一種避雷器阻性電流趨勢分析和故障預(yù)警方法

周水斌，梁武民，雍明超，鄭 浩，曾國輝，毛麗娜，牧繼清

（1.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌，461000；2.國網(wǎng)安徽省電力公司，合肥，230000）

一種避雷器阻性電流趨勢分析和故障預(yù)警方法

周水斌1，梁武民1，雍明超1，鄭 浩2，曾國輝1，毛麗娜1，牧繼清1

（1.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌，461000；2.國網(wǎng)安徽省電力公司，合肥，230000）

針對避雷器阻性電流測量數(shù)據(jù)易受環(huán)境影響，并造成避雷器在線監(jiān)測裝置誤告警的問題，提出一種克服環(huán)境影響的避雷器故障預(yù)警方法。通過對已運行避雷器在線監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)分析，提出對阻性電流日最小值進(jìn)行最小二乘擬合，實現(xiàn)避雷器阻性電流的趨勢分析，然后對擬合值及避雷器相關(guān)告警數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，實現(xiàn)避雷器狀態(tài)的故障預(yù)警。結(jié)果表明，該方法可在一定程度上避免環(huán)境影響造成阻性電流誤告警，提高預(yù)警的可靠性。

避雷器； 在線監(jiān)測； 阻性電流；環(huán)境影響； 故障預(yù)警

0 引言

避雷器是電網(wǎng)中保護(hù)電力設(shè)備免受過電壓危害的重要電氣設(shè)備，其運行的可靠性將直接影響電力系統(tǒng)的安全[1-2]。避雷器在線監(jiān)測技術(shù)在新建智能變電站和變電站智能化改造中得到了廣泛的應(yīng)用，并發(fā)揮著積極的作用，有力保障了電力系統(tǒng)的可靠性[3-4]。國家電網(wǎng)公司已出臺相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對避雷器監(jiān)測裝置的系統(tǒng)可靠性、電磁兼容試驗以及故障預(yù)警方案進(jìn)行了規(guī)定[5]。目前已投運的產(chǎn)品由于性能參差不齊等因素造成裝置誤報率高，制約了避雷器在線監(jiān)測的進(jìn)一步推廣。為充分發(fā)揮避雷器監(jiān)測裝置的作用，保障變電主設(shè)備安全穩(wěn)定運行，文獻(xiàn)[6]分析了避雷器監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)的影響因素和誤報原因，指出要提高阻性電流抗環(huán)境溫度、濕度和電磁干擾的能力，減少環(huán)境和接線對數(shù)據(jù)的影響。

為解決上述問題，一大批專家學(xué)者從不同的角度進(jìn)行了研究[7-10]。文獻(xiàn)[11]提出了一種基于光纖FT3采樣值通訊的避雷器監(jiān)測裝置，裝置的抗電磁干擾的能力有了很大的提升，同時采樣值信號也便于后級進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。而對于解決環(huán)境溫度和濕度的影響問題，目前給出的處理方法很少。文獻(xiàn)[12]通過經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（EMD）算法實現(xiàn)了在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的趨勢提取，該方法對數(shù)據(jù)的趨勢分析有很好的作用，但無法抑制端點效應(yīng)，造成基于該方法提取的數(shù)據(jù)無法避免在端點處的誤告警問題。

筆者針對避雷器阻性電流易受環(huán)境溫度和濕度等影響提出一種阻性電流趨勢分析和故障預(yù)警方法，首先對已運行避雷器阻性電流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出對阻性電流日監(jiān)測最小值進(jìn)行最小二乘擬合來實現(xiàn)避雷器阻性電流的趨勢分析；其次根據(jù)擬合直線對應(yīng)的跳變直線來判別當(dāng)前阻性電流是否發(fā)生跳變；最后比較不同相的阻性電流是否存在跳變來實現(xiàn)阻性電流的故障預(yù)警，避免環(huán)境溫濕度變化造成裝置的誤告警，提高監(jiān)測裝置預(yù)警的可靠性。

