基于阻性電流測試的數(shù)字型避雷器內(nèi)部缺陷檢測系統(tǒng)設計

阮昱川, 李達， 楊紅偉， 史玉清， 保昕辰

(云南電網(wǎng)有限責任公司玉溪供電局， 云南，玉溪 653100)

0 引言

避雷器具有較好的非線性特性與保護性能，可以有效避免出現(xiàn)通過線路傳來的雷電過電壓以及操作導致的內(nèi)部過電壓現(xiàn)象[1]。為了緩解數(shù)字避雷器事故給電力企業(yè)造成的經(jīng)濟損失，必須保證數(shù)字避雷器的保護效果，這就要求對其內(nèi)部缺陷進行檢測，避免數(shù)字避雷器的絕緣失效[2-3]。

傳統(tǒng)的數(shù)字避雷器內(nèi)部缺陷檢測需要依靠工作人員每天或每周觀察電表進行檢測，如文獻[4]方法不能立即發(fā)現(xiàn)數(shù)字避雷器內(nèi)部缺陷，一個檢測周期內(nèi)，對于具有內(nèi)部缺陷嚴重的數(shù)字式避雷器，其高風險發(fā)生的概率較高，大大降低了電網(wǎng)運行的安全性，提高了電力系統(tǒng)的經(jīng)濟損失。通過對數(shù)字式避雷器內(nèi)部缺陷的檢測，可以及時發(fā)現(xiàn)并排除故障，消除數(shù)字式避雷器的高風險現(xiàn)象，為此設計阻性電流測試下數(shù)字型避雷器內(nèi)部缺陷檢測系統(tǒng)，有效檢測數(shù)字型避雷器的內(nèi)部缺陷，提升電網(wǎng)運行的安全性。

1 阻性電流測試下數(shù)字型避雷器內(nèi)部缺陷檢測系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體結構

阻性電流測試下三相數(shù)字型避雷器內(nèi)部缺陷檢測系統(tǒng)主要包含記錄器、光電變送器與顯示報警裝置3個部分。三相數(shù)字型避雷器內(nèi)部缺陷檢測系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

圖1 三相數(shù)字型避雷器內(nèi)部缺陷檢測系統(tǒng)

記錄器即取樣裝置，在各組三相數(shù)字型避雷器的記錄器中安裝1個信號采集模塊與放電計數(shù)器，利用數(shù)字化信號采集模塊采集三相數(shù)字型避雷器泄漏電流的電信號并轉換成光信號，利用放電計數(shù)器記錄三相數(shù)字型避雷器放電次數(shù)，通過光纖將轉換后的光信號與放電次數(shù)傳至光電變送器。在一個沖擊到來過程中[5]，電容以非線性回路的形式，在計數(shù)器線圈上實施放電，并記錄三相數(shù)字型避雷器放電次數(shù)。安裝取樣裝置過程中，需要在三相數(shù)字型避雷器的瓷套根部安裝一個表面泄漏屏蔽環(huán)，用于避免三相數(shù)字型避雷器表面受潮導致電流泄漏，降低測量精度[6]。表面泄漏屏蔽環(huán)安裝完成后，利用光線連接取樣裝置與光電變送器。

光電變送器負責轉換所接收數(shù)字化信號采集模塊轉換后的光信號，將其轉換為電信號，隨后將電信號利用光纜傳輸?shù)絻?nèi)部缺陷監(jiān)測裝置，以串口形式將實時數(shù)據(jù)傳輸至上層計算機[7]，用于相關部門分析三相數(shù)字型避雷器內(nèi)部缺陷。

內(nèi)部檢測裝置負責接收各三相數(shù)字型避雷器的泄漏電流測量數(shù)據(jù)與放電次數(shù)，利用諧波分析法在接收的泄漏電流測量數(shù)據(jù)中提取三相數(shù)字型避雷器的阻性電流基波分量，比較三相阻性電流基波分量是否具有很大差距并和上次阻性電流基波分量值對比，結合放電次數(shù)，按照《電力設備帶電檢測技術規(guī)范》確定該三相數(shù)字型避雷器是否具有內(nèi)部缺陷及缺陷類型。一旦發(fā)現(xiàn)存在內(nèi)部缺陷[8]便發(fā)出報警信號，利用網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸至主控中心，實現(xiàn)遠方自動檢測三相數(shù)字型避雷器的內(nèi)部缺陷。

