CN204269739U - 基于线路避雷器的雷击诊断及实时报警装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了基于线路避雷器的雷击诊断及实时报警装置，包括：用于测量泄流电流的数据采集模块，与数据采集模块相连并用于获取泄流电流的幅值、方向和频谱信息的信号处理模块，根据泄流电流的幅值、方向和频谱信息判断引发线路避雷器动作的原因，并识别和存储雷电极性、雷击类型、线路避雷器动作时间和次数的雷击识别模块，该雷击识别模块与所述信号处理模块相连；还包括分别与所述数据采集模块、信号处理模块、雷击识别模块相连并提供工作电源的供电模块。能记录线路避雷器的动作时间、动作原因和次数，可与具体的雷击事件相对照以进行雷击事件分析，通过线路避雷器动作时泄流电流波形参数，对线路避雷器动作原因、雷击类型进行识别。

Description

基于线路避雷器的雷击诊断及实时报警装置

技术领域

本实用新型涉及避雷技术领域，特别是涉及基于线路避雷器的雷击诊断及实时报警装置。

背景技术

相比其他防雷措施，在输电线路安装线路避雷器，特别是雷电活动强烈或土壤电阻率高、降低接地电阻困难的区段，可有效降低跳闸事故率，提高输电线路杆塔的耐雷水平。因此，线路避雷器的安装使用，能取得较好的防雷效果，使电网的运行可靠性大大提高。

线路避雷器广泛采用带外串联间隙结构，由于避雷器本体与导线之间用间隙隔离，在系统正常运行时线路避雷器不承受线路工作电压的作用。因此，避雷器电阻片不存在老化问题，即使避雷器本体发生故障，由于间隙的隔离作用，也不致造成短路而引起线路跳闸。

虽然现有线路避雷器运行性能、防雷效果较好，但线路避雷器监测技术及其在线路防雷工作发挥的作用仍有待完善，主要体现在以下几个方面：

(1)线路避雷器仅具有动作次数记录功能，无法记录动作时间，无法将其与具体的雷击事件相对照，不能用于雷击事件分析。

(2)线路避雷器不记录泄放电流参数，无法得知动作时的电流大小、频谱信息，无法将其与雷电定位系统的落雷信息比较分析，同时无法判断动作原因，防雷效果评价时容易出现偏差。

(3)避雷器动作时往往是雷雨天气且附近线路发生雷击故障，动作信息无法及时传递至相关运行人员，不利于迅速开展线路特巡任务，雷击隐患排查工作时效性难以保证。

(4)雷击故障点查找工作较为复杂，现有避雷器对雷击类型不做判断，无法对附近区域杆塔的防雷性能弱点进行记录和统计，不利于开展线路相关区段雷击风险评估。

基于上述情况，有必要以现有线路避雷器为基础，开发出一种能记录泄流电流波形参数、判断雷击故障类型并能及时向运维人员发送提示信息的雷击故障诊断及实时报警装置，但目前还没有这样的装置。

发明内容

本实用新型的目的在于提出一种基于线路避雷器的雷击诊断及实时报警装置，以根据测量动作电流特征，对线路避雷器动作原因、雷击类型进行识别，并向运行人员发送提示信息。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案如下：

基于线路避雷器的雷击诊断及实时报警装置，设置在安装线路避雷器的杆塔上，包括：用于测量引发线路避雷器动作的泄流电流的数据采集模块，与数据采集模块相连并将所述泄流电流进行模数转换以获取泄流电流的幅值、方向和频谱信息的信号处理模块，根据所述泄流电流的幅值、方向和频谱信息判断引发线路避雷器动作的原因，并在雷击引发线路避雷器动作时识别并存储雷电极性、雷击类型、线路避雷器动作时间和次数的雷击识别模块，该雷击识别模块与所述信号处理模块相连；还包括分别与所述数据采集模块、信号处理模块、雷击识别模块相连并提供工作电源的供电模块。

所述数据采集模块包括分别设置在塔身和线路避雷器保护阀上的穿心式电流互感器，所述穿心式电流互感器的输出端设有用于输出等比例电压波形信号的预处理电路，该预处理电路由依次电连接的整形、限幅和滤波电路组成。

