一种变电站避雷器冲击阻抗监测方法及装置与流程

1.本发明涉及避雷器监测领域，特别是涉及一种变电站避雷器冲击阻抗监测方法及装置。


背景技术：

2.变电站是电力系统的枢纽，一旦发生雷击损坏设备事故，将造成大面积停电，而且变压器等高压电气设备的内绝缘大都没有自恢复性能，设备被雷击损坏后，修复起来十分困难，造成长时间停电，造成设备损坏和供电的直接损失并严重影响国民经济和人民生活。因此，变电站的建设中避雷器的冲击阻抗的测量是必不可少的环节，对变电站避雷器设备冲击阻抗的测量分析会使变电站防护更为可靠。通常来说，冲击阻抗是在雷电流冲击下接地体所呈现的接地阻抗。
3.电站防雷装置中避雷器的冲击阻抗是变电站设计以及保证变电站正常运行的重要参数，对冲击阻抗进行精确测量，是十分有必要的，主要体现在以下几点：1、测量接地装置的真实接地阻抗，检查新接地网的接地电阻是否达到设计要求，检查旧接地网的接地电阻是否发生变化。2、对计算值进行核验，以检查计算方法的正确性，为新的计算方法或软件推广应用提供依据。3、确定由于电力系统接地故障电流引起的地电位升高及在整个阶段内的电位变化。4、确定防雷保护接地装置的合适性。5、取得变电站防雷保护、设备防雷保护及有关人身安全所必需的设计数据。
4.随着电力系统的发展，电网规模不断扩大，各种微机监控设备也得到普遍应用，人们已经不满足于能够精确测量出冲击阻抗，对接地设备冲击阻抗实时监测成为人们当前的需求。但是，目前，只能在工频条件或者雷电来临的时候测量冲击阻抗，无法对避雷器冲击阻抗进行实时监测，这对于变电站安全检测是不够的，变电站防护的可靠性仍有待提高。


技术实现要素：

5.基于此，本发明实施例提供一种变电站避雷器冲击阻抗监测方法及装置，不仅能监测到雷电流来临时的冲击阻抗，还能在无雷电产生时监测到避雷器的冲击阻抗，实现了避雷器冲击阻抗的实时监测，从而提高了变电站防护的可靠性。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种变电站避雷器冲击阻抗监测方法，包括：
8.获取高空云层电场值；
9.由所述高空云层电场值判断避雷器周围是否将有雷电产生，得到第一判断结果；
10.若所述第一判断结果为是，则获取流过所述避雷器上的电流信号和所述避雷器两端的电压信号，并由所述电流信号和所述电压信号计算冲击阻抗值；
11.若所述第一判断结果为否，则根据所述避雷器的半径、源电流值和预先存储的雷电流计算所述避雷器上每两点之间的电位差，得到第一电位差，并基于所述第一电位差计算所述冲击阻抗值；所述雷电流为雷电实际发生时测得的电流信号。
12.可选的，所述变电站避雷器冲击阻抗监测方法，还包括：
13.将所述冲击阻抗值与设定安全值进行比较，当所述冲击阻抗值超过所述设定安全值时，发出报警信号。
14.可选的，所述根据所述避雷器的半径、源电流值和预先存储的雷电流计算所述避雷器上每两点之间的电位差，得到第一电位差，并基于所述第一电位差计算所述冲击阻抗值，具体包括：
15.采用时域有限差分法，由所述避雷器的半径、源电流值和预先存储的雷电流计算所述避雷器上每两点之间的电位差，得到第一电位差，并基于所述第一电位差计算所述冲击阻抗值。
16.可选的，所述采用时域有限差分法，由所述避雷器的半径、源电流值和预先存储的雷电流计算所述避雷器上每两点之间的电位差，得到第一电位差，并基于所述第一电位差计算所述冲击阻抗值，具体包括：
17.由所述避雷器的半径和源电流值计算所述避雷器上每两点之间流过的电流的衰减系数；
18.由所述衰减系数计算所述避雷器上每两点之间的电位差，得到多个所述第一电位差；
19.由所有的所述第一电位差，计算所述避雷器的电位差，得到第二电位差；
20.判断所述第二电位差是否小于设定电位值，得到第二判断结果；
21.若所述第二判断结果为是，则由所述第一电位差计算冲击阻抗值；
22.若所述第二判断结果为否，则利用预先存储的雷电流替换所述源电流值以更新所述衰减系数，直至所述第二电位差小于所述设定电位值，再由所述第二电位差小于所述设定电位值时对应第一电位差计算冲击阻抗值。
