基于新感應(yīng)法的金屬氧化鋅避雷器帶電測試系統(tǒng)

高 翔，呂 滔，趙 博，鄧拓夫

（國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161）

0 引言

目前國內(nèi)的避雷器帶電檢測方法主要分為感應(yīng)法和PT二次法[1]。PT二次法因需并接運行電壓互感器（PT）的二次端子，會對運行設(shè)備的安全性造成極大威脅，一般被運行單位禁用[2]。而現(xiàn)有的感應(yīng)法因其容易受相間干擾[3]，所測數(shù)據(jù)既不穩(wěn)定更不準(zhǔn)確，一般僅作參考。本文介紹了一種基于感應(yīng)法的改進(jìn)型金屬氧化鋅避雷器帶電測試系統(tǒng)。

1 工作原理

目前所有具備感應(yīng)法功能的金屬氧化鋅避雷器帶電測試設(shè)備均采用感應(yīng)板測量避雷器電壓，其核心工作原理是利用一個平行電板電極測量空間電位梯度矢量場來獲取電壓信號。與之不同，本系統(tǒng)通過測量流經(jīng)電場感應(yīng)器的空間感應(yīng)電流來獲取無角偏的避雷器電壓信息。在一個交變的電場環(huán)境中，任何金屬體都會與高壓電極形成純?nèi)菪缘目臻g電容，當(dāng)金屬體接地且高壓電極一端接地（如在中性點接地系統(tǒng)中）時，在金屬體中就會流過空間感應(yīng)電流，該電流的相位超前電壓相位90°。因此，可以通過測量空間感應(yīng)電流并移相90°推算出一個電壓信號，該電壓信號雖然在幅值上與高壓電極電壓相差很大，但其相位卻完全一致，而這正是計算避雷器電流所必需的要素。

現(xiàn)有典型的變電站（或開關(guān)站）通常采用平行出線，而避雷器就在這些出線正下方。理論計算可以得出，采用兩只感應(yīng)球并將其分別放置在兩邊最外側(cè)出線回路的B相避雷器下方，兩處測得的電壓信號具有干擾互補(bǔ)性，即將兩路信號算術(shù)疊加即可獲得B相電壓的無角偏信號。以典型的雙回線電場環(huán)境為例，將兩個感應(yīng)板分別置于兩個B相導(dǎo)線的正下方，其等值電路如圖1所示。

其中：

基于線路布置相對對稱的實際，可以認(rèn)為，

將I1和I2相加，再對疊加電流I0進(jìn)行基波和三次諧波分析，可以得到：

圖1 感應(yīng)器等值電路圖Fig.1 Equivalant circuit of the sensor

從式（3）可以看出，疊加電流的基波和三次諧波超前電網(wǎng)電壓的基波和三次諧波90°，通過90°移相計算，即可得到具有準(zhǔn)確相位信息的電壓信號。

對于A、C相電壓信號，雖然不能直接測取，但通過將B相信號數(shù)字移相也能準(zhǔn)確得到。如此一來，通過常規(guī)的計算軟件即可獲取準(zhǔn)確的避雷器電流信息，包括其各次容性電流分量和阻性分量。

2 系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

本系統(tǒng)是在某公司現(xiàn)有的HCYB-20B型氧化鋅避雷器檢測儀的基礎(chǔ)上改造而成的。HCYB-20B型氧化鋅避雷器檢測儀可離線或帶電測試避雷器電流（包括避雷器全電流、阻性電流的各次諧波分量、容性電流的各次諧波分量），帶電測試功能的模式又分為PT二次式和感應(yīng)板式。該儀器的系統(tǒng)功能框圖如圖2所示。

圖2中，電流采集調(diào)理是避雷器電流的采樣單元，通過短接放電計數(shù)器兩端，泄漏電流流過穿心零磁通電流互感器進(jìn)行轉(zhuǎn)換采集；避雷器電壓采用有兩種方式，一是通過母線的PT二次側(cè)直接測量電網(wǎng)電壓，即圖2中的電壓采集調(diào)理單元，二是通過感應(yīng)板采集空間電場的梯度電勢，即圖2中的感應(yīng)板采集調(diào)理單元。

通過AD轉(zhuǎn)換將避雷器電壓、電流數(shù)據(jù)采集完畢后，數(shù)字信號送入微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及運算。通過傅里葉變換，計算出基波電流的相角φ，由公式Ir1=I1×cosφ即可得出避雷器阻性電流的基波分量，由Ic1=I1×sinφ即可得出避雷器容性電流的基波分量，再由公式C=Ic1/（U1×ω）算出避雷器的電容量。在計算避雷器阻性電流的諧波分量時，若采用上述方法直接計算，會因為當(dāng)電壓的諧波成分接近0而導(dǎo)致諧波的相角信息φn無法確定，進(jìn)而無法計算避雷器阻性電流的各次諧波分量，因此需采用其他方法計算阻性電流的諧波分量。

