CN114325080A - 金属氧化物避雷器能量吸收获取方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种金属氧化物避雷器能量吸收获取方法、装置及系统，通过测量短时间间隔内流经避雷器的暂态电流，当暂态电流值超过预设的避雷器动作电流门槛值后系统启动，根据测量的电流值和避雷器的伏安特性得到避雷器暂态电压，对电流和电压的乘积进行时间积分得到避雷器在测量时间间隔内吸收的能量，算术求和后得到设定的短时间段内的累计能量吸收；如果设定的短时间段内能量吸收累计值超过设定值，则输出避雷器吸收的能量，并发出告警。本申请能够准确地获取避雷器在过电压过程中吸收能量的信息，尤其适合雷电活动强烈区域，解决避雷器吸收能量第一手资料信息难以精确采集的问题，为避雷器的状态评价和故障预警提供了技术保障。

Description

金属氧化物避雷器能量吸收获取方法、装置及系统

技术领域

本申请涉及电力雷电保护技术领域，尤其涉及金属氧化物避雷器能量吸收获取方法、装置及系统。

背景技术

金属氧化物避雷器是变电站过电压保护的基本配置，长期承受系统电压和偶然的过电压(雷电过电压或内部过电压)，除了关注其限制过电压的功能外，保障其自身在过电压(尤其是雷电过电压)下的安全运行也非常重要。

避雷器限制过电压的功能是以内部电阻片吸收过电压能量为代价的，与其他电力设备的损坏多与其绝缘被破坏的机理不同，避雷器失效或损坏的原因是电阻片吸收能量超过避雷器的散热能力，温度持续升高，电阻片劣化，恶性循环导致最终热崩溃，因此，能量吸收能力是校核避雷器性能的一个关键指标。

在自然雷电过程中，连续雷击(或多重雷击)占据较大的比例，每两次回击之间的时间间隔较短(数十ms)，在短时间内避雷器来不及散热，在连续雷击过程中，避雷器被视为一个绝热系统，因此，吸收多次回击的能量后，内部电阻片温度持续上升，电阻片劣化；在雷电过程之后的系统电压作用下，电阻片加速劣化，最终导致热崩溃。近年来，在南方多雷区已发生多起连续雷击后数分钟到数十分钟之间，避雷器在正常运行电压下发生损坏甚至爆裂的事故。

目前，尚没有用于运行实践的实时准确获取运行避雷器吸收能量的信息的技术，以及相关的装置和系统。

对避雷器能量吸收能力(或称为通流容量)的考核，国家标准和行业标准都是基于单次雷电冲击过程内部电阻片吸收能量能力来考核的(多以2ms方波电流下吸收能量来等效表征)，没有考虑到短时间内连续多次雷击的严苛工况，避雷器吸收能量的获取和评价不正确，导致运行中按照单次雷击能量吸收能力校核制造的避雷器在连续雷击下吸收能量能力不足，存在较高的安全隐患。

实时准确获取避雷器吸收能量的信息，对于雷电活动强烈区域避雷器设计的改进和保障避雷器在过电压下安全运行来说，具有重要的意义。

发明内容

本申请提供金属氧化物避雷器能量吸收获取方法、装置及系统，以解决现有技术中避雷器吸收能量的获取和评价不正确的问题。

为解决上述技术问题，本申请提出一种金属氧化物避雷器能量吸收获取方法，包括：

测量短时间间隔Δt内流经避雷器的暂态电流；

当测量的暂态电流值超过预设的避雷器动作电流门槛值时，持续工作短时间段ΔT，并根据电流测量值和避雷器的伏安特性，得到避雷器的暂态电压；

对电流和电压的乘积进行时间积分，得到避雷器在短时间间隔Δt内吸收的能量，并通过计算得到设定的短时间段ΔT内的能量吸收；

在短时间段ΔT内能量吸收累计值超过设定值时，则输出避雷器吸收的能量，并发出告警。

可选地，测量短时间间隔Δt内流经避雷器的暂态电流，包括：通过电流互感器或串接在计数器的入地回路中的分流器，每隔相同的短时间Δt实时测量暂态电流。

可选地，得到避雷器的暂态电压，包括：基于暂态电流以及避雷器的伏安特性的对应关系，计算得到避雷器暂态电压。

可选地，对电流和电压的乘积进行时间积分，得到避雷器在短时间间隔Δt内吸收的能量，并通过计算得到设定的短时间段ΔT内的能量吸收，包括：将暂态电流、暂态电压与短时间间隔Δt相乘，得到避雷器在测量时间间隔Δt内吸收的能量，将后续n个Δt内吸收的能量进行求和计算，得到设定的短时间段ΔT内的总能量吸收。