23.可选的，由所述电流信号和所述电压信号计算冲击阻抗值，具体包括：
24.对所述电流信号和所述电压信号进行卷积变换处理，得到冲击阻抗值。
25.可选的，所述由所述高空云层电场值判断避雷器周围是否将有雷电产生，具体包括：
26.若所述高空云层电场值大于设定电场值，则确定所述避雷器周围将有雷电产生；
27.若所述高空云层电场值不大于所述设定电场值，则确定所述避雷器周围无雷电产生。
28.本发明还提供了一种变电站避雷器冲击阻抗监测装置，包括：
29.大气电场测量模块、主控计算机和冲击阻抗测量装置；
30.所述主控计算机位于控制室内；所述冲击阻抗测量装置与避雷器连接；所述主控计算机分别与所述大气电场测量模块和所述冲击阻抗测量装置连接；
31.所述大气电场测量模块用于：测量高空云层电场值；
32.所述主控计算机用于：
33.根据所述高空云层电场值判断所述避雷器周围是否将有雷电产生，若避雷器周围将有雷电产生，则向所述冲击阻抗测量装置发送雷电来临允许信号，若避雷器周围无雷电产生，则向所述冲击阻抗测量装置发送闭锁信号；
34.所述冲击阻抗测量装置用于：
35.在收到所述雷电来临允许信号后，检测流过所述避雷器上的电流信号和所述避雷器两端的电压信号，并将所述电流信号和所述电压信号发送至所述主控计算机；
36.在收到所述闭锁信号，将所述闭锁信号转换成实时监测允许信号，并将所述实时监测允许信号发送至所述主控计算机；
37.所述主控计算机还用于：
38.当避雷器周围将有雷电产生时，由所述电流信号和所述电压信号计算冲击阻抗值；
39.当避雷器周围无雷电产生时，根据所述避雷器的半径、源电流值和预先存储的雷电流计算所述避雷器上每两点之间的电位差，得到第一电位差，并基于所述第一电位差计算所述冲击阻抗值；所述雷电流为雷电实际发生时测得的电流信号。
40.可选的，所述变电站避雷器冲击阻抗监测装置，还包括：指示灯与报警设备；所述指示灯与报警设备位于所述控制室内且与所述主控计算机连接；
41.所述指示灯与报警设备用于：
42.当所述冲击阻抗值超过设定安全值时，发出报警信号。
43.可选的，所述变电站避雷器冲击阻抗监测装置，还包括：示波器；所述示波器位于所述控制室内且与所述主控计算机连接；
44.所述示波器用于：
45.存储所述电流信号和所述电压信号。
46.可选的，所述主控计算机内置有时域有限差分仿真程序和卷积变换处理程序。
47.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
48.本发明实施例提出了一种变电站避雷器冲击阻抗监测方法及装置，该方法，首先由高空云层电场值判断避雷器周围是否将有雷电产生；若将有雷电产生，则获取流过避雷器上的电流信号和避雷器两端的电压信号，并由电流信号和电压信号计算冲击阻抗值；若无雷电产生，则根据避雷器的半径、源电流值和预先存储的雷电流计算避雷器上每两点之间的电位差，并基于避雷器上每两点之间的电位差计算冲击阻抗值。本发明在有无雷电产生时，均能监测避雷器冲击阻抗，实现了对避雷器冲击阻抗的实时监测，提高了变电站防护的可靠性。
附图说明
49.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
50.图1为本发明实施例提供的变电站避雷器冲击阻抗监测方法的流程图；
51.图2为本发明实施例提供的采用时域有限差分法计算冲击阻抗值的示意图；
52.图3为本发明实施例提供的变电站避雷器冲击阻抗监测装置的结构框图；
53.图4为本发明实施例提供的变电站避雷器冲击阻抗监测装置的一个更为具体的结构示意图；
54.图5为本发明实施例提供的冲击阻抗测量装置的电路原理图。
具体实施方式
55.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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
