CN117825862B - 基于避雷器检测的使用寿命预测系统 - Google Patents
基于避雷器检测的使用寿命预测系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及电力系统避雷器使用寿命预测技术领域，尤其涉及基于避雷器检测的使用寿命预测系统，包括：传感单元；计算单元，用以获取热耗散参数以及泄漏电流参数；速衰单元，用以构建试验工装，并检测老化时长；供能单元，其用以提供过电压；模拟单元，用以构建过载工装检测过载缩减时长；处理单元，用以根据运行特征、老化时长以及过载缩减时长建立预测模型以生成寿命预测数据库；通过上述单元的相互协作，将热耗散参数与配合泄漏电流参数作为避雷器老化的指标，综合考虑这两个指标可以更全面地了解避雷器的工作状态有利于对避雷器的使用寿命进行精准预测，从而有效提高避雷器使用寿命系统预测的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统避雷器使用寿命预测技术领域，尤其涉及基于避雷器检测的使用寿命预测系统。
背景技术
当雷电击中设备或电力系统时，会产生巨大的电流和电压，可能导致设备损坏，避雷器能够迅速引导这些过电压到地，防止其传播到受保护的设备，但避雷器的运行寿命受多因素共同作用，既有长期工作电压作用下，又有雷电冲击或电力系统操作累积的过电压冲击，还有外界环境温度变化，带来了避雷器电热老化、冲击老化和内部核心器件金属氧化物电阻片的晶体结构变化，使避雷器的性能逐渐发生劣化或失效，导致避雷器运行寿命较标准使用年限降低，因此，如何准确预测避雷器的使用寿命成为重中之重。
目前常用的避雷器监测方法为中国专利授权公告号：CN112255484B公开了一种避雷器运行状态在线监测及评估方法和系统，所述方法包括获取避雷器的在线和历史运行状态数据；筛选得到避雷器缺陷特征数据参量及其变化规律；确定避雷器运行状态评估指标；建立避雷器运行状态评估模型；将历史运行状态数据输入避雷器运行状态评估模型进行模型训练，将在线运行状态数据作为实时输入量输入避雷器运行状态评估模型进行预测，从而实现对避雷器设备运行状态评估及发展趋势预测。本发明可广泛应用于智能变电站等一线现场，对于提高试验效率，增强运维水平，预防设备故障具有重要的作用，可用于避雷器的运行状态和寿命评估，可及时监测设备的潜在隐患，降低避雷器故障风险，带来巨大的社会效益。
但是，上述方法存在以下问题：只采用泄漏电流作为避雷器检测的单一标准，未对避雷器的热耗散性能进行检测，从而忽视避雷器工作温度异常带来的老化问题，导致避雷器使用寿命预测不准确。
发明内容
为此，本发明提供基于避雷器检测的使用寿命预测系统，用以克服现有技术中只采用泄漏电流作为避雷器检测的单一标准，未对避雷器的热耗散性能进行检测，从而忽视避雷器工作温度异常带来的老化问题，导致避雷器使用寿命预测不准确。
为实现上述目的，本发明提供基于避雷器检测的使用寿命预测系统，包括：
传感单元，其用以检测避雷器的运行特征；
计算单元，其与所述传感单元相连，用以根据所述运行特征获取避雷器的热耗散参数以及泄漏电流参数；
速衰单元，其与所述计算单元以及所述传感单元相连，用以构建相同的所述热耗散参数以及泄漏电流参数的试验工装，并加速试验工装的老化进程以检测老化时长；
供能单元，其用以提供过电压；
模拟单元，其与所述传感单元以及所述供能单元相连，用以构建相同的所述热耗散参数以及泄漏电流参数的过载工装，接收所述过电压以检测对应的过载缩减时长；
处理单元，其与所述速衰单元以及所述模拟单元相连，用以根据所述运行特征、所述老化时长以及所述过载缩减时长建立预测模型以生成寿命预测数据库；
