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专利名称：一种带间隙的避雷器故障预测方法、介质及系统

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202410243569.4

专利申请（专利权）人：国网宁夏电力有限公司电力科学研究院,长沙理工大学,国网宁夏电力有限公司固原供电公司,国网宁夏电力有限公司
权利人地址：宁夏回族自治区银川市金凤区黄河东路716号

专利发明（设计）人：周秀,白金,杨鑫,田天,相中华,陈彪,马宇坤,罗艳,殷睿,何宁辉,张文涛,赵通汉,胡君瑶,李甘霖,张恒,王宏宇,郝茗,卢翔

专利摘要：本发明公开一种带间隙的避雷器故障预测方法、介质及系统，包括：搭建避雷器故障预测装置；控制电源向金属板通电产生雷电过电压后，控制时间继电器闭合，以短接串联间隙，使无间隙避雷器产生泄露电流；根据采集的泄露电流、金属板的电压、无间隙避雷器导通次数和无间隙避雷器运行年份，获得无间隙避雷器是否故障的预测结果。本发明实施例可准确预测避雷器是否损坏，并且在预测过程中减少对避雷器造成损耗。

主权利要求：
1.一种带间隙的避雷器故障预测方法，其特征在于，包括：
搭建避雷器故障预测装置，其中，所述避雷器故障预测装置包括：无间隙避雷器、串联间隙、并联间隙、金属板、电源、电压测量元件和时间继电器，所述串联间隙与所述无间隙避雷器串联，所述并联间隙与所述无间隙避雷器并联，所述电源与所述金属板的相对的第一端和第二端并联，所述电压测量元件与所述金属板的相对的第三端和第四端并联，用于采集所述金属板的电压，其中，所述金属板的第三端和第四端为所述电源对所述金属板通电后使所述金属板产生的电压的方向的两端，所述电压测量元件连接所述时间继电器，所述时间继电器与所述串联间隙并联；
控制所述电源向所述金属板通电产生雷电过电压后，控制所述时间继电器闭合，以短接所述串联间隙，使所述无间隙避雷器产生泄露电流；
根据采集的所述泄露电流、所述金属板的电压、所述无间隙避雷器导通次数和所述无间隙避雷器运行年份，获得所述无间隙避雷器是否故障的预测结果；
所述获得所述无间隙避雷器是否故障的预测结果的步骤，包括：
计算所述泄露电流与第一权重的乘积，得到所述泄露电流的修正值，以及，所述金属板的电压与第二权重的乘积，得到所述金属板的电压的修正值；
计算所述泄露电流的修正值与所述金属板的电压的修正值的乘积，得到第一修正值；
计算所述无间隙避雷器导通次数与第三权重的乘积，得到第二修正值；
计算所述无间隙避雷器运行年份与第四权重的乘积，得到第三修正值；
判断所述第一修正值是否大于第一阈值，所述第二修正值是否大于第二阈值，所述第三修正值是否大于第三阈值；
若所述第一修正值不大于第一阈值，和/或，所述第二修正值不大于第二阈值，和/或，所述第三修正值不大于第三阈值，则将所述第一修正值、所述第二修正值和所述第三修正值输入训练后的神经网络，输出所述无间隙避雷器是否故障的预测结果。
2.根据权利要求1所述的带间隙的避雷器故障预测方法，其特征在于，所述控制所述时间继电器闭合之前，所述方法还包括：判断所述金属板的电压是否大于电压阈值；
若所述金属板的电压大于电压阈值，则判断所述金属板的电压的种类；
若所述金属板的电压为雷电过电压，则向所述时间继电器发送闭合的信号。
3.根据权利要求2所述的带间隙的避雷器故障预测方法，其特征在于，所述判断所述金属板的电压的种类的步骤，包括：若所述金属板的电压大于电压阈值的时长超过第一预设时长，则确定所述金属板的电压为工频过电压，否则为雷电过电压。
4.根据权利要求2所述的带间隙的避雷器故障预测方法，其特征在于：所述时间继电器收到所述闭合的信号后等待第二预设时长再闭合。
5.根据权利要求1所述的带间隙的避雷器故障预测方法，其特征在于：所述时间继电器闭合持续第三预设时长后断开。
6.一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；所述计算机程序指令被处理器执行时实现如权利要求1 5中任一项所述的带间~隙的避雷器故障预测方法。
