氧化鋅避雷器泄漏電流在線檢測方法研究

黃 鋒

（國網(wǎng)山西省電力公司太原供電公司，山西 太原 030006）

21 世紀(jì)以來，我國居民日常生活與工作對電能的依賴性越來越強(qiáng)，為了保證電網(wǎng)穩(wěn)定供電并防止電氣設(shè)備受過電壓的影響出現(xiàn)運(yùn)行故障，采用以下方法。由于氧化鋅避雷器具有良好的保護(hù)性能與通流能力，因此被廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)中。與其他電氣設(shè)備相似，氧化鋅避雷器在長期運(yùn)行期間也會(huì)出現(xiàn)絕緣老化等故障，這些故障通常是由于避雷器在室外環(huán)境中運(yùn)行，受溫度、濕度等因素的影響，導(dǎo)致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生一系列化學(xué)變化，造成絕緣性能下降。此時(shí)，避雷器的泄漏電流會(huì)不斷增大，導(dǎo)致熱損耗，進(jìn)一步出現(xiàn)老化故障。一旦避雷器失效，將會(huì)導(dǎo)致后續(xù)電氣設(shè)備損壞，影響電網(wǎng)安全，給電力企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對氧化鋅避雷器的泄漏電流進(jìn)行檢測，對于保障電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。然后，由于泄漏電流信號非常微弱，且存在高次諧波等噪聲信號，現(xiàn)有的檢測方法很難在工頻狀態(tài)下精確測量泄漏電流。因此，需要研究氧化鋅避雷器泄漏電流在線檢測方法。

1 氧化鋅避雷器泄漏電流信號采集

氧化鋅避雷器在運(yùn)行過程中，會(huì)因?yàn)槭艹迸c老化情況導(dǎo)致電流泄漏，進(jìn)而影響避雷器的絕緣性能[1]，該文設(shè)計(jì)一種氧化鋅避雷器泄漏電流在線檢測方法，旨在判斷避雷器的故障狀態(tài)。首先，需要采集氧化鋅避雷器泄漏電流信號。在采集過程中，主要采用非接觸式的互感器來采集電流信號，常見的電流互感器主要有霍爾式、磁調(diào)制式以及電磁式等類型。該文綜合考慮了氧化鋅避雷器泄漏電流的實(shí)際情況后，選擇了抗干擾能力較強(qiáng)、測量精度較高且響應(yīng)速度較快的電磁式互感器，來采集避雷器泄漏電流信號。在確定了電磁式電流互感器作為信號采集部件后，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了采樣結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 電磁式互感器采集泄漏電流信號示意圖

電磁式電流互感器主要由鐵芯、繞組等組件構(gòu)成，如圖1 所示，在氧化鋅避雷器運(yùn)行過程中，互感器輸出側(cè)就會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電流[2]，該電流信號包括基波、諧波等分量，互感器輸出電流信號經(jīng)過信號調(diào)理模塊后由ADC 采樣電路進(jìn)行采樣，獲取氧化鋅避雷器泄漏電流信號。

2 氧化鋅避雷器泄漏電流信號去噪

該文在利用電磁式互感器采集氧化鋅避雷器泄漏電流信號的過程中，發(fā)現(xiàn)采集的信號中還存在一些高次諧波等噪聲信號，影響了后續(xù)檢測結(jié)果的精確性，因此，對采集的泄漏電流信號進(jìn)行去噪處理[3]。為解決氧化鋅避雷泄漏電流采集信號噪聲信號過多的問題，該文采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）結(jié)合SG 濾波的去噪方法，首先通過EMD 將原始采集泄漏電流信號分解為n個(gè)本征模態(tài)分量，如公式（1）所示。

式中：X（t）為待分解的避雷器泄漏電流信號；Fi（t）為泄漏電流信號的第i個(gè)本征模態(tài)分量；S（t）為剩余信號。

其次，對分解后的泄漏電流模態(tài)分量進(jìn)行自相關(guān)檢測，從而找到包括噪聲信號的模態(tài)分量[4]，如公式（2）所示。

式中：fX（t1，t2）為避雷器泄漏電流信號在t1與t2時(shí)刻的相關(guān)性函數(shù)值；E為泄漏電流信號的能量。

最后，通過SG 濾波器對含噪聲的模態(tài)分量進(jìn)行濾波去噪，再將濾波后的特征模態(tài)分量重構(gòu)，可以得到無噪聲干擾的氧化鋅避雷器泄漏電流信號。

