周水斌，梁武民，雍明超，郑 浩，曾国辉，毛丽娜，牧继清

（1.许继电气股份有限公司，河南 许昌，461000；2.国网安徽省电力公司，合肥，230000）

一种避雷器阻性电流趋势分析和故障预警方法

周水斌1，梁武民1，雍明超1，郑 浩2，曾国辉1，毛丽娜1，牧继清1

（1.许继电气股份有限公司，河南 许昌，461000；2.国网安徽省电力公司，合肥，230000）

针对避雷器阻性电流测量数据易受环境影响，并造成避雷器在线监测装置误告警的问题，提出一种克服环境影响的避雷器故障预警方法。通过对已运行避雷器在线监测历史数据分析，提出对阻性电流日最小值进行最小二乘拟合，实现避雷器阻性电流的趋势分析，然后对拟合值及避雷器相关告警数据进行对比分析，实现避雷器状态的故障预警。结果表明，该方法可在一定程度上避免环境影响造成阻性电流误告警，提高预警的可靠性。

避雷器； 在线监测； 阻性电流；环境影响； 故障预警

0 引言

避雷器是电网中保护电力设备免受过电压危害的重要电气设备，其运行的可靠性将直接影响电力系统的安全[1-2]。避雷器在线监测技术在新建智能变电站和变电站智能化改造中得到了广泛的应用，并发挥着积极的作用，有力保障了电力系统的可靠性[3-4]。国家电网公司已出台相关标准对避雷器监测装置的系统可靠性、电磁兼容试验以及故障预警方案进行了规定[5]。目前已投运的产品由于性能参差不齐等因素造成装置误报率高，制约了避雷器在线监测的进一步推广。为充分发挥避雷器监测装置的作用，保障变电主设备安全稳定运行，文献[6]分析了避雷器监测装置数据的影响因素和误报原因，指出要提高阻性电流抗环境温度、湿度和电磁干扰的能力，减少环境和接线对数据的影响。

为解决上述问题，一大批专家学者从不同的角度进行了研究[7-10]。文献[11]提出了一种基于光纤FT3采样值通讯的避雷器监测装置，装置的抗电磁干扰的能力有了很大的提升，同时采样值信号也便于后级进行数据处理。而对于解决环境温度和湿度的影响问题，目前给出的处理方法很少。文献[12]通过经验模态分解（EMD）算法实现了在线监测数据的趋势提取，该方法对数据的趋势分析有很好的作用，但无法抑制端点效应，造成基于该方法提取的数据无法避免在端点处的误告警问题。

笔者针对避雷器阻性电流易受环境温度和湿度等影响提出一种阻性电流趋势分析和故障预警方法，首先对已运行避雷器阻性电流数据进行分析，提出对阻性电流日监测最小值进行最小二乘拟合来实现避雷器阻性电流的趋势分析；其次根据拟合直线对应的跳变直线来判别当前阻性电流是否发生跳变；最后比较不同相的阻性电流是否存在跳变来实现阻性电流的故障预警，避免环境温湿度变化造成装置的误告警，提高监测装置预警的可靠性。

1 原理分析

目前，国家电网公司已出台相关标准对避雷器监测装置的系统可靠性、电磁兼容试验以及故障预警方案进行了规定[3-5]，文献[5]对运行中避雷器持续电流监测预警指出：避雷器预警应通过与历史数据及同组间其他避雷器的测量结果相比较做出判断，彼此应无明显差异。当阻性电流增加0.5倍时，应缩短试验周期并加强监测，增加1倍时，应停电检测。

由于避雷器安装环境、结构和生产厂家不同，避雷器在线监测数据易受环境温度、湿度、降雨和避雷器外表面污秽的影响，极易造成避雷器在线监测装置的误告警。

通过对避雷器阻性电流历史数据的研究发现：避雷器监测数据与其运行环境的变化密切相关，存在某种周期性，且影响是可逆的，而避雷器氧化锌电阻片真实老化或受潮缺陷是不可逆的，且变化缓慢[8]。避雷器阻性电流与避雷器运行环境的变化在某一时间间隔内的变化趋势是一致的，具体见图1，其阻性电流日最小值的拟合直线，如直线L1，其最大值的拟合直线，如直线L2。