56.为使本发明的上述目的、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发明作进一步详细的说明。
57.图1为本发明实施例提供的变电站避雷器冲击阻抗监测方法的流程图。参见图1，本实施例的变电站避雷器冲击阻抗监测方法，包括：
58.步骤101：获取高空云层电场值。
59.步骤102：由所述高空云层电场值判断避雷器周围是否将有雷电产生，得到第一判断结果。该步骤，具体包括：
60.若所述高空云层电场值大于设定电场值，则确定所述避雷器周围将有雷电产生；若所述高空云层电场值不大于所述设定电场值，则确定所述避雷器周围无雷电产生。
61.步骤103：若所述第一判断结果为是，则获取流过所述避雷器上的电流信号和所述避雷器两端的电压信号，并由所述电流信号和所述电压信号计算冲击阻抗值。
62.其中，由所述电流信号和所述电压信号计算冲击阻抗值，具体为：对所述电流信号和所述电压信号进行卷积变换处理，得到冲击阻抗值。
63.步骤104：若所述第一判断结果为否，则根据所述避雷器的半径、源电流值和预先存储的雷电流计算所述避雷器上每两点之间的电位差，得到第一电位差，并基于所述第一电位差计算所述冲击阻抗值。其中，预先存储的雷电流为当前时刻之前，雷电实际发生时测得的电流信号，每个雷电实际发生时测得的电流信号均存储在示波器中。
64.该步骤是采用时域有限差分(time
‑
domainfinite difference，fdtd)法，由所述避雷器的半径、源电流值和预先存储的雷电流计算所述避雷器上每两点之间的电位差，得到第一电位差，并基于所述第一电位差计算所述冲击阻抗值。如图2所示，采用时域有限差分法计算冲击阻抗值的具体过程为：
65.1)由所述避雷器的半径r和源电流值i
source
计算所述避雷器上每两点之间流过的电流的衰减系数，采用p
i,j
表示避雷器上第i个点和第j点两点之间流过的雷电流的衰减系数。
66.2)由所述衰减系数计算所述避雷器上每两点之间的电位差，得到多个所述第一电位差，对于任意一个第一电位差采用φ
i,j
表示，φ
i,j
为避雷器上第i个点和第j点两点之间的电位差，φ
i,j
是由对应的p
i,j
计算得到的。
67.3)由所有的所述第一电位差，计算所述避雷器的电位差，得到第二电位差，具体计算公式为
[0068][0069]
δφ表示第二电位差，n表示fdtd程序将避雷器分成n等份，得到n 1个离散数据点，其中i，j表示避雷器上离散数据点的标号，其中1≤i，j≤n，i≠j，φ
i 1,j 1
表示避雷器上
第i 1个点和第j 1点两点间的电位差。
[0070]
4)判断所述第二电位差是否小于设定电位值，得到第二判断结果。
[0071]
若所述第二判断结果为是，说明电压形变可以忽略，则由各点的电位计算各点的电压、电流及冲击阻抗值。
[0072]
若所述第二判断结果为否，说明电压形变较大，则利用预先存储的雷电流(实际雷电发生时测得的电流)替换所述源电流值以更新(修改)所述衰减系数，直至所述第二电位差小于所述设定电位值，再由所述第二电位差小于所述设定电位值时对应的各个第一电位差计算各点的电压、电流及冲击阻抗值。在当前时刻之前，每次实际发生雷电时测得的电流均预先存储在示波器中，因此，每次迭代时，采用不同历史时刻实际发生雷电时测得的电流替换源电流值，以保证电压形变最小，提高监测的准确度。
[0073]
当通过步骤103和104计算得到冲击阻抗值后，还可以将所述冲击阻抗值与设定安全值进行比较，当所述冲击阻抗值超过所述设定安全值时，发出报警信号。
[0074]
本发明还提供了一种变电站避雷器冲击阻抗监测装置，图3为本发明实施例提供的变电站避雷器冲击阻抗监测装置的结构框图。
[0075]
参见图3，所述装置，包括：
[0076]
大气电场测量模块、主控计算机和冲击阻抗测量装置。
[0077]
所述主控计算机位于控制室内；所述冲击阻抗测量装置通过电缆与避雷器连接；所述主控计算机分别与所述大气电场测量模块和所述冲击阻抗测量装置连接。所述主控计算机内置有时域有限差分(fdtd)仿真程序和卷积变换处理程序。
[0078]