可选地，避雷器为无间隙金属氧化物避雷器或者线路型带串联间隙金属氧化物避雷器。

为解决上述技术问题，本申请提出一种金属氧化物避雷器能量吸收获取装置，包括：

暂态电流模块，用于测量短时间间隔Δt内流经避雷器的暂态电流；

暂态电压模块，用于当测量的暂态电流值超过预设的避雷器动作电流门槛值时，持续工作短时间段ΔT，并根据电流测量值和避雷器的伏安特性，得到避雷器的暂态电压；

能量吸收模块，用于对电流和电压的乘积进行时间积分，得到避雷器在短时间间隔Δt内吸收的能量，并通过计算得到设定的短时间段ΔT内的能量吸收；

告警模块，用于在短时间段ΔT内能量吸收累计值超过设定值时，则输出避雷器吸收的能量，并发出告警。

可选地，暂态电流模块还用于：通过电流互感器或串接在计数器的入地回路中的分流器，每隔相同的短时间Δt实时测量暂态电流。

可选地，暂态电压模块还用于：基于暂态电流以及避雷器的伏安特性的对应关系，计算得到避雷器暂态电压。

可选地，能量吸收模块还用于：将暂态电流、暂态电压与短时间间隔Δt相乘，得到避雷器在测量时间间隔Δt内吸收的能量，将后续n个Δt内吸收的能量进行求和计算，得到设定的短时间段ΔT内的总能量吸收。

可选地，能量吸收信息能够直接显示，还能够在存储模块中实现信息的存储，也能够无线发射的模式发送到后台接收，并实现告警。

为解决上述技术问题，本申请提出一种金属氧化物避雷器能量吸收获取系统，包括上述的金属氧化物避雷器能量吸收获取装置、避雷器和计数器；其中，避雷器安装在绝缘柱上，避雷器的低压端通过计数器与金属氧化物避雷器能量吸收获取装置的电流输入端连接。

本申请提出金属氧化物避雷器能量吸收获取方法、装置及系统，通过测量短时间间隔Δt内流经避雷器的暂态电流；当测量的暂态电流值超过预设的避雷器动作电流门槛值时，持续工作短时间段ΔT，并根据电流测量值和避雷器的伏安特性，得到避雷器的暂态电压；对电流和电压的乘积进行时间积分，得到避雷器在短时间间隔Δt内吸收的能量，并通过计算得到设定的短时间段ΔT内的能量吸收；在短时间段ΔT内能量吸收累计值超过设定值时，则输出避雷器吸收的能量，并发出告警。本申请可实现避雷器在过电压过程中吸收能量信息的准确地获取，尤其适合雷电活动强烈区域，解决避雷器吸收能量第一手资料信息难以精确采集的问题，为避雷器的状态评价和故障预警提供了技术保障。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请金属氧化物避雷器能量吸收获取方法一实施例的流程示意图；

图2是本申请金属氧化物避雷器的伏安特性曲线图；

图3是本申请金属氧化物避雷器能量吸收获取装置一实施例的结构示意图；

图4是本申请金属氧化物避雷器能量吸收获取系统一实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请所提供金属氧化物避雷器能量吸收获取方法、装置及系统进一步详细描述。

本申请提出一种金属氧化物避雷器能量吸收获取方法，请参阅图1，图1是本申请金属氧化物避雷器能量吸收获取方法一实施例的流程示意图，在本实施例中，金属氧化物避雷器能量吸收获取方法可以包括步骤S110～S140，各步骤具体如下：

S110：测量短时间间隔Δt内流经避雷器的暂态电流。

S120：当测量的暂态电流值超过预设的避雷器动作电流门槛值时，持续工作短时间段ΔT，并根据电流测量值和避雷器的伏安特性，得到避雷器的暂态电压。

一旦测量的暂态电流值超过预设的避雷器动作电流门槛值，系统启动，进入步骤S130，之后持续工作短时间段ΔT；如果不处于时间段ΔT内，暂态电流测量值低于电流门槛值，重新步骤S110。

