CN111965469A - 一种通过温度传感器进行避雷器在线监测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及避雷器监测领域，尤其涉及一种通过温度传感器进行避雷器在线监测的方法，包括：构建避雷器内部阀片的温度寿命曲线；基于所述温度寿命曲线，获取所述阀片的实时温度数据；基于所述实时温度数据或温度寿命曲线，判断所述避雷器使用寿命。采用本发明的避雷器在线监测的方法，可在线实时监测避雷器内部的温度变化，通过温度的变化来有效检测出避雷器内部老化，受潮等异常，避免避雷器带故障运行。

Description

一种通过温度传感器进行避雷器在线监测的方法

技术领域

本发明涉及避雷器监测领域，尤其涉及一种通过温度传感器进行避雷器在线监测的方法。

背景技术

避雷器是用来保护电力系统中各种电器设备免受雷电过电压、操作过电压、工频暂态过电压冲击而损坏的一个电器。避雷器的类型主要有保护间隙、阀型避雷器和金属氧化物(MOA)避雷器。通过并联放电间隙或非线性电阻的作用,对入侵流动波进行削幅,降低被保护设备所受过电压幅值。避雷器既可用来防护大气过电压,也可用来防护操作过电压。

近年来，MOA避雷器具有优越的保护特性，通流容量大，内部结构简单，自身重量轻，维护少等优点，因此在电力系统中获得了广泛的运用。氧化锌避雷器是一种保护性能优越、质量轻、耐污秽、性能稳定的避雷设备。它主要利用氧化锌良好的非线性伏安特性，使在正常工作电压时流过避雷器的电流极小(微安或毫安级)；当过电压作用时，电阻急剧下降，泄放过电压的能量，达到保护的效果。这种避雷器和传统避雷器的差异是它没有放电间隙，利用氧化锌的非线性特性起到泄流和开断的作用。但MOA避雷器在投入电力系统工作后，也会出现很多问题：

(1)由于MOA避雷器的MOA阀片在电网电压作用下，一定有泄漏电流流过MOA阀片，电流中的有功分量将使阀片发热从而引起MOA阀片伏安特性的变化，这是一个正反馈的过程，长期作用的结果将导致MOA阀片老化，直至出现热击穿。

(2)MOA避雷器受到冲击电压的作用，MOA阀片也会在冲击电压能量的作用下发生老化。

(3)MOA避雷器内部受潮或内部绝缘支架的绝缘性能不良，会使工频电流增加，功耗加剧，严重时可导致内部放电。

(4)MOA避雷器时常受到雨、雪、凝露及灰尘的污染，由于MOA避雷器内外电位不同而使内部MOA阀片与外部绝缘套或瓷套之间产生较大的电位差，导致径向放电现象的发生，严重时可能损坏避雷器。

根据统计，我国电力系统八十年代中期，应用MOA避雷器以来，其主要故障是由于老化、直流1mA参考电压过低，MOA阀片温度系数过大和电位分布不均匀等原因造成的。一旦MOA阀片发生故障，本身将造成损坏甚至爆炸，同时其它电气设备将失去过电压保护，影响电力系统的安全运行，所以实现有效实时的对MOA避雷器进行状态检测进而判断其健康状况势在必行。

氧化锌避雷器性能的好坏直接影响电力系统安全运行，氧化锌避雷器(MOA)在实际运行中，内部老化和受潮后，阻性电流会大幅度的增加，使其阀片温度升高，一旦系统中有过电压产生，将会使避雷器产生热崩溃，甚至是避雷器爆炸，从而使避雷器失去保护作用，而仅靠一年一次预试来发现MOA避雷器的老化是不够的，即使在预试中合格的MOA避雷器，在运行中可能发生击穿损坏，保护特性下降，则将会产生极其严重的后果，为保障MOA避雷器安全运行，需要在线监测避雷器的运行状态。

