基于電容電橋法的避雷器泄漏電流分析方法研究

孫 磊，林 婷，陳 炯，王 玥，高 源

(1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司檢修分公司，杭州 215000；2.上海電力學(xué)院，上海 200090)

基于電容電橋法的避雷器泄漏電流分析方法研究

孫 磊1，林 婷2，陳 炯2，王 玥2，高 源2

(1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司檢修分公司，杭州 215000；2.上海電力學(xué)院，上海 200090)

為了了解避雷器在運(yùn)行過(guò)程中流過(guò)電流的狀態(tài)，提出了一種基于電容電橋的測(cè)量方法對(duì)其電流進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)各成分之間的關(guān)系進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，阻性三次諧波分量占阻性分量的1/4，約在全泄漏電流中占2.5%～5%。因此通過(guò)測(cè)量阻性三次諧波分量即全泄漏電流的大小可以對(duì)阻性分量進(jìn)行預(yù)估。這為今后避雷器泄漏電流的在線監(jiān)測(cè)提供了依據(jù)。

避雷器；泄漏電流；阻性分量

金屬氧化物避雷器作為系統(tǒng)電氣設(shè)備過(guò)電壓的保護(hù)裝置，其內(nèi)部的氧化鋅閥片在長(zhǎng)期高電場(chǎng)的作用下會(huì)因老化而失效。因此，確保金屬氧化物避雷器可靠運(yùn)行具有重要意義。研究表明，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，避雷器閥片逐漸老化，其等值電阻也隨之減少，此時(shí)流過(guò)避雷器閥片的阻性電流增大，可見(jiàn)避雷器阻性電流的大小是表征老化程度的特征參數(shù)。然而，在測(cè)量阻性電流過(guò)程中，避雷器的容性電流相對(duì)較大，阻性電流在全泄漏電流中所占的比重較小，這給阻性電流測(cè)量帶來(lái)了困難[1-3]。

目前對(duì)于避雷器泄漏電流測(cè)量的方法有全泄漏電流法、基波法、補(bǔ)償法、傳統(tǒng)三次諧波法等，應(yīng)用最廣的是全電流測(cè)量。這些方法在實(shí)現(xiàn)對(duì)阻性電流測(cè)量過(guò)程中采用電流、電壓信號(hào)之間的相位差來(lái)實(shí)現(xiàn)。但在實(shí)際中，由于閥片電阻的非線性導(dǎo)致阻性電流畸變，使電流信號(hào)零位偏移，造成測(cè)量不準(zhǔn)確。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出采用電容電橋方法實(shí)現(xiàn)對(duì)避雷器泄漏電流分析，為今后避雷器泄漏電流在線監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。

1 避雷器模型

避雷器閥片的模型由閥片電阻及其表面對(duì)地電容并聯(lián)組成，其簡(jiǎn)化等值模型如圖1所示。圖2為避雷器泄漏電流相位關(guān)系示意圖。

R——金屬氧化物避雷器閥片等效非線性電阻；C——金屬氧化物避雷器閥片等效固有電容；U——系統(tǒng)電壓；I0——流過(guò)MOA的全電流；IR——金屬氧化物避雷器的阻性泄漏電流；IC——金屬氧化物避雷器的容性泄漏電流。圖1 避雷器電路簡(jiǎn)化計(jì)算模型

圖2 避雷器泄漏電流相位關(guān)系

由圖2可看出，不考慮電網(wǎng)諧波干擾時(shí)，阻性泄漏電流相位滯后容性泄漏電流90°。流過(guò)氧化鋅閥片上電壓和電流的關(guān)系表達(dá)式為U=Iα，其中K為常數(shù)與閥片的具體參數(shù)和特性有關(guān)，α為非線性系數(shù)。隨著避雷器閥片的老化，閥片的伏安特性曲線會(huì)逐漸右移，如圖3所示。

