避雷器泄漏電流測量方法研究

張　藝

(上海電力學(xué)院，上海　200090)

避雷器泄漏電流測量方法研究

張藝

(上海電力學(xué)院，上海200090)

摘要：根據(jù)DL/T 987—2005標(biāo)準(zhǔn)所推薦避雷器泄漏電流標(biāo)準(zhǔn)波形，設(shè)計(jì)了三次諧波分量和全泄漏電流結(jié)合的避雷器泄漏電流測量系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)通過電流傳感器、電流電壓轉(zhuǎn)換電路、濾波電路、峰值電路實(shí)現(xiàn)對避雷器泄漏電流三次諧波分量和全泄漏電流分量波形處理。搭建了系統(tǒng)，并根據(jù)DL/T 987—2005標(biāo)準(zhǔn)所提供的誤差試驗(yàn)方法對該系統(tǒng)進(jìn)行校驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果滿足現(xiàn)場測試要求。

關(guān)鍵詞：金屬氧化物避雷器；三次諧波分量；全泄漏電流分量

避雷器是電力系統(tǒng)電氣設(shè)備的重要過電壓保護(hù)裝置，與被保護(hù)設(shè)備并聯(lián)裝設(shè)在被保護(hù)設(shè)備電源側(cè)。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)避雷器接近絕緣狀態(tài)，避雷器充當(dāng)隔離設(shè)備。而當(dāng)系統(tǒng)過電壓時(shí)，避雷器等效電阻迅速減小，流過避雷器的電流瞬間增大，從而有效抑制過電壓的對系統(tǒng)中其他設(shè)備的影響，保障系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

流過避雷器閥片的微小電流稱為泄漏電流。全泄漏電流呈阻容性，容性電流分量所占比例較大，阻性電流只占全泄漏電流的10%～20%。當(dāng)金屬氧化物避雷器發(fā)生絕緣老化時(shí)，其容性電流分量相對穩(wěn)定而阻性高次諧波分量往往成倍增大[1-3]。因此目前通常以測量阻性電流作為檢測避雷器狀態(tài)的手段。

本文基于DL/T987—2005標(biāo)準(zhǔn)提出的避雷器泄漏電流標(biāo)準(zhǔn)波形，設(shè)計(jì)了一個(gè)三次諧波分量和全泄漏電流結(jié)合的避雷器泄漏電流測量系統(tǒng)。系統(tǒng)通過電流互感器耦合輸出避雷器泄漏電流，再由六階多重負(fù)反饋帶通濾波電路對全泄漏電流進(jìn)行三次諧波濾波，最后經(jīng)由峰值檢測電路測量全泄漏電流以及三次諧波分量。

論文設(shè)計(jì)的六階多重負(fù)反饋帶通濾波電路的中心頻率、帶寬以及增益等參數(shù)調(diào)節(jié)范圍易控制，適用于窄帶寬的濾波設(shè)計(jì)。再通過后續(xù)設(shè)計(jì)峰值檢測電路直觀的輸出三次諧波分量和全泄漏電流的大小。設(shè)計(jì)整體能夠直接體現(xiàn)三次諧波分量在避雷器劣化時(shí)對比其正常運(yùn)行時(shí)的變化情況，并且在提取過程中不需要外加參考信號，避免了補(bǔ)償法帶來的幅值和相位上的誤差[4-6]。

1基本原理

根據(jù)DL/T987—2005 《氧化鋅避雷器阻性電流技術(shù)測試儀通用技術(shù)條件》可得避雷器泄漏電流標(biāo)準(zhǔn)波形如下：

I=IPR1sinωt+IPR3sin(3ωt+π)+IPC1sin(ωt+π/2)

(1)

式中ω——基波角頻率；I——全電流；IPR1——阻性基波電流峰值；IPR3——阻性三次波電流峰值；IPC1——容性基波電流峰值。

阻性基波分量峰值和阻性三次諧波分量峰值的比值為IPR1/IPR3=3/1。三次諧波分量峰值和阻性分量峰值的比例為IPR/IPR3=1/4。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)波形可看出避雷器泄漏電流主要由容性基波分量、阻性基波分量、阻性三次諧波分量組成。基于上述對各分量之間關(guān)系的分析本文對全電流信號進(jìn)行中心頻率為150±40Hz帶通濾波，測量濾波后的信號峰值，通過上述比例關(guān)系即可對阻性電流和其基波分量的峰值進(jìn)行預(yù)估。