所述大气电场测量模块用于：测量高空云层电场值。
[0079]
所述主控计算机用于：
[0080]
根据所述高空云层电场值判断所述避雷器周围是否将有雷电产生，若避雷器周围将有雷电产生，则向所述冲击阻抗测量装置发送雷电来临允许信号，若避雷器周围无雷电产生，则向所述冲击阻抗测量装置发送闭锁信号。
[0081]
所述冲击阻抗测量装置用于：
[0082]
在收到所述雷电来临允许信号后，检测流过所述避雷器上的电流信号和所述避雷器两端的电压信号，并将所述电流信号和所述电压信号发送至所述主控计算机；
[0083]
在收到所述闭锁信号，将所述闭锁信号转换成实时监测允许信号，并将所述实时监测允许信号发送至所述主控计算机。
[0084]
所述主控计算机还用于：
[0085]
当避雷器周围将有雷电产生时，由所述电流信号和所述电压信号计算冲击阻抗值；
[0086]
当避雷器周围无雷电产生时，根据所述避雷器的半径、源电流值和预先存储的雷电流计算所述避雷器上每两点之间的电位差，得到第一电位差，并基于所述第一电位差计算所述冲击阻抗值；所述雷电流为雷电实际发生时测得的电流信号。
[0087]
在一个示例中，所述变电站避雷器冲击阻抗监测装置，还包括：指示灯与报警设备；所述指示灯与报警设备位于所述控制室内且与所述主控计算机连接；所述指示灯与报警设备用于：当所述冲击阻抗值超过设定安全值时，发出报警信号。其中，指示灯与报警设备中的报警模块采用声光报警器，以避免被忽略。
[0088]
在一个示例中，所述变电站避雷器冲击阻抗监测装置，还包括：示波器；所述示波器位于所述控制室内且与所述主控计算机连接；所述示波器用于：存储所述电流信号和所述电压信号。预先存储的雷电流即示波器中存储的电流信号。
[0089]
在一个示例中，所述变电站避雷器冲击阻抗监测装置，还包括：存储单元，所述存储单元位于所述控制室内且与所述主控计算机连接；所述存储单元用于：存储所述冲击阻抗值。
[0090]
在一个示例中，参见图4，所述大气电场测量模块可以为大气电场仪。大气电场仪用于检测大气层电场强度，以得到高空云层电场值，它是利用导体在电场中产生感应电荷的原理来测量电场的。主控计算机根据大气电场仪检测到的高空云层电场值判断是否有雷电发生，如果有雷电发生则闭锁冲击阻抗测量装置。
[0091]
在一个示例中，参见图4，主控计算机是以intel x86为平台的工控机，内置冲击阻抗的卷积变换处理程序、冲击电抗判断程序以及时域有限差分(fdtd)仿真程序。主控计算机接收用户指令；与冲击电流发生器通讯、控制升压及充放电；与示波器通讯、控制采样方式、存储读取和处理波形数据等。
[0092]
在一个示例中，参见图4，示波器为max70000系列，双通道同步测量；频率为100mhz；可采用外部触发方式启动存储过程；每次每通道可存储4000个点的数据；单个点的数据位宽为8位；可通过通讯口由外部计算机控制，外部计算机可读取示波器采集到的波形数据。
[0093]
在一个示例中，参见图4，冲击阻抗测量装置，测量时采集电压响应信号，并传输给数据处理系统。冲击阻抗测量装置的电路原理图如图5所示。图5中r
i
为电流取样电阻；r1、r2均为电压取样电阻；c1、c2均为频率补偿电容；r
p
、r
c
分别为电流极接地电阻、电压极接地电阻；r
d
为避雷器的冲击阻抗，为待测量。采集电路中，电流极c、电压极d分别通过电流极接地电阻r
c
、电压极接地电阻r
p
连接到避雷器的顶部。避雷器底部串联一个电流取样电阻r
i
，方便通过电缆导出电流取样信号。避雷器旁并联两个电压取样电阻r1、r2以及频率补偿电容c1、c2，方便通过电缆导出电压取样信号。
[0094]
在一个示例中，参见图4，所述变电站避雷器冲击阻抗监测装置，还包括：数字滤波器和通信设备。
[0095]
数字滤波器的一端与冲击阻抗测量装置连接，数字滤波器的另一端通过示波器与主控计算机连接。选用数字滤波器的原因如下：由于罗哥夫斯基线圈通常用于测量高频电流或大电流，测量环境具有较大的电磁干扰，测量时需要特别注意。因此，为了减小干扰的影响，优先选用数字量输出的滤波装置。