所述信号处理模块包括用于根据所述等比例电压波形信号的波形计算电流频率分量分布的频谱计算单元，以及用于识别所述等比例电压波形信号的幅值和方向的幅值方向分析单元。

所述雷击识别模块包括用于分析所述频率分量并在雷击引发线路避雷器动作时输出高电平的动作原因判断单元，用于在接收到所述高电平时根据等比例电压波形信号的幅值和方向输出雷电极性和雷击类型的雷击类型判断单元，以及用于存储所述雷电极性、雷击类型以及线路避雷器动作时间和次数的雷击动作计数单元，所述动作原因判断单元、雷击类型判断单元、雷击动作计数单元依次电连接。

本实用新型的优点是：结构简单、合理，能记录线路避雷器的动作时间、动作原因和次数，从而可与具体的雷击事件相对照，用于雷击事件分析，并通过线路避雷器动作时泄流电流波形参数，对线路避雷器动作原因、雷击类型进行识别，从而可以及时向运维人员发送实时的提示信息，以便迅速开展路线特巡、排查隐患或检修。

附图说明

图1是本实用新型的结构框图；

图2是数据采集模块和信号处理模块的结构框图；

图3是信号处理模块中频率分量计算判据原理示意图；

图4是雷电绕击的电流分布仿真图；

图5是雷电反击的电流分布仿真图；

图6是操作过电压下线路避雷器动作电流的仿真图；

图7是雷击类型判断单元逻辑电路图；

图8是数据采集模块、信息处理模块、雷击识别模块的信号流向图；

图9是供电模块的结构框图；

附图标记说明：1、供电模块；2、数据采集模块；3、信号处理模块；4、雷击识别模块；5、信息发送模块；6、线路避雷器；7、塔身；8、穿心式电流互感器。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

实施例

如图所示，基于线路避雷器的雷击诊断及实时报警装置，设置在安装线路避雷器6的杆塔上，包括：用于测量引发线路避雷器动作的泄流电流的数据采集模块2，与数据采集模块2相连并将所述泄流电流进行模数转换以获取泄流电流的幅值、方向和频谱信息的信号处理模块3，根据所述泄流电流的幅值、方向和频谱信息判断引发线路避雷器动作的原因，并在雷击引发线路避雷器动作时识别并存储雷电极性、雷击类型、线路避雷器动作时间和次数的雷击识别模块4，该雷击识别模块4与所述信号处理模块3相连；还包括分别与所述数据采集模块2、信号处理模块3、雷击识别模块4相连并提供工作电源的供电模块1。

本实用新型的雷击诊断及实时报警装置设置在杆塔上，与线路避雷器6相连，通过在线路避雷器6某些结构处增加功能模块，使其具有雷击识别、报警功能。

本实施例中，整个装置组成框架由图1所示。主要组成部分包括供电模块1、数据采集模块2、信号处理模块3、雷击识别模块4、信息发送模块5。

一、数据采集模块

数据采集模块2包括分别设置在杆塔的塔身7和线路避雷器保护阀(ZnO保护阀)的穿心式电流互感器8，两个穿心式电流互感器8的输出端设有整形、限幅、滤波电路，以及信号的积分电路等，用于信号的预处理。

以安装于塔身7及避雷器保护阀的两个穿心式电流传感器为测量终端，因输出电压与电流微分成正比，需将输出电压进行积分运算还原成与实际测量电流成正比的电压信号，同时附加整形、限幅、滤波等处理手段，输出与动作电流成比例的电压波形信号，即得到了可用于后续分析的等比例电压波形信号波形，通过分析该电压波形，从而得到动作电流的相关信息。

二、信号处理模块

信号处理模块3包括频谱计算单元和幅值方向分析单元，频谱计算单元用于根据所述等比例电压波形信号的波形计算电流频率分量分布，幅值方向分析单元用于识别所述等比例电压波形信号的幅值和方向。

信号处理模块3的一个功能是获得雷电流幅值、方向并将其数字化，该部分主要采用峰值保持、电压基准电路和电压比较器依次连接而成，即幅值方向分析单元，设置在数据采集模块2的积分电路之后。

