本文摘要：摘要：受电容器充放电时间常数、电磁式机械翻牌动作时间的限制，以及放电电流的波形差异的影响，实际运行放电计数器存在不可靠动作的问题，尤其是难以记录多重雷击作用下的动作情况，给过电压分析、避雷器动作状态的评估带来困难。因此，笔者在分析传统放电计数器动作
摘要：受电容器充放电时间常数、电磁式机械翻牌动作时间的限制，以及放电电流的波形差异的影响，实际运行放电计数器存在不可靠动作的问题，尤其是难以记录多重雷击作用下的动作情况，给过电压分析、避雷器动作状态的评估带来困难。因此，笔者在分析传统放电计数器动作特性基础上，提出改进计数器动作特性的脉冲电流提取方法，设计了相应的脉冲电流测量线圈和信号提取电子电路，实测了信号测量线圈和电子电路的准确性。试验证明，该电流提取线圈能可靠还原冲击电流陡波、标准雷电波和操作波电流波形，误差小于0.2%;电子电路能快速记录间隙时间不小于20ms放电脉冲序列，可有效解决多重雷击作用下的放电计数器动作记录问题。
关键词：放电计数器;动作特性;多重雷击;避雷器
0引言在线路避雷器的运行中，由于流过计数器放电电流的波形较试验波形差异较大，造成计数器不能可靠动作，给过电压分析、避雷器动作状态的评估带来困难[1-5]。近年来，南方电网就出现了多起由于雷击引起设备损坏但现场避雷器放电计数器未动作的情况，给事故分析带来了困难[6-7]。
传统放电计数器采用冲击电流分流储能方式，储能大小与避雷器动作电流幅值及持续时间密切相关，由于避雷器动作过后，R1呈现高阻特性，电容器储能通过电磁计数器电磁线圈释放驱动电磁式计数器动作。电磁式计数器能否动作取决于电容C上是否储存有足够的能量。我国行标JB/T10492-2017[8]中规定了计数器动作电流上、下值，它是表征计数器必须具备的正确动作电流值。
通常上限动作电流为避雷器标称放电电流，下限电流沿用了SiC避雷器及其灭弧能力确定的电流值50A。在放电计数器的型式试验和出厂试验中也依据行标对放电计数器的动作电流上、下限进行了测试，试验电流波形为8/20μs的冲击电流，而对其它雷电流波形下放电计数器的动作特性却没有进行过测试[9-10]。
仿真计算表明，对变电站内设备危害最大的近区雷击在站内MOA上引起的放电流波头时间通常在2μs左右，在如此陡的雷电流作用下，其与R2分压后两端的电压将减小，导致电容C充电不足，从而使C对L的放电电流不足以驱使计数器指针移动，致使放电计数器不能正确动作。因此，笔者对传统避雷器的动作特性进行分析，提出改进避雷器动作特性的措施，使得改进后的放电计数器能可靠记录多重雷击下可靠动作的要求。
1传统放电计数器动作特性分析
1.1动作电流下限值受波形参数影响
假设有电源Vu通过电阻R给电容C充电，V0为电容上的初始电压值，Vu为电容充满电后的电压值，Vt为任意时刻t时电容上的电压值，那么便可以得到Vt的计算公式为Vt=V0+Vu-V0()·1-e-t(RC)(1)如果电容上的初始电压为0，则公式可以简化为Vt=Vu-V0()·1-e-t(RC)(2)式中RC为回路的时间常数，若C的单位是μF，R的单位是MΩ，时间常数的单位是s。根据上式可知：当t=RC时，Vt=0.63Vu;当t=2RC时，Vt=0.86Vu;当t=3RC时，Vt=0.95Vu;当t=4RC时，Vt=0.98Vu;当t=5RC时，Vt=0.99Vu。可见，经过3～5个RC后，充电过程基本结束。计数器充电回路的时间常数是确定的，相同幅值而不同波头时间的雷电流波形作用于该回路时，经过相同的充电时间后，电容C上的电压是不同的，波头时间长的雷电流将得到较高的电压，波头时间短的雷电流将得到降低的电压。
假定能使电磁式计数器动作的电容器C的电压是一定的，当波头时间短时，就需要较高幅值的雷电流才能使放电计数器动作。因此，电磁式计数器的元件特性已经确定了动作需要能量消耗，能量来源是避雷器动作电流，即放电计数器的动作特性与流经避雷器的电流波形参数、电流幅值及其持续时间密切相关。对于波头缓、波形宽的电流，在较小电流幅值作用下放电计数器便能可靠动作;而对于陡波头，波形窄的电流，需要较高幅值的电流才能驱动计数器动作。
为此，选择在8/20μs波形下限动作电流值为500A的放电计数器3只，分别记为A、B、C，进行试验验证。试验结果表明，不同电流波形的冲击电流作用下，避雷器放电计数器的动作电流下限值不同，波形越陡，下限电流值越高。
