氧化鋅避雷器在線監(jiān)測(cè)方法的現(xiàn)狀與發(fā)展

韓 晗，潘學(xué)萍

(1.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司泗陽(yáng)縣供電公司，江蘇 泗陽(yáng) 223700)

氧化鋅避雷器在線監(jiān)測(cè)方法的現(xiàn)狀與發(fā)展

韓 晗1,2，潘學(xué)萍1

(1.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司泗陽(yáng)縣供電公司，江蘇 泗陽(yáng) 223700)

為了保證氧化鋅避雷器的安全運(yùn)行，必須對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為了選擇避雷器狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)的最佳方式，對(duì)每種監(jiān)測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)及其適用范圍進(jìn)行分析。結(jié)果表明，目前對(duì)避雷器狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的最有效的方法是諧波分析法。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)通過(guò)對(duì)阻性泄漏電流進(jìn)行修正，以及對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行快速離散傅里葉變換時(shí)選取合適的窗函數(shù)能夠改善諧波分析法的不足。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外監(jiān)測(cè)技術(shù)的總結(jié)可以發(fā)現(xiàn)，未來(lái)氧化鋅避雷器在線監(jiān)測(cè)方法的總體發(fā)展趨勢(shì)是形成全自動(dòng)、多功能的綜合性絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

氧化鋅避雷器；安全運(yùn)行；運(yùn)行狀態(tài)；在線監(jiān)測(cè)；諧波分析法；阻性泄漏電流

傳統(tǒng)的避雷器由碳化硅構(gòu)成，現(xiàn)已逐漸被金屬氧化物避雷器(metal oxide surge arrester，MOA)所取代。MOA由氧化鋅(ZnO)閥片構(gòu)成，它具有良好的非線性特性，能夠保護(hù)電網(wǎng)中設(shè)備免受過(guò)電壓危害[1-4]。氧化鋅避雷器屬于無(wú)間隙型避雷器，工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生泄漏電流，在長(zhǎng)時(shí)間承受系統(tǒng)運(yùn)行電壓的情況下，氧化鋅閥片的性能會(huì)遭受損害[5]。如果避雷器不嚴(yán)或結(jié)構(gòu)不良會(huì)使閥片和內(nèi)部結(jié)構(gòu)受潮，加上環(huán)境污染和劣化也會(huì)對(duì)閥片造成損害，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致避雷器損壞或爆炸，甚至導(dǎo)致母線短路，影響電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行[6]。

圖1 MOA簡(jiǎn)化等效電路Fig.1 Simplified equivalent circuit of MOA

一般情況下，主要依靠2種方式對(duì)避雷器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。第1種是對(duì)避雷器所在線路定期停電，進(jìn)行絕緣預(yù)防性試驗(yàn)，但試驗(yàn)電壓一般較低，達(dá)不到高電壓等級(jí)的要求，且試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，設(shè)備實(shí)際的絕緣狀況不能得到真實(shí)反映，不能及時(shí)反映故障情況[7]；第2種是通過(guò)對(duì)避雷器的特征量進(jìn)行帶電檢測(cè)來(lái)監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀況[8]，主要包括泄漏電流及其阻性分量。但在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，參考電壓的選取較為困難。除此之外，測(cè)量結(jié)果還會(huì)受相間干擾的影響。由于傳統(tǒng)的檢測(cè)方法自動(dòng)化程度低，易受人為因素影響，抗干擾能力差等問(wèn)題，已不能適應(yīng)電網(wǎng)發(fā)展的需要。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的避雷器在線監(jiān)測(cè)方法，其準(zhǔn)確度、靈敏度高，可以被視為高電壓、微電流的精密測(cè)量，增強(qiáng)了抗干擾性，且提高了性價(jià)比。

MOA是一種非線性元件，其簡(jiǎn)化等效電路如圖1所示[9]。流過(guò)MOA的總泄漏電流IX可分為阻性電流IRX和容性電流ICX兩部分。因RX為非線性電阻，IRX中不僅有基波，還含有3次、5次以及更高次諧波；雖然總泄漏電流以容性電流為主，阻性電流僅占全電流的5%～20%，但由于容性電流變化小，因此對(duì)MOA泄漏電流的監(jiān)測(cè)以阻性電流為主。在對(duì)MOA進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)時(shí)，一般采用的量測(cè)量包括IX或者IRX。對(duì)MOA進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)，常基于量測(cè)量IX或IRX的基波或諧波進(jìn)行。

