基于泄漏電流三次諧波分析的高壓設(shè)備在線監(jiān)測(cè)方法*

靖文，毛凱，王麗麗

(1.鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，江蘇 鹽城 224000；2.國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司永川供電分公司，重慶 402160)

0 引 言

避雷器(Surge Arresters,SAs)是一種用于吸收由內(nèi)部操作和外部雷擊引起的過(guò)電壓的電力系統(tǒng)設(shè)備，將過(guò)電壓的幅值限制到電力系統(tǒng)可接受的安全范圍內(nèi)，避免系統(tǒng)斷電和設(shè)備故障停運(yùn)[1-2]。使用SAs可以提高電力系統(tǒng)的安全、可靠性，研究發(fā)現(xiàn)SAs的故障可能與突然斷電有關(guān)，而SAs故障之后又會(huì)進(jìn)一步影響變電站中其他設(shè)備的安全[3-4]，因此SAs在線監(jiān)測(cè)是自動(dòng)化變電站遠(yuǎn)程狀態(tài)識(shí)別的一項(xiàng)重要內(nèi)容[2,5-7]。

現(xiàn)在的避雷器在線監(jiān)測(cè)方法主要是對(duì)正常運(yùn)行時(shí)的避雷器泄漏電流進(jìn)行分解檢測(cè)，測(cè)得波形和幅值的明顯改變通常與泄漏電流阻性分量(尤其是三次諧波)有關(guān)[8]。工程中由于高壓工況安全性以及復(fù)雜性(例如在高壓側(cè)使用電壓互感器進(jìn)行測(cè)量)的原因，避雷器泄漏電流檢測(cè)常常會(huì)受到限制。文獻(xiàn)[9]提出了一種使用電磁場(chǎng)探頭測(cè)量感應(yīng)電流的方法，但這種測(cè)量方法得出的其結(jié)果有較大誤差，誤差主要來(lái)源于場(chǎng)探頭的放置位置和周?chē)姶艌?chǎng)活動(dòng)帶來(lái)的影響。

本文的主要工作是提出了一種新型避雷器在線監(jiān)測(cè)方法，該方法基于Prony -希爾伯特變換法，使用MATLAB編程對(duì)干燥、污染兩種情況下提取到的總泄露電流或內(nèi)部、外部泄漏電流信號(hào)進(jìn)行分析。本文研究了電壓諧波畸變程度對(duì)提取泄露電流信號(hào)的影響，發(fā)現(xiàn)染污情況下測(cè)量得到的泄漏電流三次諧波數(shù)值偏大。

1 基于PRONY-HILBERT變換法進(jìn)行諧波分析的原理

在正常運(yùn)行條件下，流過(guò)避雷器的泄漏電流只有mA級(jí)別，可以通過(guò)如圖1所示的等效電路來(lái)建模[5,8]。該電路中C是等效電容，R是非線性電阻，it是總泄漏，電流iC和iR分別是泄露電流的容性分量和阻性分量，v是加在避雷器SA上的外加電壓。

圖1 避雷器簡(jiǎn)化等效電路Fig.1 Simplified equivalent circuit of SA

相比于快速傅里葉變換法誤判、信號(hào)遺漏的缺陷[3]，Prony-Hilbert變換法在建模重現(xiàn)均勻采樣的復(fù)指數(shù)信號(hào)的線性疊加上體現(xiàn)出較強(qiáng)適應(yīng)性。通過(guò)應(yīng)用最小平方差的方法PRONY-HILBERT變換可以實(shí)現(xiàn)實(shí)測(cè)信號(hào)的最佳擬合，這種方法相比于其他各種方法也有很多優(yōu)勢(shì)，比如諧波分析較準(zhǔn)確、處理非穩(wěn)恒信號(hào)能力強(qiáng)、使用簡(jiǎn)單以及所需的樣本較少等。因此，本文通過(guò)對(duì)PRONY-HILBERT方法進(jìn)行一定改進(jìn)之后將其用于小電流區(qū)域的實(shí)測(cè)信號(hào)特征提取以及諧波分析。

2 試驗(yàn)平臺(tái)以及試驗(yàn)樣品

如圖2所示是避雷器試驗(yàn)平臺(tái)的示意圖，其中包含有一個(gè)連接到200 kVA，240 V/400 kV的高壓變壓器。該高壓變壓器的套管(圖2中并未展示)處安裝了一個(gè)連接到交流電壓表的電容式探頭。受測(cè)避雷器直接與變壓器高壓側(cè)相連，測(cè)試信號(hào)通過(guò)分壓比為7的容性分壓器輸入到數(shù)字濾波器進(jìn)行記錄。通過(guò)測(cè)量流過(guò)1 kΩ和100 kΩ兩個(gè)分流電阻上的電壓，可以分別獲得避雷器外部和內(nèi)部泄漏電流。避雷器染污使用溶液電導(dǎo)率為88 mS/cm的NaCl的鹽霧。如圖2所示，為了分離外部和內(nèi)部泄露電流，實(shí)驗(yàn)時(shí)在避雷器基部圖上一層潤(rùn)滑層。為了研究避雷器構(gòu)件材料的影響(氧化鋅ZnO和金剛砂SiC)，以及染污、清潔兩種情況下套管材料對(duì)避雷器整體性能的影響，本文對(duì)三種不同的避雷器進(jìn)行了測(cè)試，表1所示是避雷器的具體參數(shù)。