其中，所述运行特征包括运行电流、运行温度；所述过电压为大于避雷器额定电压的运行电压；
其中，所述传感单元包括电流传感器以及温度传感器。
进一步地，所述温度传感器包括光纤温度传感器以及热敏电阻传感器；
其中，所述光纤温度传感器设置在避雷器外套内与金属氧化物相隔预设距离处，用以检测金属氧化物的表面温度；
所述热敏电阻传感器设置在避雷器外套外部，与避雷器相贴设置，用以检测外套的外表面温度；
其中所述光纤温度传感器以及所述热敏电阻传感器的设置高度相同。
进一步地，所述计算单元根据所述金属氧化物的表面温度以及外套的外表面温度确定所述热耗散参数；
所述热耗散参数P由式（1）确定：
（1），
其中，T1为所述金属氧化物的表面温度，T2为所述外套的外表面温度。
进一步地，所述电流传感器为级联H桥多电平变流器，通过三次谐波注入法检测所述泄漏电流参数；
其中，所述泄漏电流参数包括预设周期内的平均电流值以及瞬时最大电流值。
进一步地，所述速衰单元采用所述试验工装加速试验工装的老化进程以确定避雷器在所述运行特征下的老化时长；
所述速衰单元在所述热耗散参数不大于最小热耗散参数或所述平均电流值不小于最大平均电流值或所述瞬时电流值不小于最大瞬时电流值时停止老化进程；
所述模拟单元采用所述过电压冲击所述过载工装为模拟雷电冲击和操作冲击对避雷器老化进程的影响以确定所述过载缩减时长；
其中，所述热耗散参数不大于最小热耗散参数或所述平均电流值不小于最大平均电流值或所述瞬时电流值不小于最大瞬时电流值时停止过电压冲击。
进一步地，避雷器在所述运行特征下对应的老化时长t由式（2）确定：
（2），
其中，K为寿命系数，n为老化试验总次数，ti为第i次试验工装老化进程的老化时长。
进一步地，所述过载缩减时长X由式（3）确定：
（3），
其中，t为老化时长，t1为过电压冲击下的使用时长，y为过电压冲击次数。
进一步地，所述处理单元根据所述过载缩减时长对所述老化时长进行修正以确定避雷器的使用寿命。
进一步地，避雷器的使用寿命t'由式（4）确定：
（4），
其中，t为老化时长，t2为已使用时长，m为已使用时长下的过电压冲击次数，X为过载缩减时长。
进一步地，将待测避雷器匹配所述寿命预测数据库进行寿命预测；
其中，若所述待测避雷器无法与所述寿命预测数据库的现有任一预测模型匹配，对所述待测避雷器重复上述单元的处理以生成补充预测模型并生成完备寿命预测数据库。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明通过上述单元的相互协作，将热耗散参数与配合泄漏电流参数作为避雷器老化的指标，泄漏电流参数反映了避雷器在正常运行情况下的电气特性，而热耗散参数则关联到其热特性，综合考虑这两个指标可以更全面地了解避雷器的工作状态有利于对避雷器的使用寿命进行精准预测，从而有效提高避雷器使用寿命系统预测的准确性。
进一步地，本发明光纤温度传感器与热敏电阻传感器设置在同一高度，减小高度差引起的气温差异，减小误差，同时确保两种传感器受到相似的环境条件和气象条件的影响，有助于确保它们都在相同的物理环境中运行，提高了热耗散参数测量的可比性和一致性。
进一步地，本发明通过速衰单元构建与避雷器现热耗散参数以及泄漏电流参数相同的试验工装，多次加速试验避雷器的老化进程，统计老化时长，减小误差和排除异常值，有利于精确计算现有运行特征下的避雷器的老化时长，从而进一步地提高避雷器使用寿命系统预测的准确性。