S130：对电流和电压的乘积进行时间积分，得到避雷器在短时间间隔Δt内吸收的能量，并通过计算得到设定的短时间段ΔT内的能量吸收。

对电流和电压的乘积进行时间积分，得到避雷器在Δt内吸收的能量，继续S110～S130，算术求和后得到设定的短时间段ΔT内的能量吸收。

S140：在短时间段ΔT内能量吸收累计值超过设定值时，则输出避雷器吸收的能量，并发出告警。

其中，避雷器为无间隙金属氧化物避雷器，也可以是于强雷区感兴趣的线路型带串联间隙金属氧化物避雷器；对于后者，雷电流导致串联间隙放电击穿后，间隙处于短路状态，此时避雷器本体相当于无间隙近视氧化物避雷器，同样吸收雷电过电压能量。

作为示例性地，在步骤S110中，通过高精度电流互感器(CT)或串接在计数器的入地回路中的分流器，每隔相同的短时间Δt实时测量流经避雷器本体的暂态电流。由于雷电冲击波的波头阶段，电流幅值最大，可能给避雷器吸收能量带来较重负担，实测到的最陡波头的雷电波，波头时间一般为数μs以下，最小可达0.5μs，为了捕捉到雷电波的细节，真实反映避雷器能量吸收情况，测量的时间间隔Δt取0.1μs，同时需要高精度CT外，还需要高速采集卡。

作为示例性地，通过高精度电流互感器(CT)对流经避雷器的高频暂态电流进行无接触测量，或者通过串接在计数器的入地回路中的分流器进行测量。

本实施例通过采用高精度电流互感器或串接在计数器的入地回路中的分流器来测量高频暂态电流，有利于精确采集流经避雷器的高频暂态电流。

建议采用高精度电流互感器(CT)作为无接触测量手段，与串接在避雷器低压端入地回路中的分流器相比较，对串接在同一入地回路中的计数器的正常工作影响最小。

在步骤S120中，如果测量得到的暂态电流值低于预设的避雷器动作电流门槛值(取为1mA)，视避雷器没有动作，此时吸收能量微小，在这种情况下，重新步骤S10，间隔Δt后继续测量流经避雷器的暂态电流；如果测量电流值超过预设的避雷器动作电流门槛值，则系统启动，进入步骤S130。

需要说明的是，一旦系统启动，进入步骤S130之后，将持续工作短时间段ΔT，在ΔT内的后续短时间间隔Δt，无论测量到的暂态电流是否高于设置的电流门槛值，均继续步骤S110～S130，将每个Δt内的能量吸收计算值求和，直到ΔT结束。

ΔT过程结束之后，继续S110和S120，进入下一个判断是否启动系统的周期，周而复始，一旦达到触发系统启动的条件，周期的时间长度均为ΔT。

避雷器过电压保护性能基于非线性的伏安特性，正常运行时工作在呈现较高电阻的小电流线性区，在过电压作用下，避雷器特性从线性区进入非线性区，呈现较小的电阻，流过较大电流，从而限制过电压，同时也吸收较多的能量；一般地，1mA电流被视为避雷器动作电流门槛值(也称为“参考电流”)，是从线性区进入非线性区的拐点，作为避雷器动作的标志。

在步骤S120中，对于超过系统启动的暂态电流值(如动作电流门槛值1mA)，基于避雷器的伏安特性的对应，得到避雷器端部暂态电压。

无间隙金属氧化物避雷器由单元金属氧化物电阻片串联而成，电阻片为非线性元件，因此整只避雷器的伏安特性(V-I特性)由其中的电阻片决定。

流经避雷器电阻片的电流对加在其端部的电压变化的反应很快(在ns级)，其暂态电压和暂态电流呈现一一对应关系，构成非线性的伏安特性曲线(整只避雷器的伏安特性曲线由串联组成的电阻片的伏安特性叠加而成)，如图2所示。

避雷器制造厂家一般选择伏安特性基本相同的电阻片进行组合装配，以使得避雷器电压沿轴向分布均匀，因此，整只避雷器的伏安特性由单元电阻片的伏安特性线性外推得到，对于特定的避雷器产品，均有特定的伏安特性曲线。