1.2动作频率特性分析当电容充满电后，将对计数器进行放电，从而驱动计数器动作，该过程也可用一个R-C电路进行描述，则任意时刻t，电容上的电压为Vt=Vu·e-tRC(3)计数器内阻一般在2.5kΩ左右，储能电容通常4～12μF，其时间常数10～30ms，计数器主要用于记录电脉冲信号次数的累计。电信号输入计数器后，在电磁铁中产生吸力，使衔铁带动拨盘机构，驱使数字轮转动进行十进制计数。在实际应用中，计数器的衔铁吸合和释放电压不同，在避雷器放电计数器电路中，电磁计数器的释放电压通常为24V。电容器的充电电压变化范围较大，最高可达500V。
在最好充电电压作用下，电容器放电电压降至电磁计数器的衔铁释放电压需要4倍时间常数时间，因此，传统避雷器电磁计数器的最大工作频率只能达到8～25次/秒。考虑计数可靠、回路参数差异、器件间差异，一般选择工作频率在5～10次/秒之间。然而，自然雷电过程中，每两次回击之间的时间间隔约为几十毫秒[11-13]，因此，利用传统的放电计数器难以将自然界中的多重雷击可靠地记录下来。
2放电计数器动作特性改进措施研究
2.1下限动作值和频率特性解决思路
2.1.1下限动作电流值受波形参数影响的解决
传统电磁计数器的计数需要足够的电能进行驱动，电能来源于避雷器动作电流。不同泄漏电流波形参数，提供的能量必然不同。针对该问题，可采用利用脉冲电流传感器流经避雷器的电流进行电流转换，转换后的电流通过电子电路实现高效的计数。为了进一步满足不同电流波形下限动作电流足够低，且能有效避免其他干扰造成的误动作，可采用比较电路，设定电流下限门槛值，高于门槛值的电流才送入主控单元进行计数。
2.1.2多重雷击作用下可靠记录的解决多重雷击间隔时间较短，大多在几十毫秒数量级。为此，可采用单片机中断的方式对多重雷击进行记录，并设定中断一次的屏蔽时间，防止单次雷击反击引起的误动作。
2.2放电计数器改进措施设计电磁计数器从电阻上提取电压信号，给电容充电驱动电磁式计数器翻转，响应比较慢，提出采用电子式对传统放电计数器进行改进。改进的放电计数器，通过Rogowski线圈对脉冲电流进行提取，将提取的信号传给处理单元处理后，进行数据显示，并将动作信号存储在MCU中央处理器，不仅实现了动作次数的显示，同时实现了动作次数的存储。
2.2.1Rogowski线圈设计
常用Rogowski线圈有两种积分电路—自积分和外积分。自积分线圈通常用于高频率的脉冲电流测量，外积分电路应用范围较宽。
3放电计数器改进试验验证
3.1Rogowski线圈输出信号验证
设计了铁氧体磁芯ϕ40/ϕ24×14.5，二次采用1.0漆包线100匝，积分电阻采用0.2×10mm康铜箔制作了一个线圈，线性度误差小于0.2%。为了进一步验证Rogowski线圈对脉冲电流波形的可靠还原，测试了典型波形下Rogowski线圈波形输出。实测结果可知，Rogowski线圈对陡波、标准雷电波和操作波能够很好的还原。
4结论
为了实现放电计数器对多重雷击避雷器的可靠记录，本研究在分析传统电磁式放电计数器动作特性的基础上，提出了改进放电计数器的雷击动作特性的方法，设计了雷击脉冲电流微型线圈和雷击脉冲信号处理电子电路，并试验验证了脉冲电流微型线圈对冲击电流陡波、标准雷电波和操作波的信号还原能力，还原后的波形与原脉冲电流波误差小于0.2%，利用交流电源模拟多重雷击间隔信号，测得电子电路正确反映间隔20ms的脉冲序列。该方法可有效解决多重雷击作用下放电计数器的动作问题。
参考文献：
[1]矫立新，王朔，孙友群，刘赫，刘俊博，列剑平，朱大铭.变电站500kV金属氧化物避雷器故障分析[J].电瓷避雷器，2018(4)：98-101.JIAOLixin，WANGShuo，SUNYouqun，LIUHe，LIUJunbo，LIEJianping，ZHUDaming.Faultanalysisof500kVmetaloxidearresterinsubstation[J].InsulatorsandSurgeArresters，2018(4)：98-101.
[2]崔龙跃，郭洁，余涌.避雷器放电计数器的动作灵敏性研究[J].电瓷避雷器，2011(6)：65-69.CUILongyue，GUOJie，YUChong.Researchonactionsensitivityofdischargecounterforsurgearrester[J].In⁃sulatorsandSurgeArresters，2011(6)：65-69.
[3]陆春玉，张晋寅，王竣.高压避雷器计数器有效校验方法研究及有效校验装置研制[J].电瓷避雷器，2015，4(2)：77-81.
作者：安志国1，胡上茂2，蔡汉生2，刘刚2，廖民传2，屈路2，何嘉兴1
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