进一步地，本发明通过模拟单元构建与避雷器的现有热耗散参数以及泄漏电流参数相同的过载工装，模拟避雷器实际应用中受雷电冲击和系统操作过程中产生的冲击过电压对避雷器产生的过载缩减时长的影响，结合避雷器在现有运行特征下的老化时长，精确预测避雷器在实际工作环境下的使用寿命，从而进一步地提高避雷器使用寿命系统预测的准确性。
附图说明
图1为本发明基于避雷器检测的使用寿命预测系统的结构示意图；
图2为本发明温度传感器的设置示意图；
图3为本发明使用寿命的预测示意图；
图4为本发明待测避雷器进行使用寿命预测的流程图；
其中，金属氧化物1，外套2，光纤温度传感器3，热敏电阻传感器4。
具体实施方式
为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述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，还需要说明的是，在本发明的描述中，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。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为更好地理解本发明，下面对本发明中的名词进行解释：
光纤温度传感器：采用一种和光纤折射率相匹配的高分子温敏材料涂覆在二根熔接在一起的光纤外面，使光能由一根光纤输入该反射面从另一根光纤输出，由于这种新型温敏材料受温度影响，折射率发生变化，因此输出的光功率与温度呈函数关系。其物理本质是利用光纤中传输的光波的特征参量，如振幅、相位、偏振态、波长和模式等，对外界环境因素，如温度，压力，辐射等具有敏感特性。它属于非接触式测温。
热敏电阻传感器：是一种传感器电阻，其电阻值随着温度的变化而改变。按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻。正温度系数热敏电阻器的电阻值随温度的升高而增大，负温度系数热敏电阻器的电阻值随温度的升高而减小，它们同属于半导体器件。
金属氧化物避雷器：利用氧化物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。这种避雷器和传统的避雷器的差异是它没有放电间隙，利用氧化物的非线性特性起到泄流和开断的作用。
外套：作为金属氧化物避雷器的外套绝缘封装材料，确保绝缘和密封可靠，使避雷器的性能稳定。
级联H桥多电平变流器：仅有一个桥臂，桥臂组成也只有全桥结构的子模块，连接电感一侧接入电网，另一端与其他两相呈星型接法，级联H桥没有直流侧，无法接入直流电网，大多应用于无功补偿等场合
三次谐波注入法：是一种新型的谐波抑制技术方法，它的基本思想是利用不控整流电路内部具有的三次谐波脉动产生三次谐波电流，并将其注入到三相输入端中，将抑制输入电流谐波畸变。
请参阅图1所示，其为本发明基于避雷器检测的使用寿命预测系统的结构示意图，基于避雷器检测的使用寿命预测系统，其应用于金属氧化物避雷器的寿命预测，包括：
传感单元，其用以检测避雷器的运行特征；
计算单元，其与传感单元相连，用以根据运行特征获取避雷器的热耗散参数以及泄漏电流参数；
速衰单元，其与计算单元以及传感单元相连，用以构建相同的热耗散参数以及泄漏电流参数的试验工装，并加速试验工装的老化进程以检测老化时长；
供能单元，其用以提供过电压；
模拟单元，其与传感单元以及供能单元相连，用以构建相同的热耗散参数以及泄漏电流参数的过载工装，接收过电压以检测对应的过载缩减时长；
处理单元，其与速衰单元以及模拟单元相连，用以根据运行特征、老化时长以及过载缩减时长建立预测模型以生成寿命预测数据库；
其中，运行特征包括运行电流、运行温度；过电压为大于避雷器额定电压的运行电压；