3 氧化鋅避雷器泄漏電流信號檢測

3.1 氧化鋅避雷器泄漏電流檢測算法

鎖相放大算法是一種基于互相關(guān)原理和相敏技術(shù)的同步相干檢測方法，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。通過利用參考信號與待測信號的頻率相關(guān)性，將待測信號和參考信號進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，從而有效地提取隱藏在噪聲信號中的待測信號。這種算法的獨(dú)特性和有效性使其成為許多應(yīng)用場景中不可或缺的工具。在泄漏電流檢測中，使用鎖相放大算法來檢測微弱信號，該算法主要應(yīng)用于強(qiáng)噪聲環(huán)境。首先，待測信號經(jīng)過放大器放大后，通過濾波器去除噪聲信號。其次，將處理過的信號輸入A/D 轉(zhuǎn)換器中，然后輸入鎖相放大算法中，進(jìn)行進(jìn)一步處理。鎖相放大算法的作用是高效地檢測微弱信號，并消除環(huán)境中的干擾噪聲。它不僅可以提高信號的靈敏度，還能抑制噪聲，可以更精確地測量泄漏電流水平。通過使用鎖相放大算法，可以有效地提升泄漏電流檢測的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，從而更好地保障電氣設(shè)備的運(yùn)行安全。假設(shè)有兩路信號，分別為f1（t）=x1（x）+y1（t）和f2（t）=x2（x）+y2（t）。其中，x1（t）和x2（t）為周期正弦信號，而y1（t）和y2（t）為其他噪聲信號。對f1（t）和f2（t）進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算可得公式（3）。

式中：τ為兩路信號之間的時(shí)間延遲。

信號和噪聲是2 個(gè)互不相關(guān)的概念，噪聲與噪聲之間也是相互獨(dú)立的。因此，當(dāng)信號x1（t）和x2（t）之間具有共同的特征時(shí)，通過長時(shí)間的互相關(guān)運(yùn)算，可以消除噪聲的影響，使公式（3）中后三項(xiàng)表示的噪聲信號為零。這樣做的目的是為了達(dá)到消除噪聲的效果。以上為鎖相放大器的基本原理，假設(shè)帶有噪聲信號的待測信號為正弦信號sin（t）=Asin（2πf1t+φ1）+n1（t） 和與待測信號互相關(guān)的參考信號sref（t）=Bsin（2πf2t+φ2）+n2（t），以此來說明鎖相放大器消除噪聲信號的具體過程。將兩者相乘，結(jié)果如公式（4）所示。

對此結(jié)果通過低通濾波器將噪聲進(jìn)行濾波后，得到其輸出，如公式（5）所示。

式中：nLPF（t）為殘留噪聲信號。

當(dāng)參考信號和待測信號頻率相同并且低通濾波器的帶寬非常窄時(shí)，可以假設(shè)殘余噪聲接近于零，這說明所有的噪聲信號都從待測信號中被過濾掉了。因此，鎖相放大器的輸出與待測信號的振幅之間存在公式（6）。在這種情況下，可以視作鎖相放大器完全濾除了待測信號中的噪聲信號，只保留了純凈的信號，如公式（6）所示。

從公式（6）可以得出結(jié)論，當(dāng)待測信號與參考信號處于相同相位時(shí)，最高精度的輸出將由鎖相放大器提供。傳統(tǒng)的鎖相放大器在計(jì)算過程中需要頻繁進(jìn)行移相操作，以確保待測信號與參考信號達(dá)到相位一致，并保證測量結(jié)果的精確性。為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間并避免冗長的移相操作，正交矢量型鎖相放大器被采用。其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 正交矢量型鎖相放大器