圖2 全電流在線監(jiān)測(cè)原理Fig.2 Full current online monitoring

1 基于全電流量測(cè)信號(hào)的在線監(jiān)測(cè)方法

全電流在線監(jiān)測(cè)是避雷器全電流監(jiān)測(cè)的主要方法之一，郝成鋼[10]通過(guò)在避雷器的接地線串聯(lián)一個(gè)特制的交流毫安表，來(lái)測(cè)量避雷器全電流，該方法還可以統(tǒng)計(jì)避雷器的放電次數(shù)。吳朦朦[11]進(jìn)一步將采集的全電流進(jìn)行傅里葉變換，根據(jù)諧波電流進(jìn)行在線檢測(cè)。避雷器閥片在受潮受污或者劣化時(shí)，閥片的阻性電流會(huì)明顯增加，從而總的泄漏電流也會(huì)相應(yīng)增加，其原理見圖2。

以全電流作為量測(cè)信號(hào)可以檢測(cè)出老化或者受潮嚴(yán)重的避雷器，但是對(duì)避雷器早期的受潮和老化等漸進(jìn)影響無(wú)法檢測(cè)。

2 基于阻性電流量測(cè)信號(hào)的在線監(jiān)測(cè)方法

根據(jù)避雷器的阻性電流以及由此產(chǎn)生的功耗，可以發(fā)現(xiàn)MOA的早期老化問(wèn)題。但由于阻性電流只占全電流的5%～20%，因此僅監(jiān)測(cè)全電流很難判斷避雷器的絕緣劣化，故應(yīng)對(duì)阻性電流進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)[12]。

圖3 3次諧波法原理Fig.3 Third harmonic method

2.1 阻性電流3次諧波法

當(dāng)MOA老化時(shí)，阻性電流的3次諧波分量顯著增加[13]。3次諧波法是將電流互感器CT套在三相總接地線上，系統(tǒng)電壓中沒(méi)有諧波存在(理想狀態(tài)下)，三相電流中的容性電流與阻性電流基波因120°相角差相互抵消，CT測(cè)到的是避雷器阻性電流的三相高次諧波分量之和，除3次諧波之外其他高次諧波占有量極少，因此主要為三相3次諧波之和I0[14]。徐志鈕等[15]就是根據(jù)測(cè)量得到的I0來(lái)判斷避雷器是否出現(xiàn)故障，原理如圖3所示。

避雷器絕緣性能正常時(shí)，I0很小，當(dāng)某相避雷器出現(xiàn)故障時(shí)，因三相泄漏電流基波分量不能互相抵消，會(huì)明顯增大。三相諧波法不需要采集系統(tǒng)電壓就可測(cè)量避雷器的阻性電流3次諧波，測(cè)量方法簡(jiǎn)單。但是當(dāng)系統(tǒng)電壓存在諧波分量時(shí)，測(cè)量結(jié)果誤差較大；避雷器之間的電容耦合可能導(dǎo)致其相角差不再嚴(yán)格對(duì)稱，阻性電流基波和容性電流部分未被抵消，I0會(huì)出現(xiàn)不同程度的增加，影響測(cè)量結(jié)果；同時(shí)不同廠家生產(chǎn)的避雷器閥片的特性有所差異，3次諧波與阻性電流值的函數(shù)關(guān)系各有差異，且閥片老化前后又有不同，也會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，容易造成誤判。因此，3次諧波方法不具備通用性。

2.2 諧波分析法

諧波分析法是目前應(yīng)用較為廣泛的一種監(jiān)測(cè)手段。該方法將采集的全電流和母線電壓的信號(hào)進(jìn)行離散數(shù)字化，對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換在頻域中求得電流、電壓的基波、各次諧波的幅值和相位[16]。