[0096]
通信设备与主控计算机连接，主控计算机通过通信设备控制fdtd仿真程序、通过通信设备向冲击阻抗测量装置发送控制信号以及通过通信设备接收大气电场仪的信号。
[0097]
采用上述实施例的变电站避雷器冲击阻抗监测装置实现实时监测的具体过程如下：
[0098]
步骤1：大气电场仪监测采集到高空云层电场值之后，将该数值发送到控制室的主控计算机。
[0099]
步骤2：主控计算机将步骤1采集到的数值和系统内设定的阈值(设定电场值)进行比较。如果步骤1中的高空云层电场值大于设定电场值，则意味着避雷器周围将有雷电产
生，此时主控计算机则向冲击阻抗测量装置发送雷电来临允许信号，冲击阻抗测量装置收到雷电来临允许信号开始进行测量工作。如果步骤1中的高空云层电场值小于等于设定电场值，则意味着避雷器周围没有雷电产生，此时主控计算机则向冲击阻抗测量装置发送闭锁信号并跳到步骤5。
[0100]
步骤3：冲击阻抗测量装置收到步骤2中的允许信号后，连接在避雷器上的冲击阻抗测量装置就会测得流过避雷器上的电流信号和避雷器两端的电压信号。
[0101]
步骤4：步骤3中得到的电压信号、电流信号会被发送到控制室的示波器上。并且主控计算机中设定好的运算程序会对步骤3中得到的电流信号和电压信号进行卷积变换处理从而计算得到避雷器的冲击阻抗值，并跳转到步骤12。
[0102]
步骤5：主控计算机向冲击阻抗测量装置发送步骤2得到的闭锁信号，经过反相器变成雷电来临允许信号，之后雷电来临允许信号被送到主控计算机中fdtd仿真软件中。
[0103]
步骤6：步骤5中得到的雷电来临允许信号输入进fdtd仿真程序，使得主控计算机中设定好的fdtd仿真程序开始运行，数据处理过程如图2所示。
[0104]
步骤7：在fdtd仿真程序中预先输入避雷器的半径r和源电流值i
source
，经过程序处理计算得到衰减系数p
i,j
。
[0105]
步骤8：步骤7中得到的衰减系数p
i,j
经过fdtd仿真程序处理后得到避雷器各点电位差φ
i,j
。
[0106]
步骤9：步骤8中得到的避雷器各点电位差φ
i,j
，采用公式处理得到电位差δφ。
[0107]
步骤10：fdtd仿真程序对步骤9中得到的δφ进行判断，如果δφ≥设定电位值，意味着电压变形较大。那么fdtd仿真程序调用示波器中的电流信号i
signal
，将步骤7中预先输入的源电流值i
source
替换为i
signal
，并跳转回步骤7，迭代，直到满足条件再进行后续的步骤12。
[0108]
步骤11：fdtd仿真程序对步骤9中得到的δφ进行判断，如果δφ＜设定电位值，说明电压形变可以忽略，fdtd仿真程序可直接通过从步骤8中得到的避雷器各点电位差φ
i,j
来计算各点的电压、电流以及避雷器的冲击阻抗值并进行步骤12。
[0109]
步骤12：主控计算机通过上述处理得到冲击阻抗之后，将冲击阻抗值存入储存单元后和设定安全值比较，超出设定安全值或与设定安全值的差值超出设定安全范围时，向报警设备发出信号报警。
[0110]
其中，步骤5～步骤11运用模型法计算冲击阻抗值，相比传统的只乘以冲击系数的方式，测量更加精确。
[0111]
步骤5～步骤11使得该装置不止能在雷电来临时测量冲击阻抗，还能够实时通过仿真计算实时监测避雷器工况。
[0112]
步骤12配有储存单元，避雷器冲击阻抗能记录下来，便于统计；便于调整避雷器的更换计划。
[0113]
步骤10的迭代更新机制让该装置可以根据真实情况测量的雷电压、雷电流冲击阻抗值实时对计算模型进行更新迭代。测量结果和仿真结果相互验证，令结果更加精确。
[0114]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他
实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0115]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。