虽然避雷器的端部电压与流过的电流在伏安特性曲线上有一一对应关系，但厂家给出的实际避雷器伏安特性一般是多个离散的点，需要事先通过计算拟合得到伏安特性曲线，再输入测量得到的暂态电流，通过伏安特性曲线对应关系的扫暂态电压；或者计算得到伏安特性中电压和电流函数关系，再输入测量得到的暂态电流，通过插值等计算方法得到暂态电压。

在步骤S130中，考虑到流过避雷器的电流采取间隔Δt的间断测量方式，对电流和电压值的乘积进行时间积分，等同于Δt间隔内测量电流值、电压值与Δt的乘积，即得到避雷器在短时间段Δt内吸收的能量；对后续n个Δt间隔内避雷器吸收的能量计算值进行算术求和后，即得到设定的短时间段ΔT＝n·Δt内避雷器的能量吸收。

避雷器正常运行时，呈现较大的电阻，流过本体电流的有功电流(阻性电流)一般为μA数量级(远低于避雷器的动作电流1mA)，在避雷器内部发热引起轻微的温升，但发热和散热处于热平衡状态；在内部过暂态电压(包括工频过电压、操作过电压等)和雷电侵入波过电压下，避雷器在发挥过电压保护功能的同时，因流过较大电流而吸收比正常运行多得多的热量，短时间内热平衡遭到破坏，避雷器出现较高的温升，可能引发避雷器电阻片劣化，在过电压过程后的正常运行电压下，避雷器出现发热-劣化-电流增大-温度再升高-进一步劣化的恶性循环，最终导致避雷器热崩溃，引发事故。

避雷器吸收过电压能量后是否出现劣化，与吸收热量多少和过电压时间密切相关，前者取决于流过避雷器的电流，如果雷电流幅值高，吸收能量可达到较高的水平；过电压时间则与散热机制相关，如果过电压时间很短，能量吸收梯度大，避雷器来不及散热，可视为一个绝热系统，此时不用考虑散热，吸收的热量直接与温升关联。

雷电过电压的波头时间在数μA数量级，持续时间在1ms以内；考虑到自然界的雷电过程多为重复雷击，即一次主放电后还有多次回击，才完成电荷的中和过程，重复雷击的间隔一般在数十～数百ms内，整个连续雷击过程一般在1s以内(案例为某个由主放电加上后续的5次回击、总持续时间为0.535s的连续雷击过程)；另一方面，相关试验表明，在1s以内，避雷器的温升变化微小，可视为绝热系统，时间再长后，则需要考虑散热，情形变得复杂；综上，在连续雷击过程的1s以内，避雷器将吸收异常高的能量，不考虑散热，电阻片发生劣化的几率很高，因此，短时间段ΔT＝n·Δt取为1s，可以反映一次完整的雷电过电压过程。

如果Δt取为0.1μs，则n为10⁶，系统的工作逻辑为，一旦S20测量到的暂态电流值超过预设的避雷器动作电流门槛值(设置为1mA)，系统启动，连续测量10⁶次Δt的电流，并将S30计算得到的能量吸收值进行算术相加，得到1s内的总能量吸收值，可以反映避雷器在雷电过电压和操作过电压下吸收的能量。

在步骤S140中，一旦设定的短时间段ΔT(取为1s)内能量吸收累计值超过告警能量设定值，则输出避雷器吸收的能量，并发出告警；其中，能量吸收告警值可设定为整只避雷器通流容量的25％。

避雷器的能量吸收能力以电阻片的能量吸收能力(通流容量)为基础，乘以串联的片数得到，而后者一般以2ms方波下试验电流通过伏安特性计算得到的能量来表征(如500kV电阻片的方波电流为2000A，110kV和220kV电阻片为1000A)，典型的110kV避雷器单片电阻片的通流容量为11kJ，整只避雷器(32片串联)则为352kJ(见案例)；220kV避雷器单片电阻片的通流容量与110kV相同，整只避雷器由上下两节组成，通流容量为704kJ；500kV避雷器单片电阻片的通流容量为23kJ，整只避雷器由上中下三节(每节由50片左右的电阻片串联而成)组成，总通流容量约为3450kJ(3.5MJ)。

运行实践表明，避雷器在短时的过电压过程(典型如连续雷击)中吸收较多能量而直接导致热崩溃的概率较低，大多为在这个过程中电阻片发生劣化，在热应力作用下，过电压后的运行电压下出现发热-劣化-电流增大-温度再升高-进一步劣化的恶性循环，而最终导致避雷器热崩溃。