其中，传感单元包括电流传感器以及温度传感器。
本发明通过上述单元的相互协作，将热耗散参数与配合泄漏电流参数作为避雷器老化的指标，泄漏电流参数反映了避雷器在正常运行情况下的电气特性，而热耗散参数则关联到其热特性，综合考虑这两个指标可以更全面地了解避雷器的工作状态有利于对避雷器的使用寿命进行精准预测，从而有效提高避雷器使用寿命系统预测的准确性。
在实施中，加速老化装置通过高电压、高电流、电压暂变以及改变电流波形在短时间内产生类似于长期使用条件下的电气应力，从而加速避雷器的老化过程，避雷器在实际运行中可能受到不同温度条件的影响，因此加速老化装置通常包括温度控制系统，改变避雷器的工作温度，从而加速避雷器的老化过程。
在实施中，过电压为超过系统最高相对地电压的雷电冲击或操作冲击电压的电压。
请参阅图2所示，其为本发明温度传感器的设置示意图，温度传感器包括光纤温度传感器3以及热敏电阻传感器4；
其中，光纤温度传感器3设置在避雷器外套2内与金属氧化物1相隔预设距离处，用以检测金属氧化物1的表面温度；
热敏电阻传感器4设置在避雷器外套2外部，与避雷器相贴设置，用以检测外套2的外表面温度；
其中光纤温度传感器3以及热敏电阻传感器4的设置高度相同。
可以理解的是，光纤温度传感器3与金属氧化物1的间的预设距离可根据实际使用情况具体设置。
在实施中，光纤温度传感器的宽度为10cm，金属氧化物1的两尖端间的距离为1m，对应预设距离可设置为15cm，两尖端间的距离为80cm，对应预设距离可设置为10cm。
本发明光纤温度传感器与热敏电阻传感器设置在同一高度，减小高度差引起的气温差异，减小误差，同时确保两种传感器受到相似的环境条件和气象条件的影响，有助于确保它们都在相同的物理环境中运行，提高了热耗散参数测量的可比性和一致性。
具体而言，计算单元根据金属氧化物的表面温度以及外套的外表面温度确定热耗散参数；
热耗散参数P由式（1）确定：
（1），
其中，T1为金属氧化物的表面温度，T2为外套的外表面温度。
可以理解的是，上述环境温度差为金属氧化物的表面温度T1与外套的外表面温度间T2的差值。
请参阅表1所示，其为金属氧化物的表面温度、外套的外表面温度和热耗散参数的关系对照表；
表1金属氧化物的表面温度、外套的外表面温度和热耗散参数的关系对照表
具体而言，电流传感器为级联H桥多电平变流器，通过三次谐波注入法检测泄漏电流参数；
其中，泄漏电流参数包括预设周期内的平均电流值以及瞬时最大电流值。
可以理解的是，上述预设周期可根据避雷器的实际使用场景任意设置。
具体而言，速衰单元采用试验工装加速试验工装的老化进程以确定避雷器在运行特征下的老化时长；
速衰单元在热耗散参数不大于最小热耗散参数或平均电流值不小于最大平均电流值或瞬时电流值不小于最大瞬时电流值时停止老化进程；
模拟单元采用过电压冲击过载工装为模拟雷电冲击和操作冲击对避雷器老化进程的影响以确定过载缩减时长；
其中，热耗散参数不大于最小热耗散参数或平均电流值不小于最大平均电流值或瞬时电流值不小于最大瞬时电流值时停止过电压冲击。
可以理解的是，上述最小热耗散参数、最大平均电流值以及最大瞬时电流值与金属氧化物的避雷器的型号有关。
一般的，最大瞬时电流值为30mA，最大平均电流值为5mA，最小热耗散参数为0.2。
具体而言，避雷器在运行特征下对应的老化时长t由式（2）确定：
（2），
其中，K为寿命系数，n为老化试验总次数，ti为第i次试验工装老化进程的老化时长。
可以理解的是，本发明试验工装其具体结构能够采用现有技术中的任一种结构和方式进行设置，只要能够获取本发明所述的功能，在此不再赘述。