针对上述问题，现发明了一种通过温度传感器进行避雷器在线监测的方法，通过该监测方法可以实时监测避雷器的运行状态。

发明内容

本发明提供了一种通过温度传感器进行避雷器在线监测的方法，在线监测避雷器内部的温度，通过温度的变化来有效检测出避雷器内部老化，受潮等异常，避免避雷器带故障运行。

实现发明目的的技术方案如下：

一种通过温度传感器进行避雷器在线监测的方法，其特征在于，包括：

构建避雷器内部阀片的温度寿命曲线；

基于所述温度寿命曲线，获取所述阀片的实时温度数据；

基于所述实时温度数据或温度寿命曲线，判断所述避雷器使用寿命。

更进一步的，获取避雷器内部阀片的实时温度数据，包括：靠近所述阀片处安装有测温元件，所述测温元件获取所述阀片的实时温度数据。

更进一步的，所述测温元件为感温探头或温度传感器。

更进一步的，所述温度数据的表达式为：

式(1)中，T为阀片工况下自身的发热温度，Q为实时温度数据，T_S为环境温度。

更进一步的，环境温度高于实时温度数据时，环境温度补偿实际散热温度，致使实时温度数据比实际散热温度高，所述阀片工况下自身的发热数据近似地认为等同所述实时温度数据；

环境温度低于实时温度数据时，实际散热温度补偿环境温度，致使实时温度数据比实际散热温度低，所述阀片工况下自身的发热数据近似地认为等同所述实时温度数据与温差之和，所述温差为实时温度数据与环境温度的差值。

一种基于上述方法的避雷器在线监测仪，包括信号处理单元、传送单元以及显示单元；

所述信号处理单元对测温元件监测的温度信息进行处理，并通过传送单元将处理结果传输至显示单元进行显示。

与现有技术相比，本发明型的有益效果是：

本发明的内置式通过温度传感器进行避雷器在线监测的方法，通过采集避雷器的温度数据，并将数据发送给单片机控制的电路对其进行计算处理，最后将温度数据以及避雷器寿命的分析结果传输给BC26无线传输模块或有线传输模块，通过移动终端或远程服务器或接收装置查看数据，这些数据可以实时监测到避雷器运行数据，并判断避雷器运行健康状态，及早预测避雷器故障。

附图说明

图1为本发明的内置式通过温度传感器进行避雷器在线监测的方法流程图；

图2为本发明的实时温度监测流程图；

图3为本发明的温度寿命曲线图；

图4为本发明的热平衡曲线。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

在本实施例的描述中，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”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创造和简化描述，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创造的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

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，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

一种通过温度传感器进行避雷器在线监测的方法，结合图1和图3，包括：

步骤S110，构建避雷器内部阀片的温度寿命曲线；

步骤S120，基于所述温度寿命曲线，获取所述阀片的实时温度数据；

步骤S130，基于所述实时温度数据或温度寿命曲线，判断所述避雷器使用寿命。

具体的，步骤S110中，获取避雷器内部阀片的实时温度数据，包括：靠近阀片处安装有测温元件，测温元件获取阀片的实时温度数据，其中，测温元件为感温探头或温度传感器。

此外，常用的测温元件还有热电偶、热电阻、双金属，其中热电偶和热电阻均属于温度测量中的接触式测温。热电偶的测温原理是基于热电效应：将两种不同的导体或半导体连接成闭合回路，当两个接点处的温度不同时，回路中将产生热电势，这种现象称为热电效应，又称为塞贝克效应，其主要特点是测量范围宽，性能比较稳定，同时结构简单，动态响应好，更能够远传4-20mA电信号，便于自动控制和集中控制。而热电阻的测温原理是基于导体或半导体的电阻值随着温度的变化而变化的特性，可以远传电信号，灵敏度高，稳定性强，互换性以及准确性都比较好，但是需要电源激励，不能够瞬时测量温度的变化。双金属温度计是一种测量中低温度的现场检测仪表，可以直接测量-80℃-+500℃范围内液体蒸汽和气体介质温度，一般常用的双金属温度计主要的元件是一个用两种或多种金属片叠压在一起组成的多层金属片，利用两种不同金属在温度改变时膨胀程度不同的原理工作的，其主要是基于绕制成环性弯曲状的双金属片组成，一端受热膨胀时，带动指针旋转，工作仪表便显示出热电势所对应的温度值。