避雷器劣化指的是承受同样电压下，流过电流增大，发热增加，反映在图2的伏安特性上，则表现为伏安特性下降。

对于具体避雷器产品的电阻片，制造厂家都有电阻片吸收能量(不考虑散热)与温升(基础温度一般为25℃)的对应实验数据。案例为某个由6次连续雷击过程(主放电加上后续的5次回击，总持续0.535s)中的避雷器劣化事件计算案例，可以看出，电阻片发热后温度超过60℃时，避雷器整体的1mA参考电压下降的变化率变大，呈现劣化趋势，此时对应的吸收能量达到通流容量的25～30％(参见案例表格数据)；当电阻片温度接近100℃水平时，1mA参考电压将下降超过8％，呈现较明显的劣化特征，此时对应的吸收能量达到通流容量水平。

综上分析，能量吸收告警值可设定为整只避雷器通流容量的25％。

防止避雷器热崩溃的措施，除了减少避雷器短时间吸收能量外，就是阻止电阻片劣化后的恶性循环过程，根据实际情况采取诸如线路重合闸适当延时或停电等临时处置措施，让避雷器电阻片温度下降，电阻片性能得以恢复，因此，获取短时过电压过程中避雷器吸收能量超过劣化注意值并及时进行预警，指导采取处置措施，对于提高避雷器的安全运行水平具有重要意义。

案例：

根据制造厂的资料，某500kV线路端部安装的高压电抗器(简称高抗)的中性点采用110kV电压等级的YH10W-108/281W1型避雷器，能量耐受为352kJ(单片电阻片能量耐受为11kJ，共32片)。

该避雷器曾经在一次连续雷击过程过后的运行电压下出现故障，该雷击过程由主放电加上后续的5次回击组成，总持续时间为0.535s。对于不同波形下的雷电侵入波，中性点避雷器流过的电流和吸收的能量计算结果如表1～表3所示，其中温升由制造厂家根据电阻片型式和尺寸、吸收能量和环境温度计算得到。

考虑到中性点避雷器故障时间发生在半夜，并伴有雷雨，取计算环境温度为25℃。

表1 1/200μs与0.25/100μs雷电波形下避雷器电流、吸收能量和温升

表2 5％峰值持续时间230μs的半正弦雷电波形下避雷器吸收能量

表3 2.6/50μs标准雷电波下避雷器吸收能量

由表1～表3可以看出：

(1)在雷电过程中，中性点避雷器均吸收了较多能量，并引起一定的温升。

(2)对于1/200μs与0.25/100μs的雷电波形，避雷器吸收总能量达401.8kJ之间，达到避雷器本体的设计能量耐受能力(352kJ)的水平，相应的温度接近100℃，此工况对避雷器的考核最为严重。

(3)对于5％峰值持续时间230μs的半正弦波和2.6/50μs的单次标准雷电波下避雷器吸收总能量稍低，但也达到100kJ的水平，温度超过60℃。

氧化锌电阻片呈负温度特性，随着温度升高，电阻片阻抗降低，表现避雷器参考电压下降，伏安特性将变差，由制造厂提供的高抗中性点避雷器型号避雷器参考电压随电阻片温度变化的关系见表4所示，可以看出：

(1)当电阻片温度超过60℃时，避雷器整体的1mA参考电压下降的变化率变大，呈现劣化趋势；

(2)当电阻片温度接近100℃水平时，1mA参考电压将下降超过8％，呈现较明显的劣化特征。

表4制造厂提供的高抗中性点避雷器参考电压随温升变化的关系

温度/℃	避雷器工频参考电压/kV	变化率/％
			20	112.0	0
30	111.86	-0.13
			40	111.32	-0.60
50	110.33	-1.49
			60	109.16	-2.54
70	107.70	-3.84
			80	106.46	-4.95
90	104.68	-6.54
			100	102.69	-8.31

由以上仿真计算结果和分析，可以推断：

中性点避雷器在短时间内连续吸收了较多的连续雷击能量，最严重的情况下，吸收能量达到避雷器本体的设计能量耐受能力水平，温度达到100℃，已足以造成避雷器严重劣化甚至热崩溃。