7.一种带间隙的避雷器故障预测系统，其特征在于，包括：如权利要求6所述的计算机可读存储介质。 说明书 : 一种带间隙的避雷器故障预测方法、介质及系统技术领域[0001] 本发明涉及避雷器技术领域，尤其涉及一种带间隙的避雷器故障预测方法、介质及系统。背景技术[0002] 在电力系统运行时为保证电气设备免受过电压的影响，氧化锌避雷器具有良好的非线性伏安特性、良好的保护性能和通流能力，因此通常使用避雷器保护其他电气设备。但与其他电气设备相似，氧化锌避雷器也会老化，导致绝缘性能大幅下降，造成避雷器失效从而损坏后续设备，造成巨大的经济损失。所以准确的检测出避雷器的老化程度对于电力系统的运行可靠性和设备更换成本的降低有重要意义。氧化锌避雷器长期工作在室外环境中，受环境中的温度、湿度以及污秽等影响，内部结构会发生化学变化。而且随着避雷器的老化绝缘能力会逐渐下降，泄漏电流逐渐增大产生热损耗，从而进一步加快其老化程度。氧化锌避雷器老化后影响其绝缘性能，当发生雷击时避雷器被击穿导致电力系统中的电气设备故障，造成难以挽回的经济损失。对于线路带串联间隙氧化锌避雷器，其正常运行时泄漏电流很。浞匣饕蚶椎绯寤饕，现有基于泄漏电流监测的诊断方法不能适用。金属氧化物避雷器的雷电冲击温升和老化特性，各种电压等级的氧化锌避雷器都存在一个阀片老化冲击次数阈值，雷电冲击次数大于该阈值时，避雷器的通流容量、残压等出现明显变化，避雷器保护性能丧失；且该值随雷电冲击电流幅值的增大而迅速减小。通过累计避雷器大于10kA的雷电冲击次数就可基本判断避雷器本体的状态。[0003] 氧化锌避雷器的泄漏电流检测主要针对避雷器的全电流，阻性电流分量和三次谐波分量进行测量，目前测量泄漏电流的方法主要是通过对总泄漏电流或者其阻性分量进行分析研究，比较常用的方法是谐波分析法、西林电桥法、三次谐波法还有容性谐波补偿法。[0004] 带串联间隙的避雷器由于间隙的电容分压效应，即存在电容值。可以使得避雷器在正常运行的过程中，使其几乎不承担运行电压，也就使得避雷器不会存在泄露电流，导致了无法通过监测泄露电流的方式判断避雷器是否损坏，因此无法判断某一次过电压避雷器动作后，避雷器是否损坏；由于串联间隙的分散性影响，会使得金属氧化物避雷器的放电电压分散性大，这会影响避雷器的保护性能；在串联间隙放电后，工频续流可能会引起大的截流现象，导致金属氧化物避雷器被烧坏；由于串联间隙的伏秒特性陡峭，因此串联间隙放电电压随操作过电压发生陡然跃升，这可能引起大的过电压，导致金属氧化物避雷器损坏；带串联间隙的金属氧化物避雷器结构复杂，可靠性相对较低；由于需要定期检测和更换元件，因此维护成本相对较高；带串联间隙的避雷器只能对特定范围内的过电压进行保护。如果电力系统遭受超出避雷器额定工作电压范围的过电压，避雷器可能无法有效地保护设备，从而导致设备受损。[0005] 避雷器带并联间隙后，工频过电压发生时将由并联间隙产生动作，避雷器本体并不承担此电压，增加了避雷器寿命预测的难度。发明内容[0006] 本发明实施例提供一种带间隙的避雷器故障预测方法、介质及系统，以解决现有技术无法准确预测带串联间隙和并联间隙的避雷器是否故障的问题。[0007] 第一方面，提供一种带间隙的避雷器故障预测方法，包括：[0008] 搭建避雷器故障预测装置，其中，所述避雷器故障预测装置包括：无间隙避雷器、串联间隙、并联间隙、金属板、电源、电压测量元件和时间继电器，所述串联间隙与所述无间隙避雷器串联，所述并联间隙与所述无间隙避雷器并联，所述电源与所述金属板的相对的第一端和第二端并联，所述电压测量元件与所述金属板的相对的第三端和第四端并联，用于采集所述金属板的电压，其中，所述金属板的第三端和第四端为所述电源对所述金属板通电后使所述金属板产生的电压的方向的两端，所述电压测量元件连接所述时间继电器，所述时间继电器与所述串联间隙并联；[0009] 控制所述电源向所述金属板通电产生雷电过电压后，控制所述时间继电器闭合，以短接所述串联间隙，使所述无间隙避雷器产生泄露电流；[0010] 根据采集的所述泄露电流、所述金属板的电压、所述无间隙避雷器导通次数和所述无间隙避雷器运行年份，获得所述无间隙避雷器是否故障的预测结果。[0011] 第二方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；所述计算机程序指令被处理器执行时实现如第一方面实施例所述的带间隙的避雷器故障预测方法。[0012] 第三方面，提供一种带间隙的避雷器故障预测系统，包括：如第二方面实施例所述的计算机可读存储介质。[0013] 这样，本发明实施例，可以使得带串联间隙的避雷器发生雷电过电压时，能够在过电压结束后测量避雷器上的泄露电流，并通过修正泄漏电流、金属板的电压、无间隙避雷器导通次数和无间隙避雷器运行年份，采用神经网络预测避雷器是否故障，预测结果准确；此外，在发生工频过电压时，并联间隙导通，泄放过电压能量，确保避雷器本体不会动作，使得避雷器的寿命不会产生损耗。