圖2 原型機(jī)功能圖Fig.2 Diagram of the prototype machine

通過各次諧波電壓和避雷器電容，可以計算出避雷器容性電流的各次諧波分量，再用各次諧波總電流與容性諧波電流算術(shù)平方相減即可得出各次阻性諧波電流，即由公式Icn=3×Un×Ic1/U1算出容性諧波電流，再通過公式Irn=√（In2-Icn

2）即算出阻性電流的個次諧波分量。根據(jù)避雷器阻性電流的特性，阻性電流各次諧波分量的初始相位φn=φ（Un），φ（Un）為各次諧波電壓的采樣時刻初始相位，可通過電壓采樣值經(jīng)過傅立葉正變換得到。

本系統(tǒng)對圖2中“感應(yīng)板采集調(diào)理”單元進(jìn)行改造，采用如圖3所示的“感應(yīng)球采集調(diào)理”單元。

圖3 感應(yīng)球采集調(diào)理單元結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Diagram of the acquisition and modulation unit based on inductive ball

圖3中，IB1和IB2為銅質(zhì)金屬球，R1和R2為無感電阻。IB1、IB2的作用是利用空間電容原理使高壓電極對其產(chǎn)生空間感應(yīng)電流，之所以采用球狀金屬體而不采用金屬板，主要為了消除平板電極布置角度差異產(chǎn)生的測量誤差；R1、R2的作用是將空間感應(yīng)電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，以便于分析、處理。

3 系統(tǒng)測試

在實驗室中模擬雙回線現(xiàn)場環(huán)境，對35kV金屬氧化鋅避雷器進(jìn)行運行電壓下的帶電檢測。為了驗證本系統(tǒng)的性能，本次檢測為對比測試，參照量為通過PT二次法測得的數(shù)據(jù)。為了排除因A/D采樣單元、PLC處理器及計算軟件產(chǎn)生的差異，特選擇本系統(tǒng)的PT二次式帶電測量功能模塊進(jìn)行測試。

通過PT二次法測得的數(shù)據(jù)如表1所示。

通過感應(yīng)球法測得的數(shù)據(jù)如表2所示。

表1、表2中，Ux為避雷器端電壓有效值，U1為避雷器端電壓基波有效值，U3為避雷器端電壓三次諧波有效值，Ix為避雷器全電流有效值，Irp為避雷器阻性電流峰值，Ir1p為避雷器阻性電流基波峰值，Ir3p為避雷器阻性電流三次諧波峰值，φ為避雷器基波電壓和基波電流的角差。

通過對比表1、表2的實測數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)：

（1）通過感應(yīng)球測得的避雷器電壓信號其相位非常穩(wěn)定；

表2 感應(yīng)球法測試記錄表Tab.2 Test record by using signal from inductive ball

（2）通過兩種方法測得的避雷器電壓信號基本沒有角偏，φ偏差最大為0.15°；

（3）通過兩種方法解析出的避雷器電流數(shù)據(jù)基本完全一致。

4 結(jié)束語

綜上所述，基于感應(yīng)法的改進(jìn)型金屬氧化鋅避雷器帶電測試系統(tǒng)很好地解決了在復(fù)雜電場環(huán)境下的相間干擾問題，實現(xiàn)了一種既安全又準(zhǔn)確的金屬氧化鋅避雷器帶電測試技術(shù)，具有較高的推廣應(yīng)用價值。

[1]蔡偉賢，陳蓓. 提高氧化物避雷器帶電測試準(zhǔn)確性的探討. 電瓷避雷器，2011（4）.

CAI Weixian，CHEN Pei. Discussion on improving accuracy of moa live testing. Insulators and Surge Arrestors，2011（4）.

[2]袁海燕，莊燕飛，等. 改進(jìn)的特高壓金屬氧化物避雷器帶電測試方法. 電瓷避雷器，2011（4）.

YUAN Haiyan，ZHUANG Yanfei，etc. Improved live test method for UHV MOA，Insulators and Surge Arrestors，2011（4）.

[3]李進(jìn)揚. 金屬氧化物避雷器帶電測試標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)的建議. 湖北電力，2006，30（6）.

LI Jinyang. Suggestions for the modification of testing standard for the energized metallic oxide arrestor. Hubei Electric Power，2006，30（6）.

高 翔（1977—），男，高級工程師，主要研究方向：高電壓絕緣。E-mail：35040685@qq.com