在模擬電路中，實(shí)現(xiàn)正交鎖相型鎖相放大器的移相過程是非常困難的。然而，在數(shù)字化平臺(tái)上卻可以相對容易地實(shí)現(xiàn)，并且計(jì)算時(shí)間更快，誤差也更小。此外，數(shù)字化平臺(tái)內(nèi)部可以通過大量乘法器集成硬件電路，而鎖相放大算法則需要進(jìn)行大量乘法運(yùn)算。因此，采用DSP 來實(shí)現(xiàn)鎖相放大算法不僅能提高精度、降低硬件成本，還能提高運(yùn)算速度。

經(jīng)過互相關(guān)運(yùn)算，待測信號與兩路正交參考信號在狹窄帶寬濾波器的作用下進(jìn)行處理。假設(shè)這兩路信號的頻率完全相同且濾波器的帶寬足夠窄，可以近似認(rèn)為殘留的噪聲信號趨近于零。兩路相關(guān)調(diào)節(jié)器的輸出分別為公式（7）和公式（8）。

通過對兩路輸出信號進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，可以獲得一種與外部待測調(diào)制信號幅值成正比的輸出信號。該輸出信號可用公式（9）來表示。

鎖相放大器主要是通過以下3 步在強(qiáng)噪聲環(huán)境下提取信號的：1）為了避免被不同頻率的噪聲干擾，可以對低頻信號進(jìn)行頻率遷移處理，然后將信號放大，以消除微弱信號對于檢測精度的影響。這樣做能提高信號的清晰度和準(zhǔn)確性。2）通過利用相敏檢測技術(shù)的原理，可以在已知待測信號的頻率的情況下，選擇一個(gè)與待測信號頻率相同且沒有噪聲的信號作為參考信號。然后，將這個(gè)參考信號與含有噪聲的待測信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，從而得到所需的結(jié)果。此后，還可以對經(jīng)過調(diào)制的信號進(jìn)行一系列處理，以獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果。3）最后，在這項(xiàng)研究中，采用帶通濾波器來消除寬帶噪聲，以獲得工頻下氧化鋅避雷器泄漏電流信號。與傳統(tǒng)的低通濾波器不同，帶通濾波器更適用于研究對象。選擇合適的濾波器帶寬對于提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。如果選擇的濾波器帶寬足夠窄，那么測量結(jié)果將更接近實(shí)際值。

當(dāng)應(yīng)用鎖相環(huán)放大器時(shí)，常常需要通過低通濾波器來濾除相敏輸出的頻率，從而只保留直流分量。由于只有在適當(dāng)?shù)南辔粭l件下才能輸出最大幅度的信號，因此需要及時(shí)進(jìn)行相位調(diào)整。整體來說，鎖相放大器適用于在高噪聲環(huán)境下檢測微弱信號，這與提取泄漏電流的問題是一致的?？紤]到測量精度和復(fù)雜程度兩方面的角度，鎖相放大器非常適合用于檢測氧化鋅避雷器的泄漏電流。

3.2 氧化鋅避雷器泄漏電流信號的檢測

氧化鋅避雷器的電阻片流經(jīng)電流就是泄漏電流，泄漏電流包括阻性與容性兩種類型，該文為實(shí)現(xiàn)氧化鋅避雷器總泄漏電流檢測，引入諧波分析法[5]，通過獲取電流信號中基波與諧波分量，來判斷避雷器絕緣故障狀態(tài)。如果電流較小，那么避雷器等效電路中電容變化較小，此時(shí)，總泄漏電流中的容性電流I1如公式（10）所示。

式中：m為電流中第m次諧波；ω為電流信號頻率；t為時(shí)間；?為諧波相角；M為電流諧波總次數(shù)。

已知避雷器容性泄漏電流和阻性泄漏電流在同次諧波下的相角差為π/2，那么可以根據(jù)公式（11）獲取避雷器總泄漏電流中的阻性電流I2，如公式（11）所示。

根據(jù)式（10）與式（11）可計(jì)算氧化鋅避雷器的總泄漏電流I3，如公式（12）所示。

一般來說，氧化鋅避雷器泄漏電流信號是關(guān)于時(shí)間的連續(xù)函數(shù)。因此，為了將模擬電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，該文引入傅里葉變換（FFT 分析）來獲取泄漏電流序列的數(shù)字量，假設(shè)原泄漏電流時(shí)間序列L3（t）長度為L，可以將其分解成長度為L/2 的序列I31（t）、I32（t），如果該文用F1（i）與F2（i）表示序列I31（t）、I32（t）的傅里葉變換值，那么傅里葉變換公式如公式（13）所示。