1 原理分析

目前，國家電網(wǎng)公司已出臺相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對避雷器監(jiān)測裝置的系統(tǒng)可靠性、電磁兼容試驗以及故障預(yù)警方案進(jìn)行了規(guī)定[3-5]，文獻(xiàn)[5]對運行中避雷器持續(xù)電流監(jiān)測預(yù)警指出：避雷器預(yù)警應(yīng)通過與歷史數(shù)據(jù)及同組間其他避雷器的測量結(jié)果相比較做出判斷，彼此應(yīng)無明顯差異。當(dāng)阻性電流增加0.5倍時，應(yīng)縮短試驗周期并加強監(jiān)測，增加1倍時，應(yīng)停電檢測。

由于避雷器安裝環(huán)境、結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)廠家不同，避雷器在線監(jiān)測數(shù)據(jù)易受環(huán)境溫度、濕度、降雨和避雷器外表面污穢的影響，極易造成避雷器在線監(jiān)測裝置的誤告警。

通過對避雷器阻性電流歷史數(shù)據(jù)的研究發(fā)現(xiàn)：避雷器監(jiān)測數(shù)據(jù)與其運行環(huán)境的變化密切相關(guān)，存在某種周期性，且影響是可逆的，而避雷器氧化鋅電阻片真實老化或受潮缺陷是不可逆的，且變化緩慢[8]。避雷器阻性電流與避雷器運行環(huán)境的變化在某一時間間隔內(nèi)的變化趨勢是一致的，具體見圖1，其阻性電流日最小值的擬合直線，如直線L1，其最大值的擬合直線，如直線L2。

圖1 避雷器阻性電流歷史曲線Fig.1 History curve of arrester resistive current

從圖1可看出：1）在1天內(nèi)避雷器阻性電流隨著環(huán)境溫度或濕度變化也相應(yīng)發(fā)生變化，阻性電流的日最小值可以認(rèn)為是避雷器受溫度或濕度等綜合影響最小的時刻；2）阻性電流日最小值在一段時間內(nèi)符合以離散分布并且總體呈直線的軌跡，因此對其進(jìn)行擬合[13]能反映避雷器阻性電流的運行趨勢，具體如直線L1所示。3）避雷器正常運行時阻性電流會在某一范圍內(nèi)正常波動，如在直線L1和直線L2之間變化，當(dāng)遇到異常情況時，阻性電流值才會在這兩條直線之外，因此直線L1和L2能反映阻性電流受影響的大小。

考慮避雷器監(jiān)測參量受季節(jié)變化、天氣條件如刮風(fēng)及雨雪天氣等影響，筆者提出通過對在一定時間間隔內(nèi)（60天）的避雷器阻性電流日最小值進(jìn)行擬合得到的擬合值、避雷器當(dāng)前實際值、考慮不同地域的天氣條件設(shè)定的擬合值對應(yīng)的跳變值以及避雷器阻性電流的告警閾值進(jìn)行對比分析，同時比較同組間其他避雷器的阻性電流變化特點來避免由于環(huán)境影響造成裝置的誤告警，提高監(jiān)測裝置預(yù)警的可靠性。

2 總體方案

2.1 系統(tǒng)方案

筆者采用基于光纖FT3采樣值通訊的避雷器監(jiān)測裝置。電流信號通過FT3采樣點方式接入，電壓信號借助合并單元或具有合并單元功能的IED接入。避雷器監(jiān)測裝置根據(jù)電流和電壓采樣值信號進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)計算和預(yù)警工作，系統(tǒng)構(gòu)成見圖2。

圖2 基于FT3光纖通信的避雷器監(jiān)測系統(tǒng)圖Fig.2 Lightning arrester monitoring system based on FT3 optical fiber communication

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理包括重采樣及數(shù)據(jù)同步、全周傅式算法和基波投影法，實現(xiàn)避雷器A相、B相和C相的阻性電流值的計算，同時提取阻性電流每天的最小值，存入日最小值數(shù)組，具體流程見圖3。

圖3 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備流程圖Fig.3 Flow chart of data preparation

2.2.1 重采樣及同步

避雷器監(jiān)測裝置根據(jù)電流和電壓數(shù)據(jù)的額定延時，記錄采樣值時刻。根據(jù)采樣序號和延時還原站內(nèi)實際采樣時刻，最后對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的重采樣同步。筆者采用Lagrange插值[14]實現(xiàn)，保證電流和電壓數(shù)據(jù)的同步。