圖2 內(nèi)、外部泄漏電流測(cè)量平臺(tái)Fig.2 Test setup for the measurement of both internal and external leakage currents

表1 受測(cè)避雷器參數(shù)Tab.1 Ratings of tested surge arresters

3 避雷器電信號(hào)的測(cè)量

3.1 外部和內(nèi)部泄漏電流測(cè)量

如圖3所示是受測(cè)避雷器在染污和清潔兩種情況下，所加的外加電壓波形和外部、內(nèi)部泄露電流示意圖。觀察圖像可知外部泄漏電流反映出除了避雷器瓷套之外的容性電流分量。以避雷器的瓷套為例，其外部泄漏電流可以清晰的區(qū)分出泄露電流的容性和阻性分量。結(jié)果顯示硅橡膠ZnO避雷器上的外部泄漏電流比聚合物ZnO避雷器的外部泄漏電流小，雖然硅橡膠ZnO避雷器的爬距比較短，但由于硅橡膠避雷器的的疏水性比較強(qiáng)，因此明顯減小了套管表面電阻。

由于氧化鋅材料具有較高的非線性性質(zhì)，因此ZnO聚合物避雷器和ZnO硅橡膠避雷器中內(nèi)部泄漏電流主要是容性。SiC瓷避雷器中同時(shí)包含有容性和阻性分量是因?yàn)榻^緣子使用時(shí)間長(zhǎng)(15年)以及SiC材料本身的非線性性質(zhì)就較低[1]，由圖3可以看出，由于硅橡膠避雷器外罩的長(zhǎng)度小于氧化鋅避雷器的外罩長(zhǎng)度，因此硅橡膠的內(nèi)部泄漏電流相比氧化鋅聚合材料的內(nèi)部泄漏電流小.從而SiC避雷器瓷罩內(nèi)部由于熱集聚程度相比其他兩種避雷器明顯較高，使得SiC避雷器在長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)熱負(fù)荷較重。

圖3 三種受測(cè)樣品在清潔情況下的外部、內(nèi)部電流典型波形(外加電壓29 kV (rms))Fig.3 Typical waveforms of internal and external current (Ii and Ie) for the three tested samples of SAs with dry condition at 29 kV (rms)

前文避雷器的試驗(yàn)條件是干燥狀態(tài)，測(cè)出的避雷器各項(xiàng)性能參數(shù)與標(biāo)稱(chēng)狀態(tài)的相同，如圖4所示針對(duì)染污的情況本文只研究了硅橡膠ZnO避雷器。試驗(yàn)結(jié)果顯示外部和內(nèi)部電流受到污穢的較大影響，這是因?yàn)檎`會(huì)導(dǎo)致避雷器出現(xiàn)放電，從而造成了原始電壓信號(hào)的波形失真。上述放電現(xiàn)象很可能就是閃絡(luò)的前兆，除此以外污穢顯著降低了外罩的表面電阻，從而引起了流通電流的升高與以及內(nèi)部有源元件的電壓不均勻分布。由于不斷變化的避雷器外罩表面電阻，電壓信號(hào)的非均勻性上升并由此造成了內(nèi)部泄漏電流的顯示改變。

圖4 ZnO硅橡膠避雷器在人工染污條件下的內(nèi)、外部電流典型波形(外加電壓29 kV(rms))Fig.4 Typical waveforms of external and internal currents for ZnO silicon rubber under artificial pollution condition at 29 kV (rms)

基于MATLAD 軟件平臺(tái)，本文使用PRONY-HILBERT變換法從測(cè)得的電壓、電流信號(hào)中提取諧波分量。如圖5所示是染污和干燥兩種條件下的諧波頻譜圖，從圖中可以看出避雷器表面狀態(tài)決定了泄露電流的大小，而泄露電流的一次和三次諧波分量顯著影響著泄漏電流的幅值。

圖5 清潔和染污條件下諧波次數(shù)與泄漏電流關(guān)系Fig.5 Relationship of harmonic frequency and leakage current under dry and pollution conditions for ZnO silicon rubber SA

