一种避雷器内部监测方法及系统

技术领域

本发明属于电源技术领域，具体涉及一种避雷器内部监测方法及系统。

背景技术

随着能源互联网的建设，各类智能终端的需求不断扩大，目前电网中智能电表等监测器已接入数亿台，未来在电网中将配备的智能终端更将数倍于此。能源互联网中对避雷器的在线监测具有迫切需求，避雷器可能由于密封不良、阀片老化等使避雷器泄漏电流增大，进一步使阀片过热，可能造成避雷器爆炸等事故，影响电力系统供电可靠性，威胁作业人员安全，因此对避雷器在线监测是建设能源互联网的重要部分。

由于避雷器恶劣的工作环境，使得避雷器监测设备的供电问题成为主要瓶颈。目前，对避雷器监测器的供电方案主要有太阳能供电、电容分压取电、电池供电等。太阳能结合蓄电池供电方式受地区、天气因素影响严重，供电可靠性低；电容分压取电中取电电路会影响取电电容分压比，带载能力有限，装置体积大；电池供电方式需要定期更换电池，造成大量人力物力浪费。因此提出利用避雷器泄漏电流取电方式，通过采集避雷器中微小的泄漏电流，不影响避雷器本身工作的同时能够为避雷器监测器提供可靠的电能。

此外，传统避雷器的主要挑战还有传统测量方法的准确度及可靠性存在限制。传统避雷器的监测方法主要是监测其全电流，其主要成分为容性电流及少部分阻性电流，而衡量避雷器劣化程度的主要指标为其阻性电流，但由于阻性电流仅占避雷器全电流的少部分，这使得通过测量全电流提取阻性电流难度较高。因此，传统的仅测量避雷器全电流、阻性电流的方法，容易受到测量、计算精度影响而使得测量数据不能反映避雷器老化等状况。而避雷器腔内温度作为避雷器老化的结果，进一步影响了避雷器腔内湿度及气压，综合测量避雷器腔内温湿度及气压数据可有效分析避雷器老化程度，及时反映避雷器异常状态。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种避雷器内部监测方法及系统，以解决避雷器自取能、全面监测问题。

本发明采用以下技术方案：

一种避雷器内部监测方法，在避雷器的低压侧串联取电阀片引出泄漏电流，使用测量模块测量避雷器泄漏电流；使用传感器采集避雷器内部温湿度及气压信息，通过单片机及通讯模块将采集的温湿度及气压信息数据发送给服务器，通过服务器为用户提供避雷器泄漏电流、历史动作次数、温湿度及气压数据；

在避雷器动作时，取电阀片限制监测器在幅值0.05～20kA的8/20波形雷电流冲击下的过电压，测量模块发出雷击动作信号并触发取电模块供电，使单片机及通讯模块记录雷击信息并将当前避雷器泄漏电流、雷击信息、内部温湿度及气压数据发送至服务器，并记录为一次避雷器动作状态，完成内部监测。

具体的，测量模块在供电工作期间测量0～6mA的避雷器泄漏电流，在避雷器承受0.05～20kA冲击电流时产生雷击动作信号并触发取电模块工作，为单片机及通讯模块提供雷击信息。

具体的，取电阀片引出的泄漏电流为0～10mA，

本发明的另一个技术方案是，一种内置型避雷器监测系统，包括：

取电阀片，取电阀片串联在避雷器与接地之间，用于收集避雷器中的泄漏电流，在避雷器动作时取电阀片用于旁路大电流；

测量模块，用于测量取电阀片引出的泄漏电流和雷击动作信息，具备测量与非测量全时段的雷击保护及动作记录能力；

取电模块，用于从避雷器中收集泄漏电流为整个监测系统供电；

传感器，用于采集避雷器腔体内的温湿度及气压信息；

单片机及通讯模块，用于获取测量模块和传感器的数据并发送至服务器；

服务器，用于接收测量模块和传感器发送的避雷器状态信息，完成避雷器运行状况监测。

具体的，取电模块的输出端与测量模块、传感器和单片机及通讯模块的供电端连接。

具体的，传感器包括温度、湿度和气压传感器。

具体的，取电阀片、测量模块、取电模块、传感器、单片机及通讯模块和传感器设置在避雷器的腔体中。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

一种内置型避雷器监测系统的工作方法，可实现基于避雷器泄漏电流、动作信息、内部温湿度及气压的在线监测，并通过取电模块实现避雷器监测装置长期工作，通过通讯模块实现数据远传。