图1 避雷器阻性电流历史曲线Fig.1 History curve of arrester resistive current

从图1可看出：1）在1天内避雷器阻性电流随着环境温度或湿度变化也相应发生变化，阻性电流的日最小值可以认为是避雷器受温度或湿度等综合影响最小的时刻；2）阻性电流日最小值在一段时间内符合以离散分布并且总体呈直线的轨迹，因此对其进行拟合[13]能反映避雷器阻性电流的运行趋势，具体如直线L1所示。3）避雷器正常运行时阻性电流会在某一范围内正常波动，如在直线L1和直线L2之间变化，当遇到异常情况时，阻性电流值才会在这两条直线之外，因此直线L1和L2能反映阻性电流受影响的大小。

考虑避雷器监测参量受季节变化、天气条件如刮风及雨雪天气等影响，笔者提出通过对在一定时间间隔内（60天）的避雷器阻性电流日最小值进行拟合得到的拟合值、避雷器当前实际值、考虑不同地域的天气条件设定的拟合值对应的跳变值以及避雷器阻性电流的告警阈值进行对比分析，同时比较同组间其他避雷器的阻性电流变化特点来避免由于环境影响造成装置的误告警，提高监测装置预警的可靠性。

2 总体方案

2.1 系统方案

笔者采用基于光纤FT3采样值通讯的避雷器监测装置。电流信号通过FT3采样点方式接入，电压信号借助合并单元或具有合并单元功能的IED接入。避雷器监测装置根据电流和电压采样值信号进行相关的数据计算和预警工作，系统构成见图2。

图2 基于FT3光纤通信的避雷器监测系统图Fig.2 Lightning arrester monitoring system based on FT3 optical fiber communication

2.2 数据预处理

数据预处理包括重采样及数据同步、全周傅式算法和基波投影法，实现避雷器A相、B相和C相的阻性电流值的计算，同时提取阻性电流每天的最小值，存入日最小值数组，具体流程见图3。

图3 数据准备流程图Fig.3 Flow chart of data preparation

2.2.1 重采样及同步

避雷器监测装置根据电流和电压数据的额定延时，记录采样值时刻。根据采样序号和延时还原站内实际采样时刻，最后对采样数据进行插值，实现数据的重采样同步。笔者采用Lagrange插值[14]实现，保证电流和电压数据的同步。

2.2.2 全周傅式算法

设x（n）是一个长度为M的有限长序列，则x（n）的N点离散傅里叶变换为

式中：Ts为采样间隔；x（k）为第k采样点值；ω为原始信号频率。根据欧拉公式对式 （1）进行化简得到。

式中，N为每周波信号采样点数，则原始号基波分量的实部和虚部见式（3）和式（4）

进而求得采样值信号基波分量的幅值和相位。

式中，X为基波分量模值，a为基波分量相位。最后根据基波投影法计算各相避雷器的阻性电流。

2.2.3 阻性电流日最小值

装置正常运行时，装置每间隔1h取1个值，每天取24 h的最小值作为阻性电流日最小值；为避免连续异常环境造成阻性电流日最小值较大，从而造成拟合曲线偏差过大，本文根据现场运行及气候特征采用连续存储60天的阻性电流日最小值数据，并存入数组Ir[60]。

在监测装置初始投入运行时，取稳定后阻性电流日最小值Iinit对阻性电流数组初始化，每天进行数据更新。

2.3 故障预警准备

故障预警准备包括避雷器阻性电流实时值提取、告警阈值设置、最小二乘拟合值的计算以及跳变阈值的计算。

1）实时值：鉴于避雷器真实缺陷的发展速度不会太迅速，因此采用每小时的最小值作为实时值Ireal。每间隔1min取一个值，连续取60个值，实时值Ireal为60个数的最小值。

