面向工廠過電保護的避雷器動態(tài)監(jiān)測研究①

周慶華

(安徽工業(yè)職業(yè)技術學院電氣工程系,安徽 銅陵244000)

0 引 言

近幾年來,工廠電氣設備尺寸逐漸減少,導致耐過電壓能力較弱的現(xiàn)象,使得安全隱患增加,威脅供電系統(tǒng)的安全運行[1]。此外,雷電天氣引起的瞬時性、大電流、高電壓等現(xiàn)象,這加大過電保護避雷器的安裝需求[2]。目前工廠供電網(wǎng)絡最常使用的避雷器為氧化鋅避雷器,但長期運行狀態(tài)下容易出現(xiàn)損壞、受潮、老化等問題,但國內(nèi)外還沒有理想的避雷器動態(tài)監(jiān)測方法[3]。有鑒于此,研究提出一種應用于工廠過電保護的避雷器動態(tài)監(jiān)測方法,旨在保障工廠電網(wǎng)的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。

1 避雷器動態(tài)監(jiān)測模型構(gòu)建

1.1 避雷器動態(tài)監(jiān)測平臺

SPM型避雷器泄漏電流動態(tài)線監(jiān)測平臺如圖1所示?，F(xiàn)場監(jiān)控模塊主要涉及顯示模塊、報警模塊、單片機[4]。

圖1 避雷器泄漏電流動態(tài)線監(jiān)測平臺

溫濕度傳感器使用型號為DHT12的溫濕度傳感器,其是一種結(jié)合高分子材料于內(nèi)部的濕敏元件,它的特點是簡單便攜、能耗低、站用空間小等特點。單片機控制模塊中的單片機的型號為ATMEGA8L,它能綜合分析信號并能做出控制命令。該電路為C1-C5電容、Y1晶振、L4電感、U1單片機組成。ATMEGA8L是主控芯片,它具備豐富功能的接口,且接線方式簡單。多種功能包括濾波電路、復位電路、下載接口。報警模塊在檢測到的數(shù)據(jù)超過預置的閾值發(fā)揮作用。它主要是利用聲音報警線路實現(xiàn)報警,工作原理單一。當檢測值超出預先設置的閾值時,單片機首先會開始工作,分別經(jīng)過控制模塊和放大模塊傳輸?shù)碗娖叫盘柡彤a(chǎn)生聲音報警。報警裝置使用蜂鳴報警設備,遠程使用GSM短信報警。

1.2 避雷器動態(tài)監(jiān)測模型

目前避雷器檢測方法主要為動態(tài)監(jiān)測,動態(tài)監(jiān)測能夠?qū)崿F(xiàn)對避雷器阻性電流、全電流等重要參數(shù)的監(jiān)測。動態(tài)監(jiān)測方法又可分為硬件法和軟件法。硬件法的監(jiān)測精度測試精度和穩(wěn)定性均不能滿足要求,且成本開銷較大。因此采用軟件法作為監(jiān)測方法,該方法是主流電流的優(yōu)化算法。鑒于非線性特殊物質(zhì),在避雷器兩端增加正弦電壓過程中,電流泄漏階段有包括諧波成分和基波成分的阻性成分。實際運行過程中,預先分析諧波量和阻性成分的關系,這樣既可以獲得避雷器阻性分量數(shù)值。當兩端添加電壓存在諧波的情況下,無法獲取阻性成分數(shù)值。該分析方法的特點是利用傅里葉變換原理分析被測試的電流和電壓,計算公式如式(1)所示。避雷器全電流i x和電壓u均能分解為傅里葉級數(shù)。

式(1)中,電壓分量和電流分量分別用U0和I0指代,k次電壓諧波幅值用U km指代,第k次電流諧波相角、電流諧波幅值、電壓諧波相角分別用βk、I km、αk指代。全電流的容性分量和阻性成分的計算公式為式(2)。

全電流的阻性成分和同次諧波電壓同等相,I rk是指阻性分量在k次諧波幅值。利用三角函數(shù)的正交性可以獲得阻性電流的各次諧波幅值,并獲得容性成分和總電流?？紤]相間干擾電容對全電流的影響,特別是容性成分,計算公式為式(3)。

式(3)中,干擾電容用C2、C3指代,被測設備電壓用u1指代,隔壁設備電壓用u2和u3指代,對地電容用C1指代,等效電路圖如圖2所示。

圖2 避雷器對地電容和相間雜散電容等效電路圖

鑒于三相電壓對稱性,研究通過可以求得,同時求得時頻域變化后的容性成分。然后利用矩陣就可以求得,并求得容性電流。避雷器的阻性電流可用指數(shù)波擬合曲線,并進行擬合避雷器阻性電流。通過最小二乘法進行優(yōu)化,求得滿足誤差要求的避雷器阻性電流。避雷器的泄漏電流、阻性電流、容性電流的取值范圍分別為100u A～10m A、10u A～100u A、100u A～10m A。所有設備的測量精度變化范圍為±0.5%～±2%。將數(shù)據(jù)信息根據(jù)輸電設備狀態(tài)的變化規(guī)律和幅值變化范圍分為三種等級,主要為報警信息、預警信息、正常信息。阻性電流的正常值、預警值、報警值分別為低于1.5倍、1.5倍、超出2倍避雷器安裝后的初始測量值。全電流的正常值、預警值、報警值分別為低于1.3倍、1.3倍、超出1.8倍避雷器安裝后的初始測量值。