2.2.2 全周傅式算法

設(shè)x（n）是一個長度為M的有限長序列，則x（n）的N點離散傅里葉變換為

式中：Ts為采樣間隔；x（k）為第k采樣點值；ω為原始信號頻率。根據(jù)歐拉公式對式 （1）進(jìn)行化簡得到。

式中，N為每周波信號采樣點數(shù)，則原始號基波分量的實部和虛部見式（3）和式（4）

進(jìn)而求得采樣值信號基波分量的幅值和相位。

式中，X為基波分量模值，a為基波分量相位。最后根據(jù)基波投影法計算各相避雷器的阻性電流。

2.2.3 阻性電流日最小值

裝置正常運行時，裝置每間隔1h取1個值，每天取24 h的最小值作為阻性電流日最小值；為避免連續(xù)異常環(huán)境造成阻性電流日最小值較大，從而造成擬合曲線偏差過大，本文根據(jù)現(xiàn)場運行及氣候特征采用連續(xù)存儲60天的阻性電流日最小值數(shù)據(jù)，并存入數(shù)組Ir[60]。

在監(jiān)測裝置初始投入運行時，取穩(wěn)定后阻性電流日最小值Iinit對阻性電流數(shù)組初始化，每天進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。

2.3 故障預(yù)警準(zhǔn)備

故障預(yù)警準(zhǔn)備包括避雷器阻性電流實時值提取、告警閾值設(shè)置、最小二乘擬合值的計算以及跳變閾值的計算。

1）實時值：鑒于避雷器真實缺陷的發(fā)展速度不會太迅速，因此采用每小時的最小值作為實時值Ireal。每間隔1min取一個值，連續(xù)取60個值，實時值Ireal為60個數(shù)的最小值。

2）告警閾值：避雷器告警閾值根據(jù)文獻(xiàn)[13]變電設(shè)備帶電檢測工作指導(dǎo)意見的要求，當(dāng)阻性電流值比初始運行穩(wěn)定阻性電流值增加1倍時的值作為告警定值Iset。

3）最小二乘擬合值：通過歷史數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，避雷器阻性電流日最小值符合線性的特征，因此將避雷器阻性電流最小值擬合曲線為直線方程，如式（7）所示：

對于最小值數(shù)組Ir[60]，式（7）中直線的橫坐標(biāo)用數(shù)組序號x表示，每天的最小值用y表示，參數(shù)a和b分別為該直線的系數(shù)。最小二乘法原理的誤差項Q如式（8）所示：

則避雷器當(dāng)前時刻的擬合值Ifit可以根據(jù)直線方程進(jìn)行計算，如式（11）所示：

4）跳變閾值的計算：避雷器在正常運行環(huán)境影響下，其阻性電流有一個正常的數(shù)據(jù)波動范圍。跳變閾值Ijump是根據(jù)當(dāng)前阻性電流日最小擬合值直線進(jìn)行設(shè)置，如式（12）所示：

式中，ΔIfit是根據(jù)投運后避雷器在正常運行環(huán)境下的阻性電流波動范圍進(jìn)行設(shè)置，以判別避雷器數(shù)據(jù)是否由于某種原因發(fā)生跳變。

3 預(yù)警處理方法

3.1 判別方法

根據(jù)避雷器阻性電流的當(dāng)前擬合值Ifit、當(dāng)前跳變值Ijump、實時值Ireal和避雷器的告警閾值Iset進(jìn)行預(yù)警判別，其幾何對應(yīng)關(guān)系見圖4。以A相避雷器為例具體流程見圖5。

圖4 避雷器相關(guān)診斷參量關(guān)系Fig.4 Relationship of arrester diagnostic parameters

圖5 雷器診斷流程圖Fig.5 Flow chart of arrester diagnosis

1）首先對電流當(dāng)前實時值Ireal與避雷器告警閾值 Iset進(jìn)行比較，若 Ireal＞Iset時,則轉(zhuǎn)入 2），否則不進(jìn)行后級預(yù)警處理。

2）對歷史最小值數(shù)據(jù)直線擬合計算當(dāng)前擬合值Ifit，判斷擬合值是否大于告警閾值。當(dāng) Ifit＞Iset時，如圖中C區(qū)所示。裝置固定進(jìn)行告警。若Ifit＜Iset時，則進(jìn)入 3）。