参考图2，步骤S120中，基于所述温度寿命曲线，获取所述阀片的实时温度数据，包括：

步骤S121，基于实时温度数据，得到阀片的有功损耗；

步骤S122，根据有功损耗得到阀片的热平衡特性。

由于氧化锌阀片的有功损耗是避雷器发热的原因，本发明实施例以有功损耗为考量参数，评价本避雷器的使用寿命和运行状态。基于有功损耗得到阀片的热平衡特性。

流过氧化锌阀片的电流数据i是一个非正弦波，在每个非正弦波的半波中，左、右两半对称于经波形尖顶垂直于时间轴的直线。流过氧化锌阀片的电流数据i由基波和奇数高次谐波组成，经傅立叶级数展开，它可用式(3)来表示：

式(3)，I为高次谐波的电流幅值，K为高次谐波的个数，t为时间，θ为波的角速度。

流经氧化锌阀片的电流数据i中，电流数据的基波分量电流相位与外施电压相同，由此在氧化锌阀片中产生有功损耗，流过氧化锌阀片的电流数据i的大小随温度变化而发生着变化，它的变化规律可用逐渐升高的氧化锌阀片温度来测定。对于端面积和厚度确定的氧化锌阀片，有功损耗随温度变化的计算公式为：

式(4)中，P为有功损耗，S为氧化锌阀片的端面面积，h为氧化锌阀片的厚度，U为氧化锌阀片两端的电压，I为流经氧化锌阀片的电流。

具体的，步骤S120中的热平衡特性由热平衡曲线决定，阀片的实时温度数据升温≤ΔT，则避雷器运行良好。

如图4所示，热平衡曲线包括：随环境温度变化的散热曲线、随环境温度变化的有功损耗曲线；散热曲线与有功损耗曲线相交后存在平衡点A和平衡点B，平衡点A的环境温度和平衡点B的环境温度之差为ΔT；在平衡点A和平衡点B处，阀片的发热温度等于实时温度数据；在散热曲线、有功损耗曲线、平衡点A、平衡点B、之间的包围区域，避雷器的阀片不会因过热而损坏。

根据传热学原理，避雷器对外界热交换的实时温度数据Q与避雷器的内表面积A、氧化锌阀片工况下自身的发热温度T和环境温度TS之差成正比。

图4所示的氧化锌避雷器的热平衡曲线，避雷器的工作点应位于A，它与点B包围了较大的面积，即具有足够的容量吸收过电压放电能量，电阻片在过电压释能后温升不超过△T1,避雷器不会因过热而损坏，这种长期加压比的设计取值被认为是合理的。如果避雷器选取了较高的长期加压比n，即减少氧化锌阀片的数量，这相当每一片电阻的外施电压升高，有功损耗增大，发热曲线随之上移。另外，在外施电压长期作用下，热效应使氧化锌阀片的微观结构发生了化学反应，氧化锌阀片的电阻值缓慢降低、在运行中泄漏电流逐渐变大、损耗增加、散热曲线也会随之上移。

温度数据增大，有功损耗增大，避雷器寿命缩短；温度数据减小，有功损耗减小，避雷器寿命延长。

氧化锌阀片在标称放电电流下的残压与基准电压的比值称为电压比，电压比是衡量氧化锌阀片使用寿命的一个参数。电压比的值越低，表明避雷器的运行状态越好。避雷器的标称放电电流，指避雷器能够持续承受通过而不损坏的雷电流幅值，最大放电电流指避雷器能够短暂时间承受的雷电流幅值，雷电流幅值是表示雷电强度的指标，也是产生雷电过电压的根源。

当流经避雷器的氧化锌阀片电流为一定的数值时，测量避雷器两端的电压降，也可反映避雷器的运行状态。通常选取氧化锌阀片的阻性分量电流峰值在1～10mA时进行测量。选取的阻性分量电流峰值较大，电压降反应避雷器运行状态的准确性越高。

对于避雷器的氧化锌阀片，其持续运行电压U₁的峰值与基准电压U₀之比称为长期加压比，长期加压比用γ表示。长期加压比的计算式如下：

式2中，长期加压比是避雷器运行状态评估的重要参数。对同一电压等级的避雷器而言，氧化锌阀片的阻值一定时，长期加压比越高，残压降低，避雷器运行寿命延长；但氧化锌阀片的电流增大，有功损耗增加，避雷器的使用寿命缩短。反之，长期加压比低，避雷器的残压高，氧化锌阀片损耗小、寿命长。在GB11032-2010中已经规定了各类避雷器的基准电压U₀，长期加压比超过75％～80％时避雷器寿命仅剩1～2年。