3.2 總泄漏電流測(cè)量

實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試結(jié)果如圖6所示。研究表明相位角與避雷器狀態(tài)的特征信號(hào)關(guān)聯(lián)不大，因此本文沒(méi)有分析相位角的變化。當(dāng)不考慮避雷器老化且電壓較低時(shí)，泄露電流主要為容性，當(dāng)避雷器表現(xiàn)出某些老化行為時(shí)，泄露電流的阻性分量會(huì)明顯上升并畸變總泄漏電流的波形。

圖6 三種受測(cè)樣品的總電流和特征信號(hào)典型波形(外加電壓29 kV(rms)).Fig.6 Typical waveforms of measured total current with extracted features for the three tested samples of SAs at 29 kV (rms)

觀察圖7中的泄漏電流信號(hào)可知，避雷器的老化程度以及老化種類(lèi)主要取決于其內(nèi)部和外罩材料的活性，以及避雷器的歷史運(yùn)行狀態(tài)。避雷器總泄露電流中都包含著容性和阻性分量，碳化硅型瓷罩的避雷器中阻性分量占主導(dǎo)地位。阻性電流分量越大，氧化鋅或碳化硅閥片的發(fā)熱越嚴(yán)重，從而加速了避雷器老化過(guò)程，因此如圖7所示由于碳化硅瓷避雷器的泄漏電流阻性分量幅值最高處占比最大，該避雷器的老化程度比其他避雷器更嚴(yán)重。觀察圖中結(jié)果可知總泄露電流的阻性分量可以很好的反應(yīng)避雷器老化程度，因此在辨識(shí)受測(cè)避雷器的老化過(guò)程時(shí)不再需要分離泄漏電流的外部和內(nèi)部分量。

圖7 總泄漏電流、外部、內(nèi)部泄漏電流的高次諧波阻性分量.Fig.7 Odd harmonic comparison of the resistive component for measured total, external and internal leakage currents

3.3 功率損耗和能量指標(biāo)

由于連續(xù)運(yùn)行電壓下設(shè)備溫度會(huì)上升，因此功率損耗主要決定了避雷器的熱穩(wěn)定性。同時(shí)功率損耗也反應(yīng)了由于老化對(duì)避雷器電氣特性帶來(lái)的改變。

如圖8所示是根據(jù)圖6的電流波形計(jì)算的三種受測(cè)避雷器的平均功率比，計(jì)算時(shí)將平均功率歸一化至避雷器泄漏電流為1 mA時(shí)的參考功率，此處的電流為阻性電流分量的幅值。相比于其他兩種避雷器，碳化硅瓷罩避雷器的功率損耗率很高，這也證實(shí)了之前觀測(cè)到的碳化硅避雷器老化程度更高的現(xiàn)象。因此功率損耗可以反應(yīng)出由于避雷器先前運(yùn)行環(huán)境以及電氣應(yīng)力造成的不同程度和種類(lèi)的老化。

圖8 1 mA參考電流下的受測(cè)避雷器平均功率比.Fig.8 Calculated average power ratio for the tested SAs at 1 mA reference leakage current

3.4 避雷器參考電壓的測(cè)量

避雷器的老化程度可以通過(guò)監(jiān)測(cè)I-V特性，或者監(jiān)測(cè)壓敏電阻處的參考電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，參考電壓是指當(dāng)流過(guò)避雷器的電流阻性分量為Iref=1 mA時(shí)，避雷器上的電壓Vref。多級(jí)單元的參考電壓則是每一級(jí)參考電壓之和，參考電壓的范圍位于避雷器I-V特性曲線的膝點(diǎn)，此時(shí)泄露電流的阻性分量占比最大。在膝點(diǎn)附近，壓敏電阻的傳導(dǎo)功率在電流由泄漏電流轉(zhuǎn)變?yōu)閭鲗?dǎo)電流時(shí)損耗較大。同時(shí)當(dāng)避雷器運(yùn)行在最大連續(xù)工作電壓(maximum continuous operating voltage,MCOV)條件下時(shí)泄露電流的容性分量會(huì)上升至主導(dǎo)地位。

如圖9所示是碳化硅瓷避雷器外罩和硅橡膠氧化鋅避雷器的Vref和MCOV的磁滯回曲線。由圖中可以很明顯的發(fā)現(xiàn)磁滯回曲線的正負(fù)連段之間有一定的對(duì)稱(chēng)關(guān)系。觀察圖像可以發(fā)現(xiàn)碳化硅瓷避雷器的磁滯回曲線較窄并且MCOV的曲線與Vref非常貼近，此時(shí)的電流峰值大約為0.6 mA。硅橡膠氧化鋅避雷器在清潔和人工染污兩種條件下的磁滯回曲線都較寬，同時(shí)MCOV和Vref曲線距離較遠(yuǎn)，在清潔和染污兩種條件下避雷器運(yùn)行在最高電壓下時(shí)電流峰值分別為0.35 mA和0.4 mA。