3）當(dāng)實時值Ireal＞Iset，則數(shù)據(jù)發(fā)生在A或者B區(qū)。若此時數(shù)據(jù)在 B 區(qū)，即 Ifit＜Ireal＜Ijump，則說明該實時數(shù)據(jù)未跳變，但是該值已接近裝置告警閾值，因此裝置固定預(yù)警。若在A區(qū)，則轉(zhuǎn)入4）。

4）當(dāng)實時值在A區(qū)時無法判別該相是否進(jìn)行告警，因此需引入同間隔的B相和C相數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合判別。引入橫向比較法，此時A相固定跳變，分別判別同間隔的B相和C相數(shù)據(jù)是否發(fā)生跳變，如表1和表2所示，其中當(dāng)實際值大于跳變值為1，否則為0。

當(dāng)避雷器三相阻性電流中有兩相及以上存在跳變，則當(dāng)前避雷器閉鎖告警，見表1。

表1 當(dāng)有兩相及以上發(fā)生跳變時Table 1 when two or more phases'transition occurs

當(dāng)僅有A相發(fā)生跳變時，則進(jìn)行預(yù)警，此時針對快速變化的故障情況下的預(yù)警，見表2。

表2 當(dāng)僅一相發(fā)生跳變時Table 2 when only one phase's transition occurs

B相和C相阻性電流預(yù)警方法與A相方法相同。

3.2 試驗驗證

本方法利用最小值擬合直線體現(xiàn)避雷器阻性電流的變化趨勢，同時利用最小擬合直線對應(yīng)的跳變直線能真實反映數(shù)據(jù)是否發(fā)生突變，降低了單獨采用告警閾值造成避雷器阻性電流的誤告警。

在實驗室分別模擬：1）當(dāng)電流擬合值大于告警閾值時；2）當(dāng)電流實際值大于告警閾值但小于跳變閾值時；3）當(dāng)實際值大于告警閾值且大于跳變閾值時，驗證本方法的有效性。

目前該方案已在湖北仙桃220 kV瑞豐變、甘肅330 kV紅沙崗變電站等工程進(jìn)行了長期的掛網(wǎng)運行，未發(fā)現(xiàn)裝置有異常告警現(xiàn)象。

本方案的試驗驗證結(jié)果與設(shè)計方案一致，而直接按照閾值告警方案進(jìn)行預(yù)警的方法在電流實際值大于告警閾值時均出現(xiàn)告警現(xiàn)象，而在電流實際值小于告警閾值時均返回，未考慮數(shù)據(jù)跳變的影響。

4 結(jié)語

通過對已運行避雷器阻性電流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出一種對阻性電流的日監(jiān)測最小值進(jìn)行最小二乘擬合，根據(jù)擬合直線對應(yīng)的跳變直線來判別阻性電流是否發(fā)生跳變。同時比較相鄰相阻性電流狀態(tài)來實現(xiàn)阻性電流的預(yù)警，提高避雷器監(jiān)測預(yù)警的可靠性，降低了環(huán)境變化對避雷器監(jiān)測結(jié)果的影響。

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A Resistive Current Trend Analysis and Fault Warning Method for Lightning Arrester

ZHOU Shuibin1， LIANG Wumin1， YONG Mingchao1， ZHENG Hao2， ZENG Guohui1，MAO Lina1，MU Jiqing1
（1.XJ Electric Co.,Ltd.,Xuchang 461000， China;2.State Grid Anhui Electric Power Company， Hefei 230000， China）

Aiming at solving the problem that the on-line monitoring data of the lightning arrester is vulnerable to the influence of environmental temperature and humidity，which caused the false alarm， a fault prognosis method is proposed.Through the analysis of historical running data of the arrester online monitoring device，the arrester current trend analysis is realized by the least squares fitting of the resistive current daily minimum value.The warning and alarm of the lightning arrester is realized by the fitting and related alarm data of lightning arrester are compared and analyzed.The practical verification shows that the method can effectively avoid the influence of ambient temperature and humidity of the resistive current false alarm，and improve the reliability of fault warning.

lightning arrester； on-line monitoring； resistive current； environmental impact； fault warning

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.02.009

2016-08-15

周水斌 （1975—），男，碩士，高級工程師，主要研究方向：智能變電站過程層設(shè)備研究。

國網(wǎng)公司科技項目："智能高壓設(shè)備傳感器即插即用技術(shù)研究和產(chǎn)品研制"。