即便对于不严苛的雷电波形初始条件，中性点避雷器吸收能量也可达到避雷器本体能量耐受能力的25％的水平，内部电阻片温度达到60℃，避雷器电阻片出现劣化趋势。

实际上，吸收能量与温升之间的关系的换算，是按照电阻片静态特性计算的，如果考虑前续雷击引致的劣化因素，后续雷击吸收能量引起的实际温升变化更为严重。

在连续雷击引起避雷器电阻片劣化基础上，避雷器伏安特性整体下移，即承受相同的端部电压下，流经避雷器本体的电流增大，在线路跳闸后激发的持续电压振荡过程中，继续劣化过程，荷电率变高，温度持续升高，恶性循环，最终发展到热崩溃。

本申请还提出一种金属氧化物避雷器能量吸收获取装置，请参阅图3，图3是本申请金属氧化物避雷器能量吸收获取装置一实施例的结构示意图。在本实施例中，金属氧化物避雷器能量吸收获取装置可以包括：

暂态电流模块210，用于测量短时间间隔Δt内流经避雷器的暂态电流；

暂态电压模块220，用于当测量的暂态电流值超过预设的避雷器动作电流门槛值时，持续工作短时间段ΔT，并根据电流测量值和避雷器的伏安特性，得到避雷器的暂态电压；

能量吸收模块230，用于对电流和电压的乘积进行时间积分，得到避雷器在短时间间隔Δt内吸收的能量，并通过计算得到设定的短时间段ΔT内的能量吸收；

告警模块240，用于在短时间段ΔT内能量吸收累计值超过设定值时，则输出避雷器吸收的能量，并发出告警。

可选地，暂态电流模块210还用于：通过电流互感器或串接在计数器的入地回路中的分流器，每隔相同的短时间Δt实时测量暂态电流。

考虑到流过避雷器本体的雷电冲击电流可能引起较高的能量吸收，尤其是由多个回击组成的连续雷击过程，而雷电流频率很高，应能够采集到雷击的高频暂态电流信号，可以通过高精度和高采样频率的电流互感器(CT)进行无接触测量，也可以通过串接在避雷器本体低压端入地回路中的分流器进行测量。

以电流互感器(CT)测量模式为例(分流器抽取模式原理相同)，采用高精度罗氏线圈(Rogowski线圈)钳住避雷器本体低压端的接地引下线，采用高速采集卡，对流经避雷器的高频暂态电流进行测量，得到Δt起始时刻的电流瞬时值。

建议采用高精度电流互感器(CT)作为无接触测量手段，与串接在避雷器低压端入地回路中的分流器相比较，对串接在同一入地回路中的计数器的正常工作影响最小。

采用比较电路，设定电流门槛值(取为避雷器动作电流1mA)，将测量得到Δt起始时刻的流过避雷器的电流瞬时值与预设的门槛值进行比较。

如果测量的电流瞬时值低于预设的电流门槛值，视避雷器没有动作，此时吸收能量微小，在这种情况下，经过间隔Δt后继续测量流经避雷器的暂态电流。

如果测量的电流瞬时值高于门槛值，则触发主控单元，系统启动；而且一旦系统启动，将持续工作短时间段ΔT，后续的短时间间隔Δt内无论测量到的暂态电流是否高于设置的电流门槛值，均继续将每个Δt内的能量吸收计算值求和，直到ΔT结束。

ΔT过程结束之后，将进入下一个周期，比较测量得到Δt起始时刻的流过避雷器的电流瞬时值与预设的门槛值以判断是否启动系统，周而复始，一旦达到触发系统启动的条件，周期的时间长度均为ΔT。

可选地，暂态电压模块220还用于：基于暂态电流以及避雷器的伏安特性的对应关系，计算得到避雷器暂态电压。高频暂态电流与避雷器端部暂态电压之间的一一对应关系，即避雷器的伏安特性，根据测量得到的Δt起始时刻的暂态电流得到避雷器端部的暂态电压。

可选地，能量吸收模块230还用于：将暂态电流、暂态电压与短时间间隔Δt相乘，得到避雷器在测量时间间隔Δt内吸收的能量，将后续n个Δt内吸收的能量进行求和计算，得到设定的短时间段ΔT内的总能量吸收。