式中：F（i）為總泄漏電流序列的傅里葉變換值；e為指數(shù)函數(shù)。

在對氧化鋅避雷器泄漏電流信號進(jìn)行采樣后，通過式（13）所示的FFT 對總泄漏電流做頻譜分析，得到電流信號中基波與諧波分量，如果避雷器受潮，泄漏電流的基波分量發(fā)生增長，那么諧波無明顯變化；如果避雷器老化，諧波分量會(huì)明顯增長，那么根據(jù)泄漏電流中基波與諧波分量即可判斷氧化鋅避雷器的工作狀態(tài)，因此，該文完成氧化鋅避雷器泄漏電流的在線檢測工作。

4 仿真試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

為驗(yàn)證該文設(shè)計(jì)檢測方法的有效性與合理性，該文根據(jù)氧化鋅避雷器泄漏電流各頻率成分的特點(diǎn)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，從而對設(shè)計(jì)方法進(jìn)行試驗(yàn)。首先，在某變電站內(nèi)采集氧化鋅避雷器檢測數(shù)據(jù)，如圖3 所示。

圖3 避雷器檢測數(shù)據(jù)采集示意圖

按照圖2 所示進(jìn)行檢測儀器的布置，當(dāng)避雷器泄漏電流為80.1Hz、采樣頻率為2400Hz、頻譜分析點(diǎn)數(shù)為156 時(shí)，獲取氧化鋅避雷器設(shè)定泄漏電流的參數(shù)真實(shí)值，見表1。

表1 避雷器泄漏電流參數(shù)真實(shí)值

表1 中測試數(shù)據(jù)是在該氧化鋅避雷器投運(yùn)后第一次帶電測試下獲取，該文以給定信號形式的泄漏電流為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并在添加噪聲信號的情況下，進(jìn)行避雷器泄漏電流檢測試驗(yàn)。

4.2 結(jié)果分析

在本次試驗(yàn)中，以該文設(shè)計(jì)的諧波分析檢測法為試驗(yàn)組，選擇西林電橋檢測法與容性電流補(bǔ)償檢測法為對照組，一起對上述給定信號形式的避雷器泄漏電流進(jìn)行檢測。同時(shí)，為避免加噪情況下檢測結(jié)果的偶然性，該文進(jìn)行100 次的檢測試驗(yàn)，并求取檢測數(shù)據(jù)的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，見表2。

表2 避雷器泄漏電流檢測結(jié)果

從表2 中可以看出，在氧化鋅避雷器泄漏電流中存在噪聲信號的情況下，該文設(shè)計(jì)檢測方法中泄漏電流信號的幅值、頻率及相位的分析精度均高于對照組方法。其中，泄漏電流信號幅值檢測結(jié)果與真實(shí)數(shù)據(jù)之間的偏差為0.020mA，與對照組方法相比降低了0.022mA、0.009mA，頻率檢測結(jié)果的偏差為0.058Hz，與對照組方法相比降低了0.104Hz、0.083Hz，相位檢測結(jié)果的偏差為0.049°，與對照組方法相比降低了0.134°、0.130°。由此說明，該文基于諧波分析設(shè)計(jì)的泄漏電流在線檢測方法是有效的，且準(zhǔn)確率較高。

5 結(jié)語

氧化鋅避雷器是我國電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中重要的保護(hù)設(shè)備，可以避免電氣設(shè)備被過電壓影響發(fā)生故障，該文針對氧化鋅避雷器在長期運(yùn)行過程中發(fā)生的老化問題設(shè)計(jì)一種泄漏電流在線檢測方法，通過互感器采集流經(jīng)避雷器的電流信號，并對電流信號做FFT 頻譜分析，從而獲取信號中基波與諧波分量，完成泄漏電流檢測，最后，該文通過仿真試驗(yàn)對設(shè)計(jì)檢測方法的有效性與精確性進(jìn)行驗(yàn)證，可以運(yùn)用于實(shí)際的氧化鋅避雷器泄漏電流帶電檢測中。