諧波分析法能同時(shí)測(cè)量阻性電流和阻性電流高次諧波分量等重要特征量，當(dāng)電網(wǎng)電壓存在諧波時(shí)，諧波分析法能更準(zhǔn)確靈敏地反映出特征量情況，且具有較高的穩(wěn)定性，是所有在線監(jiān)測(cè)方法中較為全面的方法。諧波分析法的不足是電壓和電流相位容易受到三相避雷器相間干擾。在變電站中，三相避雷器靠的比較近，各個(gè)避雷器之間存在雜散分布電容，鄰相電壓通過(guò)分布電容對(duì)避雷器造成耦合干擾，導(dǎo)致避雷器的泄漏電流中含有耦合電容電流成分[17-18]。避雷器上的電壓等級(jí)和之間的距離決定了這種干擾程度的大小。

當(dāng)三相避雷器采用一字形排列時(shí)，由于耦合電容造成的角度偏差如下[19-20]：

(1)

式中：φ0——耦合電容造成的偏差角；φAC——避雷器A相與C相的泄漏電流相位差。

避雷器各相阻性電流的修正如下：

(2)

(3)

(4)

設(shè)A相避雷器和C相避雷器位于邊相，根據(jù)對(duì)稱關(guān)系可知A相和C相的夾角為120°+2φ0。通過(guò)測(cè)量?jī)蛇呄啾芾灼餍孤╇娏鞣岛拖辔?，根?jù)式(1)求出φ0。

MOA在線監(jiān)測(cè)裝置需要采集電流、電壓等信號(hào)，根據(jù)奈奎斯特定理，信號(hào)采樣需滿足采樣頻率是對(duì)象信號(hào)頻率的整數(shù)倍。然而電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)可能產(chǎn)生頻率波動(dòng)，采樣率無(wú)法嚴(yán)格是電網(wǎng)基波頻率的整數(shù)倍，造成部分頻譜泄漏，帶來(lái)測(cè)量結(jié)果的誤差[21]。

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用諧波分析方法時(shí)需要對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，實(shí)際的傅里葉變換運(yùn)算只能對(duì)有限長(zhǎng)度的信號(hào)進(jìn)行處理，這種時(shí)域截?cái)喾治龇椒ㄒ矔?huì)導(dǎo)致信號(hào)能量泄漏。由于傅里葉運(yùn)算后，其頻譜分量在頻域中的表現(xiàn)是離散的，這種現(xiàn)象被稱為“柵欄效應(yīng)”[22]。

減少“柵欄效應(yīng)”最有效的辦法是增加時(shí)域信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)。也可通過(guò)改變窗函數(shù)的形狀減少頻譜的泄漏?？赏ㄟ^(guò)選取主瓣寬度窄、旁瓣較小及衰減速率較快的窗函數(shù)，盡可能將能量集中在主瓣內(nèi)。

2.3 容性電流補(bǔ)償法

容性電流補(bǔ)償法通過(guò)硬件補(bǔ)償電路，將總泄漏電流中的容性電流補(bǔ)償?shù)舻玫阶栊噪娏鱗23-24]。但在實(shí)際應(yīng)用中，硬件補(bǔ)償電路往往不能實(shí)現(xiàn)完全的90°相移，因此會(huì)造成一定的測(cè)量誤差。張振洪等[25]、張志鵬等[26]針對(duì)這一不足提出了改進(jìn)的補(bǔ)償算法。容性補(bǔ)償法理論上可以去掉各次容性諧波成分，但其精度受到采樣周期點(diǎn)選取的影響。當(dāng)采樣頻率無(wú)法達(dá)到對(duì)象信號(hào)頻率的整數(shù)倍時(shí)，會(huì)造成部分頻譜泄漏，從而導(dǎo)致測(cè)量及檢測(cè)誤差。

日本研發(fā)的LCD-4是利用補(bǔ)償法測(cè)量阻性電流的代表性儀器[27]，目前也被國(guó)內(nèi)廣泛采用，其通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)增益來(lái)補(bǔ)償容性電流，可以監(jiān)測(cè)流經(jīng)避雷器的阻性電流分量和阻性電流產(chǎn)生的功耗[28]。