可选地，能量吸收信息能够直接显示，还能够在存储模块中实现信息的存储，也能够无线发射的模式发送到后台接收，并实现告警。

考虑到流过避雷器的电流采取间隔Δt的间断测量方式，因此，对电流和电压值的乘积进行时间积分，等同于Δt间隔内测量电流值、电压值与Δt的乘积，得到短时间段Δt内避雷器吸收的能量；对后续n个Δt间隔内避雷器吸收的能量计算值进行算术求和后，即得到设定的短时间段ΔT＝n·Δt内避雷器的能量吸收。

考虑到雷电过电压的波头时间和计算精度要求，Δt取为0.1μs；考虑到连续雷击过程的持续时间和避雷器散热因素，短时间段ΔT＝n·Δt取为1s，相应地，n为10⁶，一旦测量到的Δt起始时刻的暂态电流值超过预设的电流门槛值(设置为1mA)后，系统启动后的工作逻辑为，连续测量10⁶次Δt的电流，并将计算得到的Δt间隔内能量吸收值进行算术相加，得到1s内的总能量吸收值。

如果设定的短时间段ΔT(取为1s)内能量吸收累计值超过告警能量设定值，则输出避雷器吸收的能量，并发出告警。

能量吸收信息输出采用省电设计模式，可直接显示，也可在存储模块中记录结果，可以采用定期或定时人工读取存储雷电暂态电压信息，也可以无线发射的模式发送到后台接收。

避雷器的能量吸收能力以电阻片的能量吸收能力(通流容量)为基础，乘以串联的片数得到，而后者一般以2ms方波下试验电流通过伏安特性计算得到的能量来表征。

运行实践表明，避雷器在短时的过电压过程(典型如连续雷击)中吸收较多能量而直接导致热崩溃的概率较低，大多为在这个过程中电阻片发生劣化，在热应力作用下，过电压后的运行电压下出现发热-劣化-电流增大-温度再升高-进一步劣化的恶性循环，而最终导致避雷器热崩溃。

避雷器劣化指的是承受同样电压下，流过电流增大，发热增加，反映在图2的伏安特性上，则表现为伏安特性下降。对于具体避雷器产品的电阻片，制造厂家都有电阻片吸收能量(不考虑散热)与温升(基础温度一般为25℃)的对应实验数据。从案例看出，电阻片发热后温度超过60℃时，避雷器整体的1mA参考电压下降的变化率变大，呈现劣化趋势，此时对应的吸收能量达到通流容量的25～30％(参见案例表格数据)；当电阻片温度接近100℃水平时，1mA参考电压将下降超过8％，呈现较明显的劣化特征，此时对应的吸收能量达到通流容量水平。

综上分析，能量吸收告警值可设定为整只避雷器通流容量的25％。

防止避雷器热崩溃的措施，除了减少避雷器短时间吸收能量外，就是阻止电阻片劣化后的恶性循环过程，根据实际情况采取诸如线路重合闸适当延时或停电等临时处置措施，让避雷器电阻片温度下降，电阻片性能得以恢复，因此，获取短时过电压过程中避雷器吸收能量超过劣化注意值并及时进行预警，指导采取处置措施，对于提高避雷器的安全运行水平具有重要意义。

需要说明的是，金属氧化物避雷器能量吸收获取装置还包括电源模块，可以选用内置的固定电源模式或者电场无线取能模式，也可以选择太阳能取电模式，使得避雷器能量吸收获取装置运行依托省电设计模式，耗电较低。

本申请还提出一种金属氧化物避雷器能量吸收获取系统，请参阅图4，图4是本申请金属氧化物避雷器能量吸收获取系统一实施例的结构示意图。金属氧化物避雷器能量吸收获取系统包括上述的金属氧化物避雷器能量吸收获取装置31、避雷器32和计数器33。

其中，避雷器32安装在绝缘柱上，避雷器的低压端通过计数器33与金属氧化物避雷器能量吸收获取装置31的电流输入端连接。

作为示例性地，避雷器能量吸收获取装置31与避雷器32的计数器33一体化集成，避雷器32本体安装在绝缘柱上，其低压端引出电流引线进入计数器33，之后经过避雷器能量吸收获取装置31后接地。

本实施例设置避雷器能量吸收获取装置31，利用避雷器32呈现非线性的伏安特性，通过直接采集流经避雷器32的高频暂态电流，基于避雷器伏安特性曲线，得到与当前采集的高频暂态电流对应的暂态过电压，通过电压电流乘积的时间积分，能够实时准确地获取避雷器能量吸收信息。