圖3 避雷器閥片老化前后伏安特性對(duì)比

2 電容電橋法測(cè)量電流理論

電容電橋法需要提供一個(gè)理想的高壓電容器[4-6]，理論上電容值需要和避雷器的等效電容相等。利用標(biāo)準(zhǔn)電容補(bǔ)償?shù)脑韴D如圖4所示，將高壓電容與避雷器并聯(lián)在同一高壓側(cè)，從同一自耦變壓器獲得的參考容性電流與避雷器中泄漏電流容性分量大小相等，相位一致失真也一致，可達(dá)到完全補(bǔ)償?shù)哪康摹和Ua、IC′和Ubs之間的轉(zhuǎn)換比例是線性，可以通過(guò)控制原理圖中轉(zhuǎn)換模塊的等效電阻Ra和Rb來(lái)改變。即Ua=IRRa+IcRa,Ub=IC′Rb,且IcRa和IC′Rb相位相同。調(diào)整Ra和Rb到適當(dāng)比例使得數(shù)值上IcRa=IC′Rb，那么兩個(gè)電阻之間的電壓差即Uab=UR。即可以實(shí)現(xiàn)參考容性電流信號(hào)完全補(bǔ)償全泄漏電流信號(hào)中的容性電流分量，從而實(shí)現(xiàn)提取阻性分量的目的。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)電容補(bǔ)償法的電路原理圖

為了接近上述完全補(bǔ)償?shù)男Ч瑢?shí)際運(yùn)行中通常采用電流互感器耦合的方式將避雷器泄漏電流及參考容性電流提取出，再通過(guò)運(yùn)算放大器構(gòu)成電流電壓變換模塊，將全泄漏電流、參考電容電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成其對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，調(diào)節(jié)變換模塊中電阻的大小，最后經(jīng)由減法器就可以提取全泄漏電流中的阻性分量電流。

3 電容電橋法測(cè)量電路設(shè)計(jì)

電容電橋法阻性電流測(cè)量系統(tǒng)包含功能模塊、電源模塊兩部分。功能模塊由電流互感器、電流電壓轉(zhuǎn)換電路、減法器組成。

(1)電流信號(hào)的提取主要通過(guò)將泄漏電流信號(hào)通過(guò)互感器的一次側(cè)感應(yīng)到二次側(cè)后轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，方便后續(xù)電路處理。論文選擇了DHP75AD系列的1∶1電流型電壓互感器，該互感器的核心是一個(gè)精密的2 mA/2 mA的電流互感器，采用高導(dǎo)磁鐵芯環(huán)氧灌封，具有精度高、線性度好、安全可靠、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。

由本研究的采用的放大器構(gòu)成電流電壓轉(zhuǎn)換電路，芯片選擇TI公司的LMC6022，利用有源的方式轉(zhuǎn)變電流信號(hào)，由于放大器的輸入阻抗幾乎為零，因此避免了電流在接入點(diǎn)產(chǎn)生壓降的問(wèn)題，比直接采用電阻并聯(lián)放大的方式輸出的波形更加接近真實(shí)波形，電流提取電路原理圖如圖5所示。D1、D2用于保護(hù)運(yùn)行放大器不會(huì)因?yàn)槔擞侩妷旱妮斎攵黄茐?，選用了TVS瞬態(tài)抑制二極管P6KE6.8C。瞬態(tài)抑制二極管是一種高性能的保護(hù)二極管，并聯(lián)于放大器兩端，若輸入電壓突然增大，二極管能夠瞬間將由高阻抗變?yōu)榈妥杩?，迅速將浪涌功率吸收消耗，穩(wěn)定輸入電壓，從而避免后續(xù)電子線路中的放大器等精密元器件受到各種瞬態(tài)高能量的破壞。

C1、R2用于相位補(bǔ)償，通過(guò)調(diào)整C1可以減小相角差。R1用于調(diào)整電流信號(hào)轉(zhuǎn)換電壓信號(hào)的放大比例，通過(guò)調(diào)節(jié)R1的大小可以得到需要的輸出電壓值，即：

UOUT=IIN×R1

(1)

但是R1的大小受芯片的閉環(huán)增益限制，在芯片對(duì)電流的放大倍數(shù)應(yīng)保持在芯片的線性工作范圍內(nèi)，否則會(huì)造成波形的畸變和不穩(wěn)定。

圖5 電流提取電路

(2)減法器同樣采用LMC6022放大器搭建，模塊原理如圖6所示，傳遞函數(shù)如式(2)所示，令R1=R2=R3=R4，則U2=U0-U1此時(shí)減法器的輸出電壓即為兩輸入電壓的差值。

(2)