本发明一种内置型避雷器监测系统，可通过收集0.2～3mA避雷器泄漏电流间歇性地为负载供电，实现对避雷器持续进行1～200mW功率获取，尤其是1～5mW微功率的长时间获取。通过时间积累，将长时间低功率转换为短时间的大功率供电，可满足常规监测及通讯的0.1～3W功率需求。取电模块在充电阶段直接收集泄漏电流并储能，在放电阶段将电能供给测量模块、传感器、单片机及通讯模块，完成对避雷器的在线监测。

进一步的，测量模块在工作时测量避雷器泄漏电流、可提供避雷器泄漏全电流值；在避雷器承受0.05～20kA冲击电流时产生雷击动作信号，启动取电模块工作并立即进行供电，并进一步提供雷击信号至单片机。

具体的，测量模块具备测量与非测量全时段的雷击保护与动作记录能力。在稳态时，通过断开继电器使得泄漏电流对取电模块充电，通过闭合继电器使得泄漏电流通过采样电阻，进而将泄漏电流波形通过隔离模数转换器发送至单片机；在避雷器动作时，通过限流电阻、保护电感、TSS抑制采样电阻浪涌电流，通过触发电阻、三极管、雷击限流电阻导通发光二极管，雷击限流电阻抑制取电模块浪涌电流，启动取电模块工作。

进一步的，传感器包括温度、湿度和气压传感器，分别测量避雷器腔体内部温度、湿度和气压，基于三种测量数据，结合密闭容器中温度湿度气压关系，可用于分析、判断避雷器是否处于阀片老化、密封不良、潮气过多等异常状态。

进一步的，取电阀片、测量模块、取电模块、传感器、单片机及通讯模块、传感器均内置于避雷器腔体内，可使得避雷器本体及取电、监测、通讯一体化，无需现场另行安装监测器等装置。

进一步的，取电模块通过收集避雷器泄漏电流，持续获取毫瓦级微功率，通过储能-放电方式，可在放电期间提供0.1～3W功率，为测量模块、传感器、单片机及通讯模块供电，可使避雷器监测装置无需外部供电或储能装置供电。

综上所述，本发明可自主通过避雷器泄漏电流取电，获取避雷器泄漏电流、动作次数、内部温湿度及气压数据，并发送至服务器，整套装置可集成在避雷器腔体内，实现避雷器、监测器一体化。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明原理图；

图2为测量模块电路原理图。

其中：1.取电阀片；2.测量模块；3.取电模块；4.传感器；5.单片机及通讯模块；6.服务器。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种避雷器内部监测方法及系统，通过收集0.2～3mA避雷器泄漏电流间歇性地为负载供电，实现对避雷器持续进行1～200mW功率获取，尤其是1～5mW微功率的长时间获取。通过时间积累，将长时间低功率转换为短时间的大功率供电，可满足常规监测及通讯的0.1～3W功率需求。取电模块在充电阶段直接收集泄漏电流并储能，在放电阶段将电能供给测量模块、传感器、单片机及通讯模块，完成对避雷器的在线监测。

一种避雷器内部监测方法，在避雷器承受其额定工作电压的正常工作情况下，通过在避雷器的低压侧串联取电阀片1以获取泄漏电流，测量模块2测量避雷器泄漏电流；

取电模块3通过收集泄漏电流，为测量模块2、传感器4、单片机及通讯模块5供电；传感器4采集避雷器内部温湿度及气压等信息发送给单片机及通讯模块5；单片机及通讯模块5通过有线或无线方式将避雷器状态远传给服务器6，服务器6提供避雷器泄漏电流泄漏电流、历史动作次数、温湿度及气压数据给用户。

在避雷器出现冲击电流时，取电阀片1限制监测器在雷电流冲击下的过电压，测量模块2发出雷击动作信号，触发供电模块立即供电，并触发单片机记录雷击信息，单片机及通讯模块5发送当前避雷器泄漏电流、雷击信息、内部温湿度及气压数据至服务器，并记录为一次避雷器动作。

请参阅图1，本发明一种内置型避雷器监测系统，包括取电阀片1、测量模块2、取电模块3、传感器4、单片机及通讯模块5、服务器6。

取电阀片1在稳态下处于50V以下低电压、200uA以内电流的截止状态，可引出避雷器泄漏电流至后续测量模块及取电模块；在避雷器出现冲击电流时处于电压钳位、大通流的导通状态，可限制在避雷器动作时监测装置的过电压。

