避雷器泄漏電流測量方法研究

張　藝

(上海電力學院，上海　200090)

避雷器泄漏電流測量方法研究

張藝

(上海電力學院，上海200090)

摘要：根據DL/T 987—2005標準所推薦避雷器泄漏電流標準波形，設計了三次諧波分量和全泄漏電流結合的避雷器泄漏電流測量系統。整個系統通過電流傳感器、電流電壓轉換電路、濾波電路、峰值電路實現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，并根據DL/T 987—2005標準所提供的誤差試驗方法對該系統進行校驗，試驗結果滿足現場測試要求。

關鍵詞：金屬氧化物避雷器；三次諧波分量；全泄漏電流分量

避雷器是電力系統電氣設備的重要過電壓保護裝置，與被保護設備并聯裝設在被保護設備電源側。系統正常運行時避雷器接近絕緣狀態，避雷器充當隔離設備。而當系統過電壓時，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中其他設備的影響，保障系統運行的安全性。

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%。當金屬氧化物避雷器發生絕緣老化時，其容性電流分量相對穩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的手段。

本文基于DL/T987—2005標準提出的避雷器泄漏電流標準波形，設計了一個三次諧波分量和全泄漏電流結合的避雷器泄漏電流測量系統。系統通過電流互感器耦合輸出避雷器泄漏電流，再由六階多重負反饋帶通濾波電路對全泄漏電流進行三次諧波濾波，最后經由峰值檢測電路測量全泄漏電流以及三次諧波分量。

論文設計的六階多重負反饋帶通濾波電路的中心頻率、帶寬以及增益等參數調節范圍易控制，適用于窄帶寬的濾波設計。再通過后續設計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。設計整體能夠直接體現三次諧波分量在避雷器劣化時對比其正常運行時的變化情況，并且在提取過程中不需要外加參考信號，避免了補償法帶來的幅值和相位上的誤差[4-6]。

1基本原理

根據DL/T987—2005 《氧化鋅避雷器阻性電流技術測試儀通用技術條件》可得避雷器泄漏電流標準波形如下：

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。

根據標準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系的分析本文對全電流信號進行中心頻率為150±40Hz帶通濾波，測量濾波后的信號峰值，通過上述比例關系即可對阻性電流和其基波分量的峰值進行預估。

2避雷器泄漏電流測量系統設計

論文搭建了一個避雷器泄漏電流測量系統，以三次諧波分量和全泄漏電流作為判斷避雷器的運行狀態的依據。三次諧波分量的變化可以有效反應避雷器閥片的老化情況，結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行預估。采用有源濾波器提取三次諧波信號，可以單獨對系統電壓三相進行檢測，避免了相間雜散電容導致的三相電流不平衡而造成的誤差，并且能夠準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換成電壓信號放大適當倍數以便后續進行三次諧波帶通濾波。根據避雷器泄漏電流波形特性本文需要采用中心頻率為150Hz的六階多重負反饋帶通濾波電路和峰值檢測電路，實現避雷器泄漏電流的測量，系統原理圖如圖1所示，系統流程如圖2所示。

圖1　系統原理圖

圖2　系統流程圖

基于上述分析，論文設計的系統的整體電路如圖3所示。系統中電流互感器1∶1對泄漏電流信號進行提取，通過電流電壓轉換電路放大543.44倍后變為電壓信號；一路電壓信號通過六階多重負反饋帶通濾波電路進行中心頻率為150Hz，放大倍數為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過峰值檢測電路，最后輸出為全泄漏電流對應電壓峰值以及三次諧波分量對應電壓峰值。

3避雷器泄漏電流測量系統測試

為了驗證設計的測量系統的可行性，論文搭建了一個避雷器測量平臺，如圖4所示。平臺主要包括試驗變壓器、杭州永德電氣生產的YH5WZ4-51/134有機復合絕緣交流無間隙金屬氧化物避雷器、微安表、本文設計的測量系統以及示波器、萬用表等測量設備。

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。對系統測得的三次諧波分量進行傅里葉變換如圖6所示，可看出論文設計的測量系統能夠提取泄漏電流中的三次諧波分量。測量系統的峰值輸出如圖7所示。

圖3　系統電路圖

圖4　避雷器測量平臺

圖5　全電流及三次諧波分量對應電壓波形

圖6　三次諧波分量傅里葉變換

圖7　測量系統峰值電路輸出

基于系統接入避雷器中的上電試驗結果可看出，本文設計的測量系統實際測得的試驗結果和波形基本滿足理論設計及理論分析的要求，能夠同于測量避雷器全泄漏電流及其三次諧波分量。

為了驗證本文所設計系統的精度，根據DL/T987—2005中全電流測量誤差試驗以及阻性電流測量誤差試驗的要求，本文對整個測量系統進行誤差試驗。

(1)全電流誤差試驗，根據DL/T987—2005文件要求，系統的阻性電流測試上限0.4mA，全電流測試上限為2mA，根據DL/T987—2005標準中的全電流的誤差試驗規范，將標準信號發生器的阻性電流輸出設置為測試系統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，根據標準需改變容性分量幅值分別為0.346、0.775、1.183、1.587、1.990mA，對應疊加后輸出的全電流峰值分別為為0.4、0.8、1.2、1.6、2mA。基于上述設置，論文采用信號發生器按照式(1)的相位關系將容性電流和阻性基波、三次諧波疊加輸出，串聯1KΩ電阻形成回路。最后根據論文設計的參數對所測數值進行校正，系統輸出如表1所示。根據表1試驗所得數據可看出，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

(2)阻性電流誤差試驗，根據DL/T987—2005文件要求，首先將標準信號發生器的容性電流輸出設置為測試系統全電流測量上限的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。基于上述設置，論文采用信號發生器按照式(1)的相位關系將容性電流和阻性基波、三次諧波疊加輸出，串聯1KΩ電阻形成回路。最后根據論文設計的參數對所測數值進行校正，系統輸出如表2所示。根據表2試驗所得數據可看出，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

綜上初步調試證明系統的輸出性能穩定，整體在線測量系統的誤差不超過DL/T987—2005 《氧化鋅避雷器阻性電流技術測試儀通用技術條件》所規范的測量誤差范圍，因此論文設計的系統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結語

本文分析了避雷器泄漏電流的標準波形，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方案。并且基于分析對系統進行搭建，利用實際避雷器對系統的可行性進行測試，試驗結果表明本文設計的系統能夠實現避雷器的全泄漏電流以及三次諧波分量的測量。為了驗證系統精度論文在實驗室標準波形發生器模擬DL/T987—2005 《氧化鋅避雷器阻性電流技術測試儀通用技術條件》提出的誤差試驗方法進行測試，并對測試結果進行數學處理后，測試結果誤差低于標準中所規范的誤差上限。

基于上述測量結果該方法滿足實際工程需要，后續可以配合帶A/D轉換功能的單片機電路和無線收發系統實現數據的遠程傳輸。該方案加以完善可用于設計完整的避雷器泄漏電流在線監測系統。

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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備診斷研究。

中圖分類號：TM862

文獻標志碼：A

文章編號：2095-1256(2016)03-0394-04

收稿日期：2016-04-10