信号处理模块3另一个功能是利用处理后的等比例电压波形信号波形计算其频率分量分布，根据设定的判据20lg(Amax/A)≤40，即以相对分量为最大分量的1％为界，得到电流主要频率分量范围f＜fm，原理如图3所示。该部分即频谱计算单元，设置在积分电路之后，由频谱计算电路、频率分量分析电路依次连接组成。

三、雷击识别模块

雷击识别模块4包括动作原因判断单元、雷击类型判断单元、雷击动作计数单元。

a.动作原因判断单元

从频谱角度判断测量电流是否为雷电过电压泄流形成；若是，则输出高电平(R＝1)，否则输出低电平(R＝0)。

根据电流频率分量分布得到频率临界值fm，若fm＜15kHz，则认为线路避雷器6的动作由操作过电压造成，若fm＞80kHz，则认为线路避雷器6的动作由雷击过电压造成。可见，其对线路避雷器动作原因的判断过程实际上是在雷击过电压和误操作过电压这两个原因之间选择的过程，可以基于本技术领域已有的选择电路来实现。

上述的操作过电压、雷电过电压动作识别原理如下：

1、两种类型过电压的特点

①操作过电压：持续时间从数百μs到工频的若干周波，可归纳为两种典型波形：一是在工频电压分量上叠加一个数百到数千赫兹的高频衰减性振荡波；二是在工频电压分量上叠加一个非周期性冲击波，波前时间为0.1～0.5ms，半峰值时间约3～4ms，频率在几千赫兹Hz以内。

②雷电过电压：波前时间位于1～4μs的范围内，平均为2.6μs左右；波长(半峰值时间)位于20～100μs的范围内，多数为40μs左右，频率在10k～100kHz。

2、验证

如图4—6给出了雷电过电压(绕击和反击)、操作过电压的情况下，由仿真计算得到的线路避雷器6的动作电流、通过杆塔入地的电流的频率分量分布图，图中纵坐标为电流值，横坐标为时间，图4(a)为雷电绕击时线路避雷器的电流分布，图4(b)为雷电绕击时通过杆塔入地的电流分布，图5(a)为雷电反击时线路避雷器的电流分布，图5(b)为雷电反击时通过杆塔入地的电流分布，图6为操作过电压下线路避雷器动作电流。从上可见，不同情况下避雷器动作时间分别为：雷击(＜200μs、μs级)，操作过电压(＞2ms、ms级)，雷电电流频率分量主要分布如下：雷电绕击(0～120kHz)，雷电反击(0～100kHz)，操作过电压(0～10kHz)，与上文所述一致。

b.雷击类型判断单元

记设置在线路避雷器6的穿心式电流互感器8测量的电流的方向为D1，设置在塔身7的穿心式电流互感器8测量到的电流方向为D2，D1和D2统称为D，其中线路避雷器6上的穿心式电流互感器8的电流正方向记为导线→横担，塔身7的穿心式电流传感器的电流正方向为横担→地表，若识别电流为正方向，则令D＝1，否则为D＝0。将D1、D2、EN(接动作原因信号R)的数字量分别作为如图7所示逻辑电路的输入，得到代表雷击类型S、雷电极性T的两个数字量。其中左侧同或门具有使能功能，EN端输入量为R，即仅在避雷器动作因雷击引起时电路才工作，输出S＝1时为绕击、S＝0时为反击；右侧为异或门，输出T＝1时为正极性雷、输出T＝0时为负极性雷。

雷电极性、雷击类型判断原理：

1、绕击时，雷电流来源于导线，线路避雷器6动作后，雷电泄流流经线路避雷器6，并通过杆塔入地。

2、反击时，雷电流来源于杆塔顶，线路避雷器6动作后，雷电泄流一部分经过线路避雷器6进入导线，另一部分通过杆塔入地。

雷电极性、雷击类型传感器测量电流属性及逻辑判断真值表如表1、2所示。

雷电极性	雷击类型	避雷器电流流向	塔身7电流流向
				正	绕击	导线→横担	横担→地表
正	反击	横担→导线	横担→地表
				负	绕击	导线→横担	横担→地表
负	反击	横担→导线	横担→地表