2）告警阈值：避雷器告警阈值根据文献[13]变电设备带电检测工作指导意见的要求，当阻性电流值比初始运行稳定阻性电流值增加1倍时的值作为告警定值Iset。

3）最小二乘拟合值：通过历史数据研究发现，避雷器阻性电流日最小值符合线性的特征，因此将避雷器阻性电流最小值拟合曲线为直线方程，如式（7）所示：

对于最小值数组Ir[60]，式（7）中直线的横坐标用数组序号x表示，每天的最小值用y表示，参数a和b分别为该直线的系数。最小二乘法原理的误差项Q如式（8）所示：

则避雷器当前时刻的拟合值Ifit可以根据直线方程进行计算，如式（11）所示：

4）跳变阈值的计算：避雷器在正常运行环境影响下，其阻性电流有一个正常的数据波动范围。跳变阈值Ijump是根据当前阻性电流日最小拟合值直线进行设置，如式（12）所示：

式中，ΔIfit是根据投运后避雷器在正常运行环境下的阻性电流波动范围进行设置，以判别避雷器数据是否由于某种原因发生跳变。

3 预警处理方法

3.1 判别方法

根据避雷器阻性电流的当前拟合值Ifit、当前跳变值Ijump、实时值Ireal和避雷器的告警阈值Iset进行预警判别，其几何对应关系见图4。以A相避雷器为例具体流程见图5。

图4 避雷器相关诊断参量关系Fig.4 Relationship of arrester diagnostic parameters

图5 雷器诊断流程图Fig.5 Flow chart of arrester diagnosis

1）首先对电流当前实时值Ireal与避雷器告警阈值 Iset进行比较，若 Ireal＞Iset时,则转入 2），否则不进行后级预警处理。

2）对历史最小值数据直线拟合计算当前拟合值Ifit，判断拟合值是否大于告警阈值。当 Ifit＞Iset时，如图中C区所示。装置固定进行告警。若Ifit＜Iset时，则进入 3）。

3）当实时值Ireal＞Iset，则数据发生在A或者B区。若此时数据在 B 区，即 Ifit＜Ireal＜Ijump，则说明该实时数据未跳变，但是该值已接近装置告警阈值，因此装置固定预警。若在A区，则转入4）。

4）当实时值在A区时无法判别该相是否进行告警，因此需引入同间隔的B相和C相数据进行综合判别。引入横向比较法，此时A相固定跳变，分别判别同间隔的B相和C相数据是否发生跳变，如表1和表2所示，其中当实际值大于跳变值为1，否则为0。

当避雷器三相阻性电流中有两相及以上存在跳变，则当前避雷器闭锁告警，见表1。

表1 当有两相及以上发生跳变时Table 1 when two or more phases'transition occurs

当仅有A相发生跳变时，则进行预警，此时针对快速变化的故障情况下的预警，见表2。

表2 当仅一相发生跳变时Table 2 when only one phase's transition occurs

B相和C相阻性电流预警方法与A相方法相同。

3.2 试验验证

本方法利用最小值拟合直线体现避雷器阻性电流的变化趋势，同时利用最小拟合直线对应的跳变直线能真实反映数据是否发生突变，降低了单独采用告警阈值造成避雷器阻性电流的误告警。

在实验室分别模拟：1）当电流拟合值大于告警阈值时；2）当电流实际值大于告警阈值但小于跳变阈值时；3）当实际值大于告警阈值且大于跳变阈值时，验证本方法的有效性。

目前该方案已在湖北仙桃220 kV瑞丰变、甘肃330 kV红沙岗变电站等工程进行了长期的挂网运行，未发现装置有异常告警现象。

本方案的试验验证结果与设计方案一致，而直接按照阈值告警方案进行预警的方法在电流实际值大于告警阈值时均出现告警现象，而在电流实际值小于告警阈值时均返回，未考虑数据跳变的影响。

4 结语

通过对已运行避雷器阻性电流数据进行分析，提出一种对阻性电流的日监测最小值进行最小二乘拟合，根据拟合直线对应的跳变直线来判别阻性电流是否发生跳变。同时比较相邻相阻性电流状态来实现阻性电流的预警，提高避雷器监测预警的可靠性，降低了环境变化对避雷器监测结果的影响。

[1]林毅.我国110 kV及以上电压等级MOA的发展、事故分析及其预防[J].电网技术，1995（3）：7-11.LIN Yi，Analysis and prevention of fault of metal-oxide arrester （MOA） in power system of 110 kV and higher voltage class[J].Power System Technology， 1995（3）：7-11.