可以理解的是，上述寿命系数与试验工装采取的老化方式有关。
一般的，将工作温度由40℃提高至45℃，其对应的寿命系数为0.5，将工作温度由40℃提高至50℃，其对应的寿命系数为0.3。
请参表2所示，其为本发明老化时长与试验工装的单次老化时长以及寿命系数的关系对照表；
表2老化时长与试验工装的单次老化时长以及寿命系数的关系对照表
可以理解的是，试验工装的单次老化时长分别为5年、6年、7年采用工作温度为50℃，对应的寿命系数为0.5，由此得出老化时长为12年。
可以理解的是，一般老化试验阿累尼乌斯公式证明常规寿命是100年，但高的运行温度会导致寿命大幅下降，常规使用年限为3～20年。
本发明通过速衰单元构建与避雷器现热耗散参数以及泄漏电流参数相同的试验工装，多次加速试验避雷器的老化进程，统计老化时长，减小误差和排除异常值，有利于精确计算现有运行特征下的避雷器的老化时长，从而进一步地提高避雷器使用寿命系统预测的准确性。
具体而言，处理单元根据过载缩减时长对老化时长进行修正以确定避雷器的使用寿命。
具体而言，过载缩减时长与使用时长差成正比与过电压冲击次数成反比，过载缩减时长X由式（3）确定：
（3），
其中，t为老化时长，t1为过电压冲击下的使用时长，y为过电压冲击次数。
可以理解的是，上述使用时长差为老化时长t与过电压冲击下的使用时长t1的差值。
在实施中，过载工装至少包括电压源用以接收过电压，变压器可以通过调整输入和输出的绕组比例来改变过电压，电子负载用于模拟避雷器在过电压下的性能变化，计时器，用以检测过电压下电子负载的使用时长，处理组件，用以确定过载缩减时长。
请参阅表3所示，其为本发明过载缩减时长与过电压冲击次数以及过电压冲击使用时长的对照表；
表3过载缩减时长与过电压冲击次数以及过电压冲击使用时长的对照表
可以理解的是，在老化时长为12年下过电压冲击次数为80次，使用时长为5年的过载工装，其对应的过载缩减时长为0.0875/次·年-1，过电压冲击次数为100次，使用时长为4年的过载工装，其对应的过载缩减时长为0.08/次·年-1。
在实施中，过电压冲击次数在正常情况下与过电压幅值有关，按标准的统计概率做的幅值进行冲击，能够通过400～1000次。
请参阅图3所示，其为本发明使用寿命的预测示意图，避雷器的使用寿命t'由式（4）确定：
（4），
其中，t为老化时长，t2为已使用时长，m为已使用时长下的过电压冲击次数，X为过载缩减时长。
本发明通过模拟单元构建与避雷器的现有热耗散参数以及泄漏电流参数相同的过载工装，模拟避雷器实际应用中受雷电冲击和操作冲击过程中产生的冲击过电压对避雷器产生的过载缩减时长的影响，结合避雷器在现有运行特征下的老化时长，精确预测避雷器在实际工作环境下的使用寿命，从而进一步地提高避雷器使用寿命系统预测的准确性。
请参阅表4所示，其为本发明使用寿命与已使用时长，已使用时长下的过电压冲击次数以及过载缩减时长的对照表；
表4使用寿命与已使用时长、已使用时长下的过电压冲击次数以及过载缩减时长的对照表
请参阅图4所示，其为本发明待测避雷器进行使用寿命预测的流程图，将待测避雷器匹配寿命预测数据库进行寿命预测；
其中，若待测避雷器无法与寿命预测数据库的现有任一预测模型匹配，对待测避雷器重复上述单元的处理以生成补充预测模型并生成完备的寿命预测数据库。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.基于避雷器检测的使用寿命预测系统，其特征在于，包括：
传感单元，其用以检测避雷器的运行特征；
计算单元，其与所述传感单元相连，用以根据所述运行特征获取避雷器的热耗散参数以及泄漏电流参数；