避雷器過(guò)載時(shí)內(nèi)部會(huì)有放電電流，過(guò)電壓作用下避雷器I-V特性也會(huì)發(fā)生變化，因此電導(dǎo)率的變化可以作為避雷器老化的一個(gè)特征信號(hào)。避雷器的老化程度越高，產(chǎn)生大于1 mA參考電流所需的電壓就越低。將測(cè)量參考電壓與MCOV磁滯回曲線進(jìn)行比較就可以準(zhǔn)確判斷避雷器是否能滿足正常運(yùn)行要求。

圖9 SiC陶瓷避雷器和ZnO硅橡膠避雷器的MCOV和Vref的磁滯回曲線.Fig.9 Hysteresis loop for MCOV and Vref measurements for SiC porcelain and ZnO silicon rubber SAs

4 電壓諧波對(duì)泄漏電流三次諧波測(cè)量值的影響

避雷器的I-V特性決定了阻性電流的三次諧波分量[2,10]。因此三次諧波常被用于避雷器狀態(tài)診斷以及辨識(shí)由過(guò)載和運(yùn)行環(huán)境引起的避雷器老化程度。三次諧波主要取決于外加電壓的大小和諧波的含量。測(cè)量三次諧波時(shí)由于電壓波形畸變有可能遇到測(cè)量不確定度超過(guò)±100%的情況。這種情況應(yīng)當(dāng)極力避免，因此基于PSCAD軟件仿真平臺(tái)本文對(duì)泄漏電流阻性分量的三次諧波進(jìn)行校正。

如圖10所示是一種基于PSCAD軟件平臺(tái)的分段線性電阻避雷器模型，其I-V特性可調(diào)，A0和A1分別代表兩個(gè)被R-L電路隔離的非線性電阻C是避雷器電容，L0代表避雷器附近導(dǎo)線上的電感。由于非線性電阻A0在任意電流下的電壓敏感性都比A1更高，當(dāng)該模型處于高頻沖擊作用時(shí)，R-L濾波器的阻抗效應(yīng)變得非常明顯，從而使得電流在兩個(gè)電阻元件上的分布。

將如圖6所示的泄漏電流實(shí)測(cè)波形輸入PSCAD軟件中進(jìn)行重新縮放并按所有信號(hào)頻率分解出諧波、相位角之后，帶入到圖12所示的避雷器模型中分析計(jì)算，當(dāng)連續(xù)最大加壓為Vmax時(shí)，調(diào)整三次諧波的頻率為h3至3h3。如圖11所示是每三種外加電壓下得到的泄漏電流三次諧波分量隨頻率變化的關(guān)系示意圖。

圖10 避雷器頻變電路模型Fig.10 Frequency dependent circuit model of SA

圖11 三種不同加壓下的電壓三次諧波與泄漏電流百分比Fig.11 Percentage ratio of third harmonic leakage current versus the voltage third harmonic for three voltage values, Vmax±10%

當(dāng)Vmax=244.38 kV，三次諧波V3的占比為基波的1.3%，在相同頻率和電壓波形下，由此導(dǎo)致的泄漏電流三次分量躍升至總泄露電流的140%。將電壓三次諧波頻率增大到300%時(shí)，電壓三次諧波占比為基波的3.9%，此時(shí)的泄漏電流三次分量將躍升至總泄露電流的306.6%。因此由于電壓波形的畸變，泄漏電流三次諧波分量的不確定度有可能達(dá)到300%，從而對(duì)于V3=1.3%V1和V3=3.9%V1兩種情況，泄漏電流三次諧波校正之后應(yīng)當(dāng)分別下降40%和206.6%。利用相同校正流程可以對(duì)任意正弦型外加波形的諧波畸變進(jìn)行校正。

5 結(jié)束語(yǔ)

提出了一種基于PRONY-HILBERT變換的電壓、電流信號(hào)幅值和諧波的提取方法，利用少量樣本驗(yàn)證了該方法在平穩(wěn)和非平穩(wěn)信號(hào)下的適用性。

研究發(fā)現(xiàn)總泄漏電流的阻性分量可以用于判斷避雷器老化程度，從而不再需要分離外部和內(nèi)部泄漏電流。通過(guò)功率損失和能量耗散可以真實(shí)的反映避雷器老化程度。通態(tài)電壓可以用于判斷避雷器是否滿足正常運(yùn)行要求。

電壓波形畸變對(duì)泄漏電流幅值和三次諧波分量都有顯著影響，可以用于描述避雷器的工作狀態(tài)。本文提出的基于實(shí)測(cè)電壓波形的波形畸變校正方法可以消除高次諧波對(duì)基波的影響，并識(shí)別泄漏電流的真實(shí)值。