本文摘要：摘要：受電容器充放電時間常數(shù)、電磁式機械翻牌動作時間的限制，以及放電電流的波形差異的影響，實際運行放電計數(shù)器存在不可靠動作的問題，尤其是難以記錄多重雷擊作用下的動作情況，給過電壓分析、避雷器動作狀態(tài)的評估帶來困難。因此，筆者在分析傳統(tǒng)放電計數(shù)器動作
摘要：受電容器充放電時間常數(shù)、電磁式機械翻牌動作時間的限制，以及放電電流的波形差異的影響，實際運行放電計數(shù)器存在不可靠動作的問題，尤其是難以記錄多重雷擊作用下的動作情況，給過電壓分析、避雷器動作狀態(tài)的評估帶來困難。因此，筆者在分析傳統(tǒng)放電計數(shù)器動作特性基礎(chǔ)上，提出改進計數(shù)器動作特性的脈沖電流提取方法，設(shè)計了相應(yīng)的脈沖電流測量線圈和信號提取電子電路，實測了信號測量線圈和電子電路的準(zhǔn)確性。試驗證明，該電流提取線圈能可靠還原沖擊電流陡波、標(biāo)準(zhǔn)雷電波和操作波電流波形，誤差小于0.2%;電子電路能快速記錄間隙時間不小于20ms放電脈沖序列，可有效解決多重雷擊作用下的放電計數(shù)器動作記錄問題。
關(guān)鍵詞：放電計數(shù)器;動作特性;多重雷擊;避雷器
0引言在線路避雷器的運行中，由于流過計數(shù)器放電電流的波形較試驗波形差異較大，造成計數(shù)器不能可靠動作，給過電壓分析、避雷器動作狀態(tài)的評估帶來困難[1-5]。近年來，南方電網(wǎng)就出現(xiàn)了多起由于雷擊引起設(shè)備損壞但現(xiàn)場避雷器放電計數(shù)器未動作的情況，給事故分析帶來了困難[6-7]。
傳統(tǒng)放電計數(shù)器采用沖擊電流分流儲能方式，儲能大小與避雷器動作電流幅值及持續(xù)時間密切相關(guān)，由于避雷器動作過后，R1呈現(xiàn)高阻特性，電容器儲能通過電磁計數(shù)器電磁線圈釋放驅(qū)動電磁式計數(shù)器動作。電磁式計數(shù)器能否動作取決于電容C上是否儲存有足夠的能量。我國行標(biāo)JB/T10492-2017[8]中規(guī)定了計數(shù)器動作電流上、下值，它是表征計數(shù)器必須具備的正確動作電流值。
通常上限動作電流為避雷器標(biāo)稱放電電流，下限電流沿用了SiC避雷器及其滅弧能力確定的電流值50A。在放電計數(shù)器的型式試驗和出廠試驗中也依據(jù)行標(biāo)對放電計數(shù)器的動作電流上、下限進行了測試，試驗電流波形為8/20μs的沖擊電流，而對其它雷電流波形下放電計數(shù)器的動作特性卻沒有進行過測試[9-10]。
仿真計算表明，對變電站內(nèi)設(shè)備危害最大的近區(qū)雷擊在站內(nèi)MOA上引起的放電流波頭時間通常在2μs左右，在如此陡的雷電流作用下，其與R2分壓后兩端的電壓將減小，導(dǎo)致電容C充電不足，從而使C對L的放電電流不足以驅(qū)使計數(shù)器指針移動，致使放電計數(shù)器不能正確動作。因此，筆者對傳統(tǒng)避雷器的動作特性進行分析，提出改進避雷器動作特性的措施，使得改進后的放電計數(shù)器能可靠記錄多重雷擊下可靠動作的要求。
1傳統(tǒng)放電計數(shù)器動作特性分析
1.1動作電流下限值受波形參數(shù)影響
假設(shè)有電源Vu通過電阻R給電容C充電，V0為電容上的初始電壓值，Vu為電容充滿電后的電壓值，Vt為任意時刻t時電容上的電壓值，那么便可以得到Vt的計算公式為Vt=V0+Vu-V0()·1-e-t(RC)(1)如果電容上的初始電壓為0，則公式可以簡化為Vt=Vu-V0()·1-e-t(RC)(2)式中RC為回路的時間常數(shù)，若C的單位是μF，R的單位是MΩ，時間常數(shù)的單位是s。根據(jù)上式可知：當(dāng)t=RC時，Vt=0.63Vu;當(dāng)t=2RC時，Vt=0.86Vu;當(dāng)t=3RC時，Vt=0.95Vu;當(dāng)t=4RC時，Vt=0.98Vu;當(dāng)t=5RC時，Vt=0.99Vu�？梢姡�(jīng)過3～5個RC后，充電過程基本結(jié)束。計數(shù)器充電回路的時間常數(shù)是確定的，相同幅值而不同波頭時間的雷電流波形作用于該回路時，經(jīng)過相同的充電時間后，電容C上的電壓是不同的，波頭時間長的雷電流將得到較高的電壓，波頭時間短的雷電流將得到降低的電壓。
假定能使電磁式計數(shù)器動作的電容器C的電壓是一定的，當(dāng)波頭時間短時，就需要較高幅值的雷電流才能使放電計數(shù)器動作。因此，電磁式計數(shù)器的元件特性已經(jīng)確定了動作需要能量消耗，能量來源是避雷器動作電流，即放電計數(shù)器的動作特性與流經(jīng)避雷器的電流波形參數(shù)、電流幅值及其持續(xù)時間密切相關(guān)。對于波頭緩、波形寬的電流，在較小電流幅值作用下放電計數(shù)器便能可靠動作;而對于陡波頭，波形窄的電流，需要較高幅值的電流才能驅(qū)動計數(shù)器動作。