附图说明[0014] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述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。[0015] 图1是本发明实施例的带间隙的避雷器故障预测方法的流程图；[0016] 图2是本发明实施例的避雷器故障预测装置的结构框图；[0017] 图3是本发明实施例的数据修正的示意图。具体实施方式[0018] 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。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取的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0019] 本发明实施例公开了一种带间隙的避雷器故障预测方法。如图1所示，本发明实施例的方法包括如下的步骤：[0020] 步骤S101：搭建避雷器故障预测装置。[0021] 具体的，如图2所示，避雷器故障预测装置包括：无间隙避雷器1(可以是金属氧化物避雷器)、串联间隙2、并联间隙3、金属板4、电源5、电压测量元件6和时间继电器7，串联间隙2与无间隙避雷器1串联，并联间隙3与无间隙避雷器1并联，电源5与金属板4的相对的第一端和第二端(如图2所示的金属板4的左右两端)并联，电压测量元件6(例如，电压表)与金属板4的相对的第三端和第四端并联，用于采集金属板4的电压，其中，金属板4的第三端和第四端为电源5对金属板4通电后使金属板4产生的电压的方向的两端(如图2中所示的金属板4的上下两端)，电压测量元件6连接时间继电器7，时间继电器7与串联间隙3并联，无间隙避雷器1接地。[0022] 上述的金属板4、电源5、串联间隙2形成基于霍尔效应的霍尔开关。霍尔开关的过电压所产生的磁场变化使得开关动作，即串联间隙2导通；在串联间隙2前加一个时间继电器7，当产生过电压，时间继电器7分担大部分电压防止霍尔开关的损坏。当电压测量元件6检测的电压超过阈值后，经过时间继电器7延时控制，便会使得串联间隙2动作闭合短接，短接后便可以有效监测无间隙避雷器1的泄露电流大。员憬徊脚卸衔藜湎侗芾灼1是否损坏。本发明实施例形成的霍尔开关具有快速和可靠的断路功能，可以用于保护电力系统设备免受过载、短路、接地等故障的影响，可以代替传统的断路器和隔离开关，提高电力系统的稳定性和可靠性。[0023] 步骤S102：控制电源向金属板通电产生雷电过电压后，控制时间继电器闭合，以短接串联间隙，使无间隙避雷器产生泄露电流。[0024] 区别于现有技术的泄漏电流为避雷器发生了动作时的电流，本发明实施例的霍尔开关的导通条件为避雷器处出现了雷电过电压即为导通，因此，并非每一次霍尔开关的导通都意味着避雷器的动作，所以，该情况下避雷器的寿命几乎不会产生损耗。[0025] 步骤S103：根据采集的泄露电流、金属板的电压、无间隙避雷器导通次数和无间隙避雷器运行年份，获得无间隙避雷器是否故障的预测结果。[0026] 泄露电流可通过电流传感器采集。金属板的电压为电压测量元件采集的电压。无间隙避雷器导通次数为当前无间隙避雷器已导通的次数。无间隙避雷器运行年份为无间隙避雷器投入使用后的使用年数。[0027] 以35kV金属氧化物避雷器为例，该避雷器在正常运行时的总泄露电流大约为200μA，并且随着避雷器的老化，其泄露电流将呈现增大的趋势；35kV金属氧化物避雷器在20kA大电流下冲击20次后，可认为其寿命终止；根据各地区避雷器的使用寿命统计，一般情况下，避雷器的寿命为20年左右。基于此，设计一个串并联概率模型(如图3所示)来对输入神经网络的数据进行修正，具体的，该步骤包括如下的过程：[0028] 1、计算泄露电流与第一权重的乘积，得到泄露电流的修正值，以及，金属板的电压与第二权重的乘积，得到金属板的电压的修正值。[0029] 第一权重和第二权重可根据经验设置，例如，第一权重为0.8，第二权重为0.7，则泄露电流的修正值f(I)的计算式为：f(I)＝0.8I，金属板的电压的修正值f(U)的计算式为：f(U)＝0.7U，I为泄露电流，U为金属板的电压。[0030] 2、计算泄露电流的修正值与金属板的电压的修正值的乘积，得到第一修正值。[0031] 第一修正值f(p)的计算式为：f(p)＝f(I)*f(U)。[0032] 3、计算无间隙避雷器导通次数与第三权重的乘积，得到第二修正值。[0033] 第三权重可根据经验设置，例如，第三权重为0.9，则第二修正值f(n)的计算式为：f(n)＝0.9n，n为无间隙避雷器导通次数。[0034] 4、计算无间隙避雷器运行年份与第四权重的乘积，得到第三修正值。