LCD-4現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的不足是：(a)需要從電壓互感器二次側(cè)獲取電壓信號(hào)，電壓互感器本身存在相移；(b)對(duì)容性電流信號(hào)不能有效補(bǔ)償，誤差很大，隨著電壓等級(jí)的增高誤差會(huì)相應(yīng)增大；(c)避雷器相間存在電磁干擾和耦合電容，影響測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性；(d)避雷器閥片具有交流伏安特性，其電流、電壓同時(shí)過(guò)零時(shí)存在不同程度的滯回現(xiàn)象。由于生產(chǎn)廠家的工藝區(qū)別，不同規(guī)格避雷器閥片的滯回程度不一，也會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)一定的誤差。

2.4 多元補(bǔ)償法

當(dāng)電網(wǎng)存在諧波時(shí)(電網(wǎng)正常工作允許存在小于1%～2%的諧波)，避雷器的等效電容會(huì)產(chǎn)生容性電流基波之外的高次諧波，電壓的諧波次數(shù)越高，容抗相應(yīng)變小，容性電流隨之增加。避雷器閥片本身?yè)诫s雜散電容，并不全部等效成線性電容，容性電流的高次諧波難免存在。當(dāng)容性諧波比例相對(duì)較高時(shí)，測(cè)量誤差明顯增加。因此，有必要研究測(cè)量阻性電流時(shí)容性電流高次諧波對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)的誤差影響。

與常規(guī)的容性電流補(bǔ)償法不同，多元補(bǔ)償法針對(duì)容性電流各次諧波分別進(jìn)行補(bǔ)償[29]。該方法不直接通過(guò)電壓互感器端獲得補(bǔ)償信號(hào)，而是在電壓互感器端交流電壓過(guò)零時(shí)發(fā)出一個(gè)中斷信號(hào)，以啟動(dòng)A/D對(duì)避雷器泄漏電流采樣，并記錄此時(shí)電壓和全電流之間的相位差，計(jì)算機(jī)根據(jù)相位差自動(dòng)生成和容性電流各諧波成分對(duì)應(yīng)同相位的補(bǔ)償信號(hào)。

多元補(bǔ)償法在理論上完全可以去掉各次容性諧波成分，通過(guò)模擬仿真計(jì)算能達(dá)到較高的準(zhǔn)確度，但其精度受到采樣周期點(diǎn)選取的影響。當(dāng)采樣頻率無(wú)法達(dá)到對(duì)象信號(hào)頻率的整數(shù)倍時(shí)，會(huì)造成部分頻譜泄漏，無(wú)法還原完整的原始信號(hào)，帶來(lái)測(cè)量結(jié)果的誤差。

3 其他在線監(jiān)測(cè)方法

以上主要介紹了國(guó)內(nèi)的基本監(jiān)測(cè)方法，國(guó)外對(duì)避雷器在線監(jiān)測(cè)的研究始于20世紀(jì)60年代。美國(guó)是最早進(jìn)行研究的國(guó)家，隨后是前蘇聯(lián)、日本和瑞典。前蘇聯(lián)的研究領(lǐng)域主要為局部放電監(jiān)測(cè)、容性絕緣設(shè)備監(jiān)測(cè)。日本前期主要對(duì)變壓器的局部放電監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行了研究。到了20世紀(jì)80年代，日本東京電力公司首次使用電流互感器技術(shù)采集泄漏電流，對(duì)提高在線監(jiān)測(cè)的精確度有重大意義。1990年，瑞典ABB公司通過(guò)補(bǔ)償電網(wǎng)諧波產(chǎn)生的容性電流，得出流過(guò)避雷器的阻性電流。2012年西門子研制出ACM智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其利用電場(chǎng)感應(yīng)獲取信號(hào)電壓，并采用了壽命趨勢(shì)分析算法來(lái)預(yù)估避雷器的使用壽命。2012年挪威Doble公司研發(fā)的LCM500在15 min之內(nèi)可以確定避雷器是否良好以及避雷器是否受到保護(hù)。目前應(yīng)用較多的為基于表面聲波傳感器的溫度測(cè)量法[30]以及雙電流傳感器法[31]。在測(cè)量時(shí)，國(guó)外在避雷器上大量應(yīng)用脫離器，避雷器故障時(shí)，脫離器使避雷器引線與系統(tǒng)斷開，并給出故障避雷器的可見標(biāo)志[32]，但其沒(méi)有切斷故障電流的能力，不一定能防止避雷器爆炸，尚未在國(guó)內(nèi)得以應(yīng)用。此外，Almeida等[33]研究出一種使用熱成像技術(shù)檢測(cè)和診斷避雷器故障的方法。Neto等[34]提出利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)避雷器溫控技術(shù)進(jìn)行分析，根據(jù)熱模式識(shí)別出故障避雷器。Lira等[35]提出利用一種特殊的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即自組織映射地圖對(duì)泄漏電流的諧波分量的特征量進(jìn)行分類的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)避雷器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