為此，選擇在8/20μs波形下限動作電流值為500A的放電計數(shù)器3只，分別記為A、B、C，進行試驗驗證。試驗結(jié)果表明，不同電流波形的沖擊電流作用下，避雷器放電計數(shù)器的動作電流下限值不同，波形越陡，下限電流值越高。
1.2動作頻率特性分析當(dāng)電容充滿電后，將對計數(shù)器進行放電，從而驅(qū)動計數(shù)器動作，該過程也可用一個R-C電路進行描述，則任意時刻t，電容上的電壓為Vt=Vu·e-tRC(3)計數(shù)器內(nèi)阻一般在2.5kΩ左右，儲能電容通常4～12μF，其時間常數(shù)10～30ms，計數(shù)器主要用于記錄電脈沖信號次數(shù)的累計。電信號輸入計數(shù)器后，在電磁鐵中產(chǎn)生吸力，使銜鐵帶動撥盤機構(gòu)，驅(qū)使數(shù)字輪轉(zhuǎn)動進行十進制計數(shù)。在實際應(yīng)用中，計數(shù)器的銜鐵吸合和釋放電壓不同，在避雷器放電計數(shù)器電路中，電磁計數(shù)器的釋放電壓通常為24V。電容器的充電電壓變化范圍較大，最高可達500V。
在最好充電電壓作用下，電容器放電電壓降至電磁計數(shù)器的銜鐵釋放電壓需要4倍時間常數(shù)時間，因此，傳統(tǒng)避雷器電磁計數(shù)器的最大工作頻率只能達到8～25次/秒�？紤]計數(shù)可靠、回路參數(shù)差異、器件間差異，一般選擇工作頻率在5～10次/秒之間。然而，自然雷電過程中，每兩次回?fù)糁g的時間間隔約為幾十毫秒[11-13]，因此，利用傳統(tǒng)的放電計數(shù)器難以將自然界中的多重雷擊可靠地記錄下來。
2放電計數(shù)器動作特性改進措施研究
2.1下限動作值和頻率特性解決思路
2.1.1下限動作電流值受波形參數(shù)影響的解決
傳統(tǒng)電磁計數(shù)器的計數(shù)需要足夠的電能進行驅(qū)動，電能來源于避雷器動作電流。不同泄漏電流波形參數(shù)，提供的能量必然不同。針對該問題，可采用利用脈沖電流傳感器流經(jīng)避雷器的電流進行電流轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電流通過電子電路實現(xiàn)高效的計數(shù)。為了進一步滿足不同電流波形下限動作電流足夠低，且能有效避免其他干擾造成的誤動作，可采用比較電路，設(shè)定電流下限門檻值，高于門檻值的電流才送入主控單元進行計數(shù)。
2.1.2多重雷擊作用下可靠記錄的解決多重雷擊間隔時間較短，大多在幾十毫秒數(shù)量級。為此，可采用單片機中斷的方式對多重雷擊進行記錄，并設(shè)定中斷一次的屏蔽時間，防止單次雷擊反擊引起的誤動作。
2.2放電計數(shù)器改進措施設(shè)計電磁計數(shù)器從電阻上提取電壓信號，給電容充電驅(qū)動電磁式計數(shù)器翻轉(zhuǎn)，響應(yīng)比較慢，提出采用電子式對傳統(tǒng)放電計數(shù)器進行改進。改進的放電計數(shù)器，通過Rogowski線圈對脈沖電流進行提取，將提取的信號傳給處理單元處理后，進行數(shù)據(jù)顯示，并將動作信號存儲在MCU中央處理器，不僅實現(xiàn)了動作次數(shù)的顯示，同時實現(xiàn)了動作次數(shù)的存儲。
2.2.1Rogowski線圈設(shè)計
常用Rogowski線圈有兩種積分電路—自積分和外積分。自積分線圈通常用于高頻率的脈沖電流測量，外積分電路應(yīng)用范圍較寬。
3放電計數(shù)器改進試驗驗證
3.1Rogowski線圈輸出信號驗證
設(shè)計了鐵氧體磁芯ϕ40/ϕ24×14.5，二次采用1.0漆包線100匝，積分電阻采用0.2×10mm康銅箔制作了一個線圈，線性度誤差小于0.2%。為了進一步驗證Rogowski線圈對脈沖電流波形的可靠還原，測試了典型波形下Rogowski線圈波形輸出。實測結(jié)果可知，Rogowski線圈對陡波、標(biāo)準(zhǔn)雷電波和操作波能夠很好的還原。
4結(jié)論
為了實現(xiàn)放電計數(shù)器對多重雷擊避雷器的可靠記錄，本研究在分析傳統(tǒng)電磁式放電計數(shù)器動作特性的基礎(chǔ)上，提出了改進放電計數(shù)器的雷擊動作特性的方法，設(shè)計了雷擊脈沖電流微型線圈和雷擊脈沖信號處理電子電路，并試驗驗證了脈沖電流微型線圈對沖擊電流陡波、標(biāo)準(zhǔn)雷電波和操作波的信號還原能力，還原后的波形與原脈沖電流波誤差小于0.2%，利用交流電源模擬多重雷擊間隔信號，測得電子電路正確反映間隔20ms的脈沖序列。該方法可有效解決多重雷擊作用下放電計數(shù)器的動作問題。
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作者：安志國1，胡上茂2，蔡漢生2，劉剛2，廖民傳2，屈路2，何嘉興1
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