2避雷器泄漏電流測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

論文搭建了一個(gè)避雷器泄漏電流測量系統(tǒng)，以三次諧波分量和全泄漏電流作為判斷避雷器的運(yùn)行狀態(tài)的依據(jù)。三次諧波分量的變化可以有效反應(yīng)避雷器閥片的老化情況，結(jié)合全泄漏電流的變化可以判斷避雷器閥片的受潮情況以及對其他分量進(jìn)行預(yù)估。采用有源濾波器提取三次諧波信號，可以單獨(dú)對系統(tǒng)電壓三相進(jìn)行檢測，避免了相間雜散電容導(dǎo)致的三相電流不平衡而造成的誤差，并且能夠準(zhǔn)確的判斷具體的故障相。測量過程中不需要參考信號，對于在線測量系統(tǒng)是一種更加便捷的測量手段。

泄漏電流的輸出采用電流互感器耦合的方式，將采集到的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號放大適當(dāng)倍數(shù)以便后續(xù)進(jìn)行三次諧波帶通濾波。根據(jù)避雷器泄漏電流波形特性本文需要采用中心頻率為150Hz的六階多重負(fù)反饋帶通濾波電路和峰值檢測電路，實(shí)現(xiàn)避雷器泄漏電流的測量，系統(tǒng)原理圖如圖1所示，系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖1　系統(tǒng)原理圖

圖2　系統(tǒng)流程圖

基于上述分析，論文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的整體電路如圖3所示。系統(tǒng)中電流互感器1∶1對泄漏電流信號進(jìn)行提取，通過電流電壓轉(zhuǎn)換電路放大543.44倍后變?yōu)殡妷盒盘枺灰宦冯妷盒盘柾ㄟ^六階多重負(fù)反饋帶通濾波電路進(jìn)行中心頻率為150Hz，放大倍數(shù)為1.034 16的濾波后，提取出其中的三次諧波分量，三次諧波分量和另一路電壓信號一同經(jīng)過峰值檢測電路，最后輸出為全泄漏電流對應(yīng)電壓峰值以及三次諧波分量對應(yīng)電壓峰值。

3避雷器泄漏電流測量系統(tǒng)測試

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的測量系統(tǒng)的可行性，論文搭建了一個(gè)避雷器測量平臺，如圖4所示。平臺主要包括試驗(yàn)變壓器、杭州永德電氣生產(chǎn)的YH5WZ4-51/134有機(jī)復(fù)合絕緣交流無間隙金屬氧化物避雷器、微安表、本文設(shè)計(jì)的測量系統(tǒng)以及示波器、萬用表等測量設(shè)備。

基于上述平臺測量所得的全泄漏電流以及三次諧波分量對于電壓波形如圖4所示。圖4中藍(lán)色波形為全泄漏電流對于電壓波形，其中基波分量比例較大，整體波形的頻率以50Hz為主，三次諧波分量頻率為150Hz。對系統(tǒng)測得的三次諧波分量進(jìn)行傅里葉變換如圖6所示，可看出論文設(shè)計(jì)的測量系統(tǒng)能夠提取泄漏電流中的三次諧波分量。測量系統(tǒng)的峰值輸出如圖7所示。

圖3　系統(tǒng)電路圖

圖4　避雷器測量平臺

圖5　全電流及三次諧波分量對應(yīng)電壓波形

圖6　三次諧波分量傅里葉變換

圖7　測量系統(tǒng)峰值電路輸出

基于系統(tǒng)接入避雷器中的上電試驗(yàn)結(jié)果可看出，本文設(shè)計(jì)的測量系統(tǒng)實(shí)際測得的試驗(yàn)結(jié)果和波形基本滿足理論設(shè)計(jì)及理論分析的要求，能夠同于測量避雷器全泄漏電流及其三次諧波分量。

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的精度，根據(jù)DL/T987—2005中全電流測量誤差試驗(yàn)以及阻性電流測量誤差試驗(yàn)的要求，本文對整個(gè)測量系統(tǒng)進(jìn)行誤差試驗(yàn)。