可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。文中所使用的步骤编号也仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

本申请中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (11)

1.一种金属氧化物避雷器能量吸收获取方法，其特征在于，包括：

测量短时间间隔Δt内流经避雷器的暂态电流；

当测量的暂态电流值超过预设的避雷器动作电流门槛值时，持续工作短时间段ΔT，并根据电流测量值和避雷器的伏安特性，得到避雷器的暂态电压；

对电流和电压的乘积进行时间积分，得到避雷器在短时间间隔Δt内吸收的能量，并通过计算得到设定的短时间段ΔT内的能量吸收；

在短时间段ΔT内能量吸收累计值超过设定值时，则输出避雷器吸收的能量，并发出告警。

2.根据权利要求1所述的金属氧化物避雷器能量吸收获取方法，其特征在于，所述测量短时间间隔Δt内流经避雷器的暂态电流，包括：

通过电流互感器或串接在计数器的入地回路中的分流器，每隔相同的短时间Δt实时测量所述暂态电流。

3.根据权利要求1所述的金属氧化物避雷器能量吸收获取方法，其特征在于，所述得到避雷器的暂态电压，包括：

基于所述暂态电流以及避雷器的伏安特性的对应关系，计算得到避雷器暂态电压。

4.根据权利要求1所述的金属氧化物避雷器能量吸收获取方法，其特征在于，所述对电流和电压的乘积进行时间积分，得到避雷器在短时间间隔Δt内吸收的能量，并通过计算得到设定的短时间段ΔT内的能量吸收，包括：

将所述暂态电流、所述暂态电压与短时间间隔Δt相乘，得到避雷器在测量时间间隔Δt内吸收的能量，将后续n个Δt内吸收的能量进行求和计算，得到设定的短时间段ΔT内的总能量吸收。

5.根据权利要求1所述的金属氧化物避雷器能量吸收获取方法，其特征在于，

所述避雷器为无间隙金属氧化物避雷器或者线路型带串联间隙金属氧化物避雷器。

6.一种金属氧化物避雷器能量吸收获取装置，其特征在于，包括：

暂态电流模块，用于测量短时间间隔Δt内流经避雷器的暂态电流；

暂态电压模块，用于当测量的暂态电流值超过预设的避雷器动作电流门槛值时，持续工作短时间段ΔT，并根据电流测量值和避雷器的伏安特性，得到避雷器的暂态电压；

能量吸收模块，用于对电流和电压的乘积进行时间积分，得到避雷器在短时间间隔Δt内吸收的能量，并通过计算得到设定的短时间段ΔT内的能量吸收；

告警模块，用于在短时间段ΔT内能量吸收累计值超过设定值时，则输出避雷器吸收的能量，并发出告警。

7.根据权利要求6所述的金属氧化物避雷器能量吸收获取装置，其特征在于，所述暂态电流模块还用于：

通过电流互感器或串接在计数器的入地回路中的分流器，每隔相同的短时间Δt实时测量所述暂态电流。

8.根据权利要求6所述的金属氧化物避雷器能量吸收获取装置，其特征在于，所述暂态电压模块还用于：

基于所述暂态电流以及避雷器的伏安特性的对应关系，计算得到避雷器暂态电压。

9.根据权利要求6所述的金属氧化物避雷器能量吸收获取装置，其特征在于，所述能量吸收模块还用于：

将所述暂态电流、所述暂态电压与短时间间隔Δt相乘，得到避雷器在测量时间间隔Δt内吸收的能量，将后续n个Δt内吸收的能量进行求和计算，得到设定的短时间段ΔT内的总能量吸收。

10.根据权利要求6所述的金属氧化物避雷器能量吸收获取装置，其特征在于，

能量吸收信息能够直接显示，还能够在存储模块中实现信息的存储，也能够无线发射的模式发送到后台接收，并实现告警。

11.一种金属氧化物避雷器能量吸收获取系统，其特征在于，包括如权利要求6～10任一项所述的金属氧化物避雷器能量吸收获取装置、避雷器和计数器；

其中，所述避雷器安装在绝缘柱上，所述避雷器的低压端通过所述计数器与所述金属氧化物避雷器能量吸收获取装置的电流输入端连接。

Images