电极(5)固定连接。
4.如权利要求1所述的智能型绝缘线路防雷在线监测装置，其特征在于，所述接线球形电极(5)和接地球形电极(6)为防锈球形电极。
5.如权利要求1所述的智能型绝缘线路防雷在线监测装置，其特征在于，所述接线球形电极(5)与绝缘子串(2)之间的距离i为500mm以上。
6.如权利要求1至5任一项所述的智能型绝缘线路防雷在线监测装置，其特征在于，所述采样模块还包括有源二阶滤波电路、泄漏电流ADC转换器、母线电压ADC转换器；电流互感器依次通过有源二阶滤波电路、泄漏电流ADC转换器与CPU模块相连；电压互感器通过母线电压ADC转换器与CPU模块相连。
7.一种利用权利要求1至6任一项所述的智能型绝缘线路防雷在线监测装置进行在线监测的方法，其特征在于，包括：
第一步，利用电流互感器采集避雷器下端到地的总泄漏电流，利用电压互感器采集母线电压；
第二步，将采集的避雷器总泄漏电流和母线电压进行离散数字化，通过傅里叶变换在频域中求得总泄漏电流和母线电压的基波值和各次谐波的相位和幅值，并从实时总泄漏电流中分离出实时总阻性电流值、阻性电流基波值和阻性电流各次谐波值；
第三步，将实时总泄漏电流中分离出的总阻性电流值、阻性电流基波值和阻性电流各次谐波值与避雷器以往的总阻性电流值、阻性电流基波值和阻性电流各次谐波值进行纵向比较，根据比较结果判断避雷器是否需要调节接线球形电极(5)和接地球形电极(6)之间的距离m、避雷器是否出现污秽、受潮、老化。
8.如权利要求7所述的智能型绝缘线路防雷在线监测方法，其特征在于，将采集的避雷器总泄漏电流和母线电压进行离散数字化是指，将避雷器总泄漏电流、母线电压的离散信号进行数字化，使得离散信号的函数值只取有限值。
9.如权利要求7所述的智能型绝缘线路防雷在线监测方法，其特征在于，所述将采集的避雷器总泄漏电流和母线电压进行离散数字化，通过傅里叶变换和运算，在频域中求得总泄漏电流和母线电压的基波值和各次谐波的相位和幅值，包括：
对母线电压傅里叶展开得：
式中，U0为直流电压值，Ukm为k次谐波幅值，m表示最大值，αk为母线电压k次谐波相角，ω为角频率，t为初始时间，k为各次谐波分量，k＝1,2,3……；
对总泄露电流傅里叶展开得：
式中，I0为总泄露电流的直流分量，Ikm为总泄露电流的k次谐波幅值，βk为总泄露电流的k次谐波相角；
由(1)可以求得总泄露电流容性分量为：
上式中，总泄露电流容性分量的k次谐波幅值为：Ickm＝kωCUkm；
因母线电压与泄露电流阻性成分同相，其各次谐波也同相，若Irk为k次谐波的阻性电流幅值，其阻性电流为：
又因为ix＝ir+ic，将(2)、(3)、(4)代入其中有：
将式(5)两边同时乘以sin(nωt+αn),并在一定周期内取定积分，有：
根据三角函数的乘积在一个周期内的正交特性：
对于式(6)，仅在k＝n时，对应项的定积分不等于0，可化简为：
利用三角函数的积化和差公式简化(9)得：
利用三角函数的正交特性可得：
得：
得：
所以有：
Irk＝Ikmcos(βk-αk)＝Ikm[cosαkcosβk+sinαksinβk] (13)
同理，将(5)两边同时乘以cos(nωt+αn)，并在同一周期内取定积分，依据三角函数正交特性，仅当k＝n时，定积分有不为零项；化简后可得容性电流的各次谐波量为：
Ick＝Ikmsin(βk-αk)＝Ikm[cosαkcosβk-sinαksinβk] (14)
利用此方法从总泄露电流中分离出总阻性电流值、阻性电流基波值和阻性电流各次谐波值。
10.如权利要求7所述的智能型绝缘线路防雷在线监测方法，其特征在于，污秽和内部受潮故障告警时，阻性电流占比、基波增长幅值和谐波增长幅值的整定值0-99在线可设；避雷器老化告警时，阻性电流占比、基波增长幅值和谐波增长幅值的整定值0-99在线可设。
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