(1)全電流誤差試驗(yàn)，根據(jù)DL/T987—2005文件要求，系統(tǒng)的阻性電流測試上限0.4mA，全電流測試上限為2mA，根據(jù)DL/T987—2005標(biāo)準(zhǔn)中的全電流的誤差試驗(yàn)規(guī)范，將標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器的阻性電流輸出設(shè)置為測試系統(tǒng)阻性電流測量上限的1/2即為0.2mA。保持三次諧波分量為0.15mA和基波分量為0.5mA，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)需改變?nèi)菪苑至糠捣謩e為0.346、0.775、1.183、1.587、1.990mA，對應(yīng)疊加后輸出的全電流峰值分別為為0.4、0.8、1.2、1.6、2mA。基于上述設(shè)置，論文采用信號發(fā)生器按照式(1)的相位關(guān)系將容性電流和阻性基波、三次諧波疊加輸出，串聯(lián)1KΩ電阻形成回路。最后根據(jù)論文設(shè)計(jì)的參數(shù)對所測數(shù)值進(jìn)行校正，系統(tǒng)輸出如表1所示。根據(jù)表1試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)可看出，全泄漏電流誤差不超過0.5%，滿足DL/T987—2005的誤差全電流測量范圍。

表1　全泄漏電流誤差試驗(yàn)

(2)阻性電流誤差試驗(yàn)，根據(jù)DL/T987—2005文件要求，首先將標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器的容性電流輸出設(shè)置為測試系統(tǒng)全電流測量上限的1/2即為1mA，保持三次諧波分量和基波分量的比例在1∶3，改變阻性基波分量以及阻性三次諧波分量的幅值大小，輸出阻性電流峰值為0.08mA、0.1mA、0.16mA、0.24mA、0.32mA、0.5mA、1mA。基于上述設(shè)置，論文采用信號發(fā)生器按照式(1)的相位關(guān)系將容性電流和阻性基波、三次諧波疊加輸出，串聯(lián)1KΩ電阻形成回路。最后根據(jù)論文設(shè)計(jì)的參數(shù)對所測數(shù)值進(jìn)行校正，系統(tǒng)輸出如表2所示。根據(jù)表2試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)可看出，全泄漏電流誤差不超過5%，滿足DL/T987—2005的誤差阻性電流測量范圍。

表2　阻性電流誤差試驗(yàn)

綜上初步調(diào)試證明系統(tǒng)的輸出性能穩(wěn)定，整體在線測量系統(tǒng)的誤差不超過DL/T987—2005 《氧化鋅避雷器阻性電流技術(shù)測試儀通用技術(shù)條件》所規(guī)范的測量誤差范圍，因此論文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具備測量疊加頻率的電流信號以及過濾三次諧波分量的能力。

4結(jié)語

本文分析了避雷器泄漏電流的標(biāo)準(zhǔn)波形，提出了使用電流互感器耦合的方式輸出泄漏電流，再通過帶通濾波器直接提取出泄漏電流中三次諧波分量，加以峰值檢測電路，測得三次諧波分量峰值的避雷器泄漏電流測量系統(tǒng)方案。并且基于分析對系統(tǒng)進(jìn)行搭建，利用實(shí)際避雷器對系統(tǒng)的可行性進(jìn)行測試，試驗(yàn)結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)避雷器的全泄漏電流以及三次諧波分量的測量。為了驗(yàn)證系統(tǒng)精度論文在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)波形發(fā)生器模擬DL/T987—2005 《氧化鋅避雷器阻性電流技術(shù)測試儀通用技術(shù)條件》提出的誤差試驗(yàn)方法進(jìn)行測試，并對測試結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)處理后，測試結(jié)果誤差低于標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)范的誤差上限。

基于上述測量結(jié)果該方法滿足實(shí)際工程需要，后續(xù)可以配合帶A/D轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī)電路和無線收發(fā)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。該方案加以完善可用于設(shè)計(jì)完整的避雷器泄漏電流在線監(jiān)測系統(tǒng)。

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(本文編輯：楊林青)

Study on Measurement Method of Leakage Current of Arrester

ZHANG Yi

(ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

Abstract:According to the standard waveform of lightning arrester leakage current recommended by 987-2005 DL/T standard, this paper designs a leakage current measurement system ,which based on the combination of the three harmonic components and the total leakage current. The whole system is based on the current sensor, current voltage conversion circuit, filter circuit, peak circuit to achieve the lightning arrester leakage current three harmonic component and the whole leakage current waveform processing. This paper set up the system, and test it according to the 987-2005 DL/T standard ‘s error test method. the test results meets with the acquirement of on-site measure. Therefore, the circuit designed in this paper can realize the measurement of leakage current of arrester.

Key words:MOA; third harmonic current; leakage current

DOI：10.11973/dlyny201603033

作者簡介：張藝(1979)，碩士，副教授，從事電力工程管理及電氣設(shè)備診斷研究。

中圖分類號：TM862

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-1256(2016)03-0394-04

收稿日期：2016-04-10