[0035] 第四权重可根据经验设置，例如，第四权重为0.9，则第三修正值f(m)的计算式为：f(m)＝0.9m，m为无间隙避雷器运行年份。[0036] 5、判断第一修正值是否大于第一阈值，第二修正值是否大于第二阈值，第三修正值是否大于第三阈值。[0037] 第一阈值、第二阈值、第三阈值可根据经验设置。[0038] 6、若第一修正值不大于第一阈值，和/或，第二修正值不大于第二阈值，和/或，第三修正值不大于第三阈值，则将第一修正值、第二修正值和第三修正值输入训练后的神经网络，输出无间隙避雷器是否故障的预测结果。[0039] 若第一修正值大于第一阈值，第二修正值大于第二阈值，以及，第三修正值大于第三阈值，则表明无间隙避雷器已经故障，无需再通过后续步骤进行预测。[0040] 若第一修正值不大于第一阈值，和/或，第二修正值不大于第二阈值，和/或，第三修正值不大于第三阈值，则表明无法确定无间隙避雷器是否故障，需通过神经网络进一步预测。[0041] 神经网络可以采用BP神经网络。当神经网络输出的结果为1，表明预测无间隙避雷器故障；输出的结果为0表明预测无间隙避雷器未故障。当预测无间隙避雷器故障，则应当立即进行检修或者更换无间隙避雷器。[0042] 应当理解的是，该神经网络预先进行训练。训练可具体通过大电流冲击实验，得到足够数量的样本数据。将避雷器的泄露电流的历史数据与其通过20kA大电流下的冲击次数导致避雷器损坏的历史数据，以及避雷器运行年数的历史数据进行修正后，输入到神经网络中进行训练，得到神经网络的训练结果。当训练样本超过预设数量(例如100)，并且神经网络的预测准确率超过预设准确率(例如95％)时，可认为其结果已经足够收敛且准确可靠。由于训练采用的初始的历史数据来源于交流无间隙金属氧化物避雷器，而本发明实施例采用有串联间隙的金属氧化物避雷器，因此，该训练数据在训练的过程中也会进行更新以及迭代收敛计算。[0043] 优选的，在控制时间继电器闭合之前，本发明实施例的方法包括如下的步骤：[0044] 1、判断金属板的电压是否大于电压阈值。[0045] 2、若金属板的电压大于电压阈值，则判断金属板的电压的种类。[0046] 具体的，该判断的过程如下：[0047] 若金属板的电压大于电压阈值的时长超过第一预设时长，则确定金属板的电压为工频过电压，否则为雷电过电压。[0048] 开关装置主要应用的原理是霍尔效应，将金属板通上直流电，金属板将会产生一个固定流向的稳定电流。同时，金属板上将穿过由线路供给的交变磁。耸，电压测量元件将检测到一个稳定的电压，设为ε伏特。当过电压通过时，板间磁场急剧变大，电压测量元件检测到的电压也将增大。为排除线路电压波动造成的影响，设定电压阈值为1.1ε。[0049] 绝大部分的操作过电压与雷电过电压的持续时间都不会超过100ms，因此，可设置第一预设时长设为10ms。[0050] 本发明实施例的装置设置了并联间隙，因此，发生工频过电压时，并联间隙将会导通，泄放过电压能量，无间隙避雷器不会动作，该情况下无间隙避雷器的寿命不会产生损耗。[0051] 3、若金属板的电压为雷电过电压，则向时间继电器发送闭合的信号。[0052] 优选的，时间继电器收到闭合的信号后等待第二预设时长再闭合，以避免时间继电器在过电压时间内动作而导致损坏。第二预设时长可根据经验设置，例如，第二预设时长为3s。[0053] 时间继电器闭合持续第三预设时长后断开。第三预设时长可根据经验设置，例如，第三预设时长为1min。[0054] 此外，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；所述计算机程序指令被处理器执行时实现如上述实施例所述的带间隙的避雷器故障预测方法。[0055] 此外，本发明实施例还提供一种带间隙的避雷器故障预测系统，包括：如上述实施例所述的计算机可读存储介质。[0056] 综上，本发明实施例，可以使得带串联间隙的避雷器发生雷电过电压时，能够在过电压结束后测量避雷器上的泄露电流，并通过修正后泄漏电流、金属板的电压、无间隙避雷器导通次数和无间隙避雷器运行年份，采用神经网络预测避雷器是否故障，预测结果准确；此外，在发生工频过电压时，并联间隙导通，泄放过电压能量，确保避雷器本体不会动作，使得避雷器的寿命不会产生损耗。[0057] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

专利地区：宁夏

专利申请日期：2024-03-04

专利公开日期：2024-11-12

专利公告号：CN118393237B