请参阅图2，测量模块2在取电模块未供电期间，继电器断开，使泄漏电流通过限流电阻、触发电阻输出至取电模块，不进行测量工作；在取电模块供电期间，继电器通电闭合，使泄漏电流通过继电器、保护电感和采样电阻，在采样电阻上产生压降，并通过隔离模数转换器采集采样电阻电压波形至单片机，即可反映泄漏电流波形。在取电模块未供电期间，若避雷器出现冲击电流，利用瞬时大电流通过限流电感、全桥整流对高压电容充电至数千伏，并使触发电阻电压升高，导通三极管，使高压电容通过雷击限流电阻、发光二极管向取电模块放电，进一步发光二极管产生雷击动作光信号触发取电模块工作；在取电模块供电期间，若避雷器出现冲击电流，利用限流电感、保护电感、限流电阻限制采样电阻上瞬时电流，防止瞬时大电流损坏采样电阻及隔离AD等，同时在采样电阻上并联设置TSS用于采样电阻的后备保护，单片机通过分析采样波形，即可判断本次工作期间是否存在雷击动作。

取电模块3以避雷器泄漏电流为输入，用于为测量模块2、传感器4、单片机及通讯模块5供电，在正常情况下未出现雷击动作时进行周期性供电，即每隔1～120min供电一次，单次供电时长5～30s，上述参数受避雷器泄漏电流、负载大小、储能大小等影响；在某一时刻，出现冲击电流，则接收测量模块发送的雷击动作光信号后立即进行供电。

传感器4用于采集避雷器内部的温湿度和气压信息，在供电模块供电期间采集数据并发送至单片机。

单片机及通讯模块5用于获取测量模块2、传感器4数据并远传至服务器6。

服务器6通过获取的数据，显示避雷器泄漏电流、雷击动作、温湿度及气压信息，分析避雷器状态，判断是否出现阀片老化、密封不良、潮气过多等异常现象。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

10kV内置型避雷器监测系统

取电阀片1的压敏电压为1kV，通流5kA；

测量模块2包括小电流测量模块、雷击计数模块。

取电模块3稳态工作输入电流0～3mA，直流输出5V。

传感器4包括温湿度及气压传感器。

单片机及通讯模块5包括MSP430单片机及外围电路、NBIOT通讯模块。

服务器6为变电站内综合自动化系统服务器。

本10kV线路内置型避雷器监测系统1～5部分装设在10kV避雷器腔体内，能够测量10kV避雷器泄漏电流、动作信息、内部温湿度及气压数据并发送至站内自动化系统，并通过泄漏电流自主供电，实现10kV避雷器的在线监测、取电、通讯一体化。

实施例2

35kV内置型避雷器监测系统

取电阀片1的压敏电压为3kV，通流10kA；

测量模块2包括小电流测量模块、雷击计数模块。

取电模块3稳态工作输入电流0～5mA，直流输出3.3V。

传感器4包括温湿度及气压传感器。

单片机及通讯模块5包括STM32单片机及外围电路、4G通讯模块。

服务器6为云服务器。

本35kV线路内置型避雷器监测系统1～5部分装设在35kV避雷器腔体内，能够测量35kV避雷器泄漏电流、动作信息、内部温湿度及气压数据并发送至云服务器，并通过泄漏电流自主供电，实现35kV避雷器的在线监测、取电、通讯一体化。

实施例3

110kV内置型避雷器监测系统

取电阀片1的压敏电压为3kV，通流20kA；

测量模块2包括小电流测量模块、雷击计数模块。

取电模块3稳态工作输入电流0～10mA，直流输出12V。

传感器4包括温湿度及气压传感器。

单片机及通讯模块5包括MSP430单片机及外围电路、5G通讯模块。

服务器6为云服务器。

本35kV线路内置型避雷器监测系统1～5部分装设在35kV避雷器腔体内，能够测量35kV避雷器泄漏电流、动作信息、内部温湿度及气压数据并发送至云服务器，并通过泄漏电流自主供电，实现35kV避雷器的在线监测、取电、通讯一体化。

上述实施例1～3，覆盖电压等级10～110kV范围避雷器的在线监测、通讯及自取能，及其腔内一体化。

综上所述，本发明一种内置型避雷器监测系统及其方法，通过取电阀片收集避雷器中的泄漏电流，并限制在避雷器动作并出现高幅值冲击电流时取电模块的过电压；取电模块以避雷器泄漏电流为输入，为测量模块、传感器、单片机及通讯模块供电；测量模块测量避雷器泄漏电流、雷击动作记录；传感器测量避雷器腔内温湿度、气压等信息；单片机及通讯模块获取测量模块、传感器数据并远传至服务器；服务器通过获取的数据，显示避雷器泄漏电流、雷击动作记录、温湿度及气压信息并分析避雷器状态。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。