2 避雷器動態(tài)監(jiān)測性能分析

2.1 受潮條件下性能分析

1000kv金屬氧化物避雷器由5節(jié)構(gòu)成,每節(jié)的高度為2100mm,內(nèi)部嵌入48片氧化鋅電阻片,尺寸大小為105mm×22.5mm,且每三片構(gòu)成一組,組間通過金屬鋁墊片進行隔開,形狀和電阻片完全一致,避雷器頂端具有復合外套金屬氧化物避雷器均壓環(huán)。

實驗環(huán)境為高壓大廳,溫度為14.3℃,濕度為62%。測量方式為光纖電流傳感器,氧化鋅避雷器軸線距離建筑物距離大于10m,試品頂端距離構(gòu)架的高度為4.04m。施加的工頻電壓為638k V,持續(xù)時間為2h。實驗首先進行第一節(jié)全部一般的受潮、第二節(jié)全部嚴重受潮兩種情況下泄漏電流的測量。第一節(jié)被試受潮直流2m A參考電壓為209k V,0.75倍參考電壓下的泄漏電流為30u A。相比較于原有避雷器,直流參考電壓降低8.3%,整體避雷器直流參考電壓降低1.7%,交流參考電壓為153k V,單節(jié)和整體避雷器參考電壓下降為8.1%和1.6%。每間隔一段時間進行測量每節(jié)避雷器測點的電流值,結(jié)果如圖3所示。測試點54-46表示第一節(jié),測試點36-1表示第二、三、四節(jié)。

圖3 第一節(jié)受潮整體避雷器泄漏電流值

通過RCD-8阻性電流測試儀完成阻性電流和全電流的測試,第一節(jié)受潮情形下避雷器泄漏電流值如表1所示。全電流有效值約為2m A,全電流峰值約為2.8m A,阻性電流峰值約為0.3m A, 電壓基波和全電流基波相角差為83°。

表1 第一節(jié)受潮情形下避雷器泄漏電流值

第二節(jié)受潮避雷器直流2m A參考電壓為195.8k V,0.75倍下的泄漏電流為151u A.。相比于第二節(jié)單節(jié),直流參考電壓和整體直流參考電壓下降分別為14.1%和2.8%,交流參考電壓為14k V,單節(jié)和整體交流參考電壓下降分別為14.1%和2.8%。實驗加壓2.5h。測量次數(shù)為8次。第二節(jié)全部受潮各節(jié)避雷器測點電流值如圖4所示。測試點54-46為第一節(jié),第二節(jié)為55-63,第三、四、五節(jié)為27-1。

圖4 第二節(jié)受潮整體避雷器泄漏電流值

通過RCD-8阻性電流測試儀完成阻性電流和全電流的測試,第二節(jié)受潮情形下避雷器泄漏電流值如表2所示。全電流有效值范圍波動較大,在1.987m A-2.401m A,全電流峰值波動范圍為2.809m A-3.394m A,阻性電流峰值波動范圍為0.322-0.637m A,電壓基波和全電流基波相角差為79.3°-83.7°。

表2 第一節(jié)受潮情形下避雷器泄漏電流值

2.2 內(nèi)部短路條件下性能分析

實驗對第一節(jié)全部短路、第二節(jié)上部1/3短路兩種情況進行分析。第一節(jié)全部短路的實驗加壓時間35min,測量次數(shù)為9次。測點36-1表示第二、三、四、五節(jié)。第一節(jié)短路沒有電流經(jīng)過。整體避雷器測點電流值如圖5所示。隨著時間的增加,每節(jié)測點的電流整體呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢,但仍然有輕微的波動。測點35的波動范圍最小,而測點18的波動范圍最大。全電流有效值范圍波動較大,在2.534-2.592m A,全電流峰值波動范圍為2.583-3.666m A,阻性電流峰值波動范圍為1.269-1.403m A,電壓基波和全電流基波相角差為66.8°-68.7°。

圖5 第一節(jié)短路整體避雷器測點電流值

第二節(jié)上部1/3短路的加壓時間為1h,測試次數(shù)為8次。測點36-28表示第一節(jié),測點45-42表示第二節(jié),測點27-1表示第三、四節(jié)。第二節(jié)部分測點短路沒有電流經(jīng)過。隨著時間的推移,各測點的電流值逐漸下降,但波動范圍并不是特別大。測點4的波動范圍最小,而測點26的波動范圍最大。全電流有效值范圍波動較大,在2.069-2.314m A,全電流峰值波動范圍為2.926-3.272m A,阻性電流峰值波動范圍為0.395-0.577m A,電壓基波和全電流基波相角差為79.8°-82.2°。

圖6 第一節(jié)短路整體避雷器泄漏電流值

3 結(jié) 語

通過比對數(shù)據(jù)分析法和縱橫比分析方法對避雷器動態(tài)監(jiān)測方法進行數(shù)據(jù)分析。結(jié)果證明,該方法對絕緣性避雷器故障具有顯著得效果。在第一節(jié)全部一般受潮的情形下,相比較于原有避雷器,第一節(jié)和的整體避雷器直流參考電壓降低8.3%,直流參考電壓降低1.7%,第一節(jié)和整體避雷器參考電壓下降為8.1%和1.6%。在第二節(jié)嚴重受潮情況下,第二節(jié)和整體直流參考電壓下降分別為14.1%和2.8%,單節(jié)和整體交流參考電壓下降分別為14.1%和2.8%。在第一節(jié)避雷器內(nèi)部全部短路情形下,第二、三、四、五節(jié)的測點電流均隨著時間的推移逐漸下降,但變化電流最大值和最小值分別為0.756m A和0.121m A。第二節(jié)上部1/3短路時測點4和26的的波動范圍分別為最小和最大,數(shù)值分別為0.206m A和1.063m A。由于本人的時間和精力有限,未對避雷器動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響因素進行分析,這在后續(xù)研究需要完善。