4 在線監(jiān)測(cè)方法發(fā)展趨勢(shì)

目前MOA的在線監(jiān)測(cè)方式主要選取全電流、阻性電流和阻性電流3次諧波作為主要特征量，它們能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)MOA狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)?；谌娏髁繙y(cè)信號(hào)的在線監(jiān)測(cè)方法適用于老化和受潮較為嚴(yán)重的避雷器，測(cè)量精度仍有待提升?；谧栊噪娏髁繙y(cè)信號(hào)的在線監(jiān)測(cè)方法能夠更準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)避雷器早期的老化和受潮問(wèn)題，對(duì)避雷器狀況的反映較為全面。在實(shí)際情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)避雷器的精確診斷需要多方面的特征量。避雷器的表面污穢以及環(huán)境干擾等都有可能會(huì)引起誤判。因此，在監(jiān)測(cè)中需要綜合實(shí)際情況全面探討影響避雷器的各種因素，構(gòu)建一套全方位的在線監(jiān)測(cè)模型，并且應(yīng)結(jié)合避雷器閥片特性和現(xiàn)場(chǎng)情況做大量的試驗(yàn)研究，總結(jié)一套確切可行的診斷標(biāo)準(zhǔn)。除此之外，在對(duì)避雷器特征量進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境一般較為復(fù)雜，很難保證采集數(shù)據(jù)的精度，因此，在今后的研究中，應(yīng)著重加強(qiáng)對(duì)傳感器技術(shù)及測(cè)量方法進(jìn)行改進(jìn)，從而提高數(shù)據(jù)采集的精度。

未來(lái)避雷器在線測(cè)試技術(shù)發(fā)展的主要方向是形成全自動(dòng)、多功能的綜合性絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，運(yùn)行人員可以通過(guò)該系統(tǒng)對(duì)避雷器進(jìn)行實(shí)時(shí)在線巡回監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)的整體運(yùn)行通過(guò)主控室內(nèi)的主機(jī)實(shí)現(xiàn)控制，并能夠借助通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的兼容與共享，形成一個(gè)全方位的智能監(jiān)控中心，電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)控制的整體自動(dòng)化將成為可能。

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Present state and future of online monitoring methods of ZnO arresters

HAN Han1,2, PAN Xueping1

(1.CollegeofEnergyandElectricalEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.SiyangPowerSupplyCompany,StateGridJiangsuElectricPowerCompanyofChina,Siyang223700,China)

It is necessary to monitor the state of ZnO arresters to guarantee their safe operation. In order to select a best way to monitor the state of arresters, the advantages, disadvantages, and application of each monitoring method were analyzed. The results show that the harmonic analysis method is the most effective method. The properties of the harmonic analysis method in practical application could be improved by modifying the resistive leakage current and selecting an appropriate window function when conducting fast discrete Fourier transform on the collected signals. Through review of monitoring technologies in China and abroad, it can be found that in the future, the overall development trend of online monitoring methods of ZnO arresters is to develop fully automatic and multi-functional integrated online insulation monitoring systems.

ZnO arrester; safe operation; operation condition; online monitoring; harmonic analysis method; resistive leakage current

10.3876/j.issn.1000-1980.2017.03.014

2016-12-12

韓晗(1992—)，女，江蘇泰州人，碩士研究生，主要從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化研究。E-mail：m15651625185@163.com

TM862

A

1000-1980(2017)03-0277-06