[2]郑健，张国庆，田悦新，等.氧化锌避雷器泄漏电流在线监测技术综述[J].继电器，2000， 28（9）：7-9.ZHENG Jian， ZHANG Guoqing， TIAN Yuexin， et al.Description of on-line detection technique on MOA leakage current[J].Relay， 2000， 28（9）:7-9.

[3]国家电网公司.Q/GDW 536-2010电容型设备及金属氧化物避雷器绝缘在线监测装置技术规范[S].北京：国家电网公司，2010.

[4]国家电网公司.Q/GDW 540-2010变电设备在线监测装置检验规范 第1部 分 通用检验规范 第3部分 电容型设备及金属氧化物避雷器绝缘在线监测装置 [S].北京：国家电网公司，2010.

[5]国家电网公司.Q/GDW 1168-2013输变电设备状态检修试验规程[S].国家电网公司，2013.

[6]国家电网公司.变电设备在线监测质量提升方案[M].北京：国家电网公司，2014.

[7]邹建明.在线监测技术在电网中的应用[J].高电压技术，2007， 33（8）：203-206.ZOU Jianming.Application of on-line monitoring technology on power grid[J].High Voltage Engineering， 2007， 33（8）:203-206.

[8]董森森，武振宇，高自力，等.一种可带电安装的高压电能质量在线监测装置[J].电力电容器与无功补偿，2016，37（4）：73-78.DONG Sensen， WU Zhenyu， GAO Zili， et al.High voltage power quality on-line monitoring device at live installation condition[J].Power Capacitor&Reactive Power Compensation， 2016， 37（4）:73-78.

[9]冯文昕，李道豫，程大印，等.直流滤波器电容器塔的在线监测方案初步探讨[J].电力电容器与无功补偿，2016，37（5）：11-15.FENG Wenxin，LI Daoyu，CHENG Dayin，et al.Preliminary discussion of on-line monitoring scheme for DC filter capacitor Tower[J].Power Capacitor&Reactive Power Compensation， 2016， 37（5）:11-15.

[10]成永红.电力设备绝缘检测与诊断[M].北京：中国电力出版社，2001.

[11]路光辉，邓宇，周钟，等.一种基于FT3光纤通信的新型避雷器监测方案 [J].电力系统保护与控制，2015，43（20）：119-124.LU Guanghui， DENG Yu， ZHOU Zhong， et al.A new solution of lightning arrester monitoring system based on FT3 optical fiber communications[J].Power System Protection and Control， 2015， 43（20）:119-124.

[12]王静，李天云，王永宏.应用经验模态分解法的tanδ在线监测数据趋势提取[J].高电压技术，2009， 35（12）：3007-3010.WANG Jing， LI Tianyun， WANG Yonghong.Trend extracting of tanδ on-line monitoring using EMD[J].High Voltage Engineering， 2009， 35（12）:3007-3010.

[13]张起贵，张魁.基于最小二乘直线拟合的小目标检测[J].电子设计工程，2010， 18（7）：176-177.ZHANG Qigui，ZHANG Kui.Based on least-squares linear fiting for small targets detection[J].Electronic Design Engineering， 2010， 18（7）:176-177.

[14]周斌，鲁国刚，黄国方，等.基于线性Lagrange插值法的变电站IED采样值接口方法[J].电力系统自动化，2007，31（3）：86-90.ZHOU Bin，LU Guogang，HUANG Guofang，et al.A sampled values interface method for substation IED based on the linear Lagrange interpolation algorithm[J].Automation of Electric Power Systems，2007，31（3）：44-48.

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，硕士，高级工程师，主要研究方向：智能变电站过程层设备研究。

国网公司科技项目："智能高压设备传感器即插即用技术研究和产品研制"。