本方案中实时温度数据的表达式为：

式(1)中，T为阀片工况下自身的发热温度，Q为温度数据，T_S为环境温度。

针对式(1)，当环境温度高于温度数据时，环境温度补偿实际散热温度，致使温度数据比实际散热温度高，阀片工况下自身的发热数据近似地认为等同温度数据；当环境温度低于温度数据时，实际散热温度补偿环境温度，致使温度数据比实际散热温度低，阀片工况下自身的发热数据近似地认为等同温度数据与温差之和，温差为温度数据与环境温度的差值。

综上所述，确保避雷器具有足够的吸收过电压能量的能力，因而可长期稳定工作。当环境温度升高时，避雷器散热能力降低，散热电线相应下移，A、B两点包围的面积略为缩小。如若长期加压比增大，散热曲线将对应升高到更高的位置，这时氧化锌阀片在过电压释能后始终处于发热大于散热的热不平衡状态，避雷器会发生“热崩溃”而因此损坏。

由于没有火花间隙，氧化锌避雷器不可避免地承受安装处线路出现的雷电过电压和所有的操作过电压。避雷器动作后还继续承受着线路电压的作用。如果随之又出现了暂时的电压数据升高，这时避雷器正处于在吸收了上述过电压巨大能量后温度升高、热量尚未散逸的状态，暂时的电压数据升高又使它发热量增加。这种工况在实际中是可能发生的，因而本发明实施例还需监控避雷器持续一定时间的暂时升高电压数据作用下不出现热崩溃。电压数据与耐受时间的特性就是避雷器这种能力的表征。本发明实施例也可借助电压数据与耐受时间的特性曲线，获得避雷器的寿命和运行状态。

本发明的方案一般适用于轨道交通中的直流避雷器中，通过构建的避雷器温度寿命曲线，并与实时发热的温度进行匹配，可以直观的反映出避雷器的使用年限，从而判断避雷器的运行状态、故障状态以及预期寿命信息，保证车辆运行安全。

一种基于上述方法的避雷器在线监测仪，包括信号处理单元、传送单元以及显示单元；

信号处理单元对测温元件监测的温度信息进行处理，并通过传送单元将处理结果传输至显示单元进行显示。

避雷器在线监测仪将监测到的避雷器温度信号处理后，然后将温度数据发送给单片机控制电路进行计算处理，最后将温度信号及处理结果传输给BC26无线传输模块或有线传输模块，通过微信小程序或远程端查看数据，这些数据可以实时监测到避雷器运行数据，并判断避雷器运行健康状态，及早预测避雷器故障及避雷器寿命。

电源模块为外部信号检测电路、单片机控制电路及BC26无线传输模块或有线传输模块提供电源，保证系统稳定工作。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种通过温度传感器进行避雷器在线监测的方法，其特征在于，包括：

构建避雷器内部阀片的温度寿命曲线；

基于所述温度寿命曲线，获取所述阀片的实时温度数据；

基于所述实时温度数据或温度寿命曲线，判断所述避雷器使用寿命。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取避雷器内部阀片的实时温度数据，包括：靠近所述阀片处安装有测温元件，所述测温元件获取所述阀片的实时温度数据。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述测温元件为感温探头或温度传感器。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述温度数据的表达式为：

式(1)中，T为阀片工况下自身的发热温度，Q为实时温度数据，T_S为环境温度。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，环境温度高于实时温度数据时，环境温度补偿实际散热温度，致使实时温度数据比实际散热温度高，所述阀片工况下自身的发热数据近似地认为等同所述实时温度数据；

环境温度低于实时温度数据时，实际散热温度补偿环境温度，致使实时温度数据比实际散热温度低，所述阀片工况下自身的发热数据近似地认为等同所述实时温度数据与温差之和，所述温差为实时温度数据与环境温度的差值。

6.一种基于权利要求1-5中任一项所述的方法的避雷器在线监测仪，其特征在于，包括信号处理单元、传送单元以及显示单元；

所述信号处理单元对测温元件监测的温度信息进行处理，并通过传送单元将处理结果传输至显示单元进行显示。

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