速衰单元，其与所述计算单元以及所述传感单元相连，用以构建相同的所述热耗散参数以及泄漏电流参数的试验工装，并加速试验工装的老化进程以检测老化时长；
供能单元，其用以提供过电压；
模拟单元，其与所述传感单元以及所述供能单元相连，用以构建相同的所述热耗散参数以及泄漏电流参数的过载工装，接收所述过电压以检测对应的过载缩减时长；
处理单元，其与所述速衰单元以及所述模拟单元相连，用以根据所述运行特征、所述老化时长以及所述过载缩减时长建立预测模型以生成寿命预测数据库；
其中，所述运行特征包括运行电流、运行温度；所述过电压为大于避雷器额定电压的运行电压；
其中，所述传感单元包括电流传感器以及温度传感器；
所述计算单元根据金属氧化物的表面温度以及外套的外表面温度确定所述热耗散参数；
所述热耗散参数P由式（1）确定：
（1）
其中，T1为所述金属氧化物的表面温度，T2为所述外套的外表面温度。
2.根据权利要求1所述的基于避雷器检测的使用寿命预测系统，其特征在于，所述温度传感器包括光纤温度传感器以及热敏电阻传感器；
其中，所述光纤温度传感器设置在避雷器外套内与金属氧化物相隔预设距离处，用以检测金属氧化物的表面温度；
所述热敏电阻传感器设置在避雷器外套外部，与避雷器相贴设置，用以检测外套的外表面温度；
其中所述光纤温度传感器以及所述热敏电阻传感器的设置高度相同。
3.根据权利要求2所述的基于避雷器检测的使用寿命预测系统，其特征在于，所述电流传感器为级联H桥多电平变流器，通过三次谐波注入法检测所述泄漏电流参数；
其中，所述泄漏电流参数包括预设周期内的平均电流值以及瞬时最大电流值。
4.根据权利要求3所述的基于避雷器检测的使用寿命预测系统，其特征在于，所述速衰单元采用所述试验工装加速试验工装的老化进程以确定避雷器在所述运行特征下的老化时长；
所述速衰单元在所述热耗散参数不大于最小热耗散参数或所述平均电流值不小于最大平均电流值或所述瞬时电流值不小于最大瞬时电流值时停止老化进程；
所述模拟单元采用所述过电压冲击所述过载工装为模拟雷电冲击和操作冲击对避雷器老化进程的影响以确定所述过载缩减时长；
其中，所述热耗散参数不大于最小热耗散参数或所述平均电流值不小于最大平均电流值或所述瞬时电流值不小于最大瞬时电流值时停止过电压冲击。
5.根据权利要求4所述的基于避雷器检测的使用寿命预测系统，其特征在于，避雷器在所述运行特征下对应的老化时长t由式（2）确定：
（2）
其中，K为寿命系数，n为老化试验总次数，ti为第i次试验工装老化进程的老化时长。
6.根据权利要求4所述的基于避雷器检测的使用寿命预测系统，其特征在于，所述过载缩减时长X由式（3）确定：
（3）
其中，t为老化时长，t1为过电压冲击下的使用时长，y为过电压冲击次数。
7.根据权利要求5或6任一项所述的基于避雷器检测的使用寿命预测系统，其特征在于，所述处理单元根据过载缩减时长对老化时长进行修正以确定避雷器的使用寿命。
8.根据权利要求6所述的基于避雷器检测的使用寿命预测系统，其特征在于，避雷器的使用寿命t'由式（4）确定：
（4）
其中，t为老化时长，t2为已使用时长，m为已使用时长下的过电压冲击次数，X为过载缩减时长。
9.根据权利要求5或8任一项所述的基于避雷器检测的使用寿命预测系统，其特征在于，将待测避雷器匹配所述寿命预测数据库进行寿命预测；
其中，若所述待测避雷器无法与所述寿命预测数据库的现有任一预测模型匹配，对所述待测避雷器重复上述单元的处理以生成补充预测模型并生成完备寿命预测数据库。
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