表1

雷电极性(T)	雷击类型(S)	避雷器电流方向(D1)	塔身7电流方向(D2)
				1	1	1	1
1	0	0	1
				0	1	0	0
0	0	1	0

表2

c.雷击动作计数单元

采用具有使能功能的计数器，若判断动作原因为雷击，即R＝1，则自动令计数器将雷击动作次数加1，同时记录雷击动作时间，并存入存储器。

参见图9，数据采集模块2、信号处理模块3、雷击识别模块4按照上述的信号流向连接在一起。

四、供电模块

供电模块1包括太阳能电板及电池，条件允许时也可采用感应取能方法供电；装置用电部分包括积分电路、信号处理电路、逻辑电路、计数器等各种有源电路，且以直流供电为主。能量来源主要为太阳能，如导线流过交流电及绝缘配合满足要求，可采用导线感应取能作为补充。供电模块1可采用如图8所示框图结构。

优选地，还可以设置信息发送模块，以便及时向运维人员发送雷击诊断及实时报警信息。

五、信息发送模块

信息发送模块5包括与所述信号处理模块3相连的数据存储单元，以及通过GPRS/GSM向运维人员发送诊断和报警报告的GPRS/GSM发射单元。

根据不同处理阶段保存在存储单元中的数据，在明确雷击引起线路避雷器6动作的前提下，即R＝1，整合上述各模块、单元处理分析得出的信息，包括雷电极性、雷击类型、避雷器动作时间及动作电流幅值等，按照预先存好的联系人列表，将上述信息通过GPRS/GSM通信模块进行远距离传输，以GPRS传输模式、也可采用GSM模式通过SIM卡直接与手机终端进行通讯，将信息以短信方式发送至相关人员的手机，该GPRS/GSM发射单元可由单片机搭建，通过串口进行AT命令发送和数据传输。

本实用新型结构简单、合理，能记录线路避雷器6的动作时间、动作原因和次数，从而可与具体的雷击事件相对照，用于雷击事件分析，并通过线路避雷器6动作时泄流电流波形参数，对线路避雷器6动作原因、雷击类型进行识别，及时向运维人员发送提示信息，以便迅速开展路线特巡、排查隐患或检修。

上列详细说明是针对本实用新型可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本实用新型的专利范围，凡未脱离本实用新型所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (4)

1.基于线路避雷器的雷击诊断及实时报警装置，设置在安装线路避雷器的杆塔上，其特征在于，包括：用于测量引发线路避雷器动作的泄流电流的数据采集模块，与数据采集模块相连并将所述泄流电流进行模数转换以获取泄流电流的幅值、方向和频谱信息的信号处理模块，根据所述泄流电流的幅值、方向和频谱信息判断引发线路避雷器动作的原因，并在雷击引发线路避雷器动作时识别并存储雷电极性、雷击类型、线路避雷器动作时间和次数的雷击识别模块，该雷击识别模块与所述信号处理模块相连；还包括分别与所述数据采集模块、信号处理模块、雷击识别模块相连并提供工作电源的供电模块。

2.根据权利要求1所述的基于线路避雷器的雷击诊断及实时报警装置，其特征在于，所述数据采集模块包括分别设置在塔身和线路避雷器保护阀上的穿心式电流互感器，所述穿心式电流互感器的输出端设有用于输出等比例电压波形信号的预处理电路，该预处理电路由依次电连接的整形、限幅和滤波电路组成。

3.根据权利要求2所述的基于线路避雷器的雷击诊断及实时报警装置，其特征在于，所述信号处理模块包括用于根据所述等比例电压波形信号的波形计算电流频率分量分布的频谱计算单元，以及用于识别所述等比例电压波形信号的幅值和方向的幅值方向分析单元。

4.根据权利要求3所述的基于线路避雷器的雷击诊断及实时报警装置，其特征在于，所述雷击识别模块包括用于分析所述频率分量并在雷击引发线路避雷器动作时输出高电平的动作原因判断单元，用于在接收到所述高电平时根据等比例电压波形信号的幅值和方向输出雷电极性和雷击类型的雷击类型判断单元，以及用于存储所述雷电极性、雷击类型以及线路避雷器动作时间和次数的雷击动作计数单元，所述动作原因判断单元、雷击类型判断单元、雷击动作计数单元依次电连接。