本文摘要：摘要：受電容器充放電時間常數、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、避雷器動作狀態的評估帶來困難。因此，筆者在分析傳統放電計數器動作
摘要：受電容器充放電時間常數、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、避雷器動作狀態的評估帶來困難。因此，筆者在分析傳統放電計數器動作特性基礎上，提出改進計數器動作特性的脈沖電流提取方法，設計了相應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、標準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器動作記錄問題。
關鍵詞：放電計數器;動作特性;多重雷擊;避雷器
0引言在線路避雷器的運行中，由于流過計數器放電電流的波形較試驗波形差異較大，造成計數器不能可靠動作，給過電壓分析、避雷器動作狀態的評估帶來困難[1-5]。近年來，南方電網就出現了多起由于雷擊引起設備損壞但現場避雷器放電計數器未動作的情況，給事故分析帶來了困難[6-7]。
傳統放電計數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時間密切相關，由于避雷器動作過后，R1呈現高阻特性，電容器儲能通過電磁計數器電磁線圈釋放驅動電磁式計數器動作。電磁式計數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JB/T10492-2017[8]中規定了計數器動作電流上、下值，它是表征計數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。在放電計數器的型式試驗和出廠試驗中也依據行標對放電計數器的動作電流上、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，對變電站內設備危害最大的近區雷擊在站內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，導致電容C充電不足，從而使C對L的放電電流不足以驅使計數器指針移動，致使放電計數器不能正確動作。因此，筆者對傳統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器能可靠記錄多重雷擊下可靠動作的要求。
1傳統放電計數器動作特性分析
1.1動作電流下限值受波形參數影響
假設有電源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，若C的單位是μF，R的單位是MΩ，時間常數的單位是s。根據上式可知：當t=RC時，Vt=0.63Vu;當t=2RC時，Vt=0.86Vu;當t=3RC時，Vt=0.95Vu;當t=4RC時，Vt=0.98Vu;當t=5RC時，Vt=0.99Vu。可見，經過3～5個RC后，充電過程基本結束。計數器充電回路的時間常數是確定的，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器動作的電容器C的電壓是一定的，當波頭時間短時，就需要較高幅值的雷電流才能使放電計數器動作。因此，電磁式計數器的元件特性已經確定了動作需要能量消耗，能量來源是避雷器動作電流，即放電計數器的動作特性與流經避雷器的電流波形參數、電流幅值及其持續時間密切相關。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動計數器動作。
為此，選擇在8/20μs波形下限動作電流值為500A的放電計數器3只，分別記為A、B、C，進行試驗驗證。試驗結果表明，不同電流波形的沖擊電流作用下，避雷器放電計數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電容充滿電后，將對計數器進行放電，從而驅動計數器動作，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)計數器內阻一般在2.5kΩ左右，儲能電容通常4～12μF，其時間常數10～30ms，計數器主要用于記錄電脈沖信號次數的累計。電信號輸入計數器后，在電磁鐵中產生吸力，使銜鐵帶動撥盤機構，驅使數字輪轉動進行十進制計數。在實際應用中，計數器的銜鐵吸合和釋放電壓不同，在避雷器放電計數器電路中，電磁計數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器的銜鐵釋放電壓需要4倍時間常數時間，因此，傳統避雷器電磁計數器的最大工作頻率只能達到8～25次/秒。考慮計數可靠、回路參數差異、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，每兩次回擊之間的時間間隔約為幾十毫秒[11-13]，因此，利用傳統的放電計數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影響的解決
傳統電磁計數器的計數需要足夠的電能進行驅動，電能來源于避雷器動作電流。不同泄漏電流波形參數，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避雷器的電流進行電流轉換，轉換后的電流通過電子電路實現高效的計數。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。
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放電計數器改進措施設計電磁計數器從電阻上提取電壓信號，給電容充電驅動電磁式計數器翻轉，響應比較慢，提出采用電子式對傳統放電計數器進行改進。改進的放電計數器，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，進行數據顯示，并將動作信號存儲在MCU中央處理器，不僅實現了動作次數的顯示，同時實現了動作次數的存儲。
2.2.1Rogowski線圈設計
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，外積分電路應用范圍較寬。
3放電計數器改進試驗驗證
3.1Rogowski線圈輸出信號驗證
設計了鐵氧體磁芯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。實測結果可知，Rogowski線圈對陡波、標準雷電波和操作波能夠很好的還原。
4結論
為了實現放電計數器對多重雷擊避雷器的可靠記錄，本研究在分析傳統電磁式放電計數器動作特性的基礎上，提出了改進放電計數器的雷擊動作特性的方法，設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、標準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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