圖6 減法器電路

4 電容電橋法電路調(diào)試

根據(jù)上述電路分析，對(duì)電容電橋測(cè)量電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)和制作，為了了解系統(tǒng)的測(cè)試效果，搭建了一個(gè)補(bǔ)償法測(cè)量避雷器阻性電流的系統(tǒng)并進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)搭建的連接圖如圖7所示，主要由試驗(yàn)變壓器、10 kV 100 pF高壓標(biāo)準(zhǔn)電容、杭州永德電氣生產(chǎn)的YH5WZ5-51/134有機(jī)復(fù)合絕緣交流無(wú)間隙避雷器、微安表、補(bǔ)償法測(cè)量電路組成。試驗(yàn)中全泄漏電流信號(hào)由試驗(yàn)變壓器串聯(lián)避雷器產(chǎn)生，參考容性電流由3個(gè)10 kV 100 pF高壓標(biāo)準(zhǔn)電容與試驗(yàn)升壓變壓器串聯(lián)產(chǎn)生。通道1輸出避雷器全泄漏電流對(duì)應(yīng)的電壓波形；通道2輸出參考容性電流對(duì)應(yīng)的電壓波形；通道3輸出試驗(yàn)得出的阻性電流對(duì)應(yīng)的電壓波形。測(cè)量結(jié)果如圖8所示。

圖7 系統(tǒng)搭建連接圖

圖8 阻性電流和阻容性電流對(duì)應(yīng)波形

圖9 加壓后阻性電流和阻容性電流對(duì)應(yīng)波形

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可看出，該方法可實(shí)現(xiàn)避雷器阻性電流的測(cè)量，試驗(yàn)波形可看出此時(shí)阻性電流和全泄漏電流波形相位相差小于但接近90°。定量角度可看出理論上阻性電流占全泄漏電流的10%～20%，試驗(yàn)所得避雷器泄漏電流中全泄漏電流和參考容性電流幅值均為阻性泄漏電流的8倍左右，試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際基本相一致。波形頻率以50 Hz為主，由于阻性分量中含有比例相對(duì)較大的三次諧波分量，因此試驗(yàn)所得阻性電流波形波峰和波谷處存在一個(gè)明顯的尖頂。隨著避雷器承受的電壓增大，阻性電流分量的波峰尖頂更加突出如圖9所示，氧化鋅閥片的伏安特性由小電流區(qū)進(jìn)入大電流區(qū)，三次諧波分量的增大越發(fā)明顯，符合DL/T 987—2005 《氧化鋅避雷器阻性電流技術(shù)測(cè)試儀通用技術(shù)條件》中提出的標(biāo)準(zhǔn)波形公式[7]。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)避雷器泄漏電流的分析，設(shè)計(jì)和搭建了基于電容電橋原理的避雷器泄漏電流測(cè)量系統(tǒng)，由測(cè)量結(jié)果及其分析可以得出如下結(jié)論：

(1)基于電容電橋法原理所設(shè)計(jì)的電路可實(shí)現(xiàn)對(duì)避雷器泄漏電流中容性電流的分離，阻性電流的提取；

(2)通過(guò)對(duì)阻性電流的提取可以看出，由于閥片電阻的非線性導(dǎo)致阻性電流中含有不同次諧波分量，以3次諧波為主；

(3)通過(guò)對(duì)阻性電流中3次諧波和基波的分析可知，阻性基波分量是阻性分量的3/4倍，阻性3次諧波分量是阻性電流的1/4倍，在全泄漏電流中占2.5%～5%。這與DL/T 987—2005 《氧化鋅避雷器阻性電流技術(shù)測(cè)試儀通用技術(shù)條件》中提出的標(biāo)準(zhǔn)波形公式相一致。

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(本文編輯：楊林青)

Analysis of Arrester Leakage Current Based on Capacitance Bridge Method

SUN Lei1, LIN Ting2, CHEN Jiong2,WANG Yue2, GAO Yuan2

(1.State Grid Zhegjiang Electric Power Corporation, Maintenance Branch, Ningbo 215000,China; 2.Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

In order to understand the current flowing through the arrester under high AC voltage, a measurement method based on capacitance bridge is proposed to measure the leakage current, and the relationship between the components is analyzed. The results show that the resistive three harmonic component accounts for 1/4 of the resistive component, and accounts for about 2.5%～5% of the total leakage current. Therefore, the resistance component can be estimated by measuring the resistance three harmonic component. This research aims to provide a new method for the on-line monitoring of the arrester leakage current in the future.

arrester；leakage current；resistive component

10.11973/dlyny201704003

孫 磊(1982—)，男，工程師，從事電力系統(tǒng)運(yùn)行檢修工作。

TM862

：A

：2095-1256(2017)04-0383-04

2017-06-05