1.2 數(shù)字化信號采集模塊

利用數(shù)字化信號采集模塊能夠保持三相數(shù)字型避雷器運行電壓與電流信號采集的同步性，數(shù)字化信號采集模塊的設計方案是通過傳感器輸出信號,無須經(jīng)過某個環(huán)節(jié)，可直接將信號傳輸至前置信號調(diào)理單元，利用高精度A/D變換器轉換成數(shù)字信號再經(jīng)由電/光變換，利用光纖傳輸至光電變送器，提升采集三相數(shù)字型避雷器泄漏電流的精度。數(shù)字化信號采集模塊的結構圖如圖2所示。

圖2 數(shù)字化信號采集模塊的結構圖

數(shù)字化信號采集模塊由遠方子模塊與本地子模塊2部分組成，2個子模塊間利用光纖實現(xiàn)連接。遠方子模塊安裝于高壓設備旁邊，用于采集與處理設備一次側電壓以及電流信號，并將其轉換為數(shù)字信號，隨后實施電/光變換，利用光纖將光信號傳輸至光電變送器。

1.3 數(shù)字型避雷器泄漏電流分量提取方法

通過諧波分析法在接收的泄漏電流測量數(shù)據(jù)中提取三相數(shù)字型避雷器泄漏電流分量。諧波分析法提取三相數(shù)字型避雷器的阻性電流分量的原理如圖3所示。

圖3 諧波分析法原理圖

諧波分析法的原理是在三相數(shù)字型避雷器絕緣狀態(tài)變化情況下提升阻性電流，而現(xiàn)場電壓會造成三相數(shù)字型避雷器的有功損耗，因此需要提升阻性電流內(nèi)的基波分量。基波電壓決定阻性電流基波分量，諧波電壓不會影響阻性電流基波分量的提取，利用數(shù)字諧波分析與提取，接收的泄漏電流測量數(shù)據(jù)內(nèi)的泄漏電流基波分量，將三相數(shù)字型避雷器電壓相位作為基準，分解出阻性電流基波分量，按照阻性電流基波分量的相對變化量，依據(jù)《電力設備帶電檢測技術規(guī)范》判斷三相數(shù)字型避雷器的內(nèi)部缺陷。

提取阻性電流基波分量的具體方法如下：

令三相數(shù)字型避雷器運行電壓ux符合狄里赫利條件，利用傅里葉級數(shù)將運行電壓ux分解成電壓直流分量與各次諧波分量的總和，計算公式如下：

(1)

令三相數(shù)字型避雷器泄漏電流ix符合狄里赫利條件，利用傅里葉級數(shù)將運行電壓ix分解成電流直流分量與各次諧波分量的總和，計算公式如下：

(2)

其中，電壓與電流的直流分量分別是U0與I0,電壓與電流的各次諧波幅值分別是Ukm與Ikm,電壓與電流的各次諧波相角分別是ηk與λk，k=1,2,…,∞。

因為電容電流分量iC=Cdux/dt+uxdC/dt，電容是C，通常情況下，三相數(shù)字型避雷器在小電流區(qū)電容變化較小，所以有dC/dt=0。

通過式(1)獲取泄漏電流的容性分量，計算公式如下：

(3)

其中，ICk=kωCUkm，ω是諧波系數(shù)。

因為在同一諧波情況下，三相數(shù)字型避雷器的泄漏電流阻性分量與泄漏電流容性分量的相角之差是90°，第k次諧波電壓的相位和第k次諧波阻性電流的相位一致，所以令第k次諧波阻性電流幅值是IRk，阻性電流的計算公式如下：

(4)

由于ix=iR+iC，因此將式(2)、式(3)與式(4)代入ix=iR+iC中，獲取簡化后的公式如下：

(5)

同時，在式(5)的兩邊乘上sin(nωt+ηn)，周期個數(shù)是n，在相同周期T中，取式(5)兩邊的定積分，公式如下：

(6)

在k與n相等且處于同一周期的情況下，按照三角函數(shù)定積分的正交特性簡化式(6)中定積分不是0的對應項，簡化公式如下：

(7)

利用三角函數(shù)的積化和差公式繼續(xù)簡化式(7)，獲取以下公式：

(8)

通過三角函數(shù)正交特性獲取如下公式：

(9)

即：

(10)

存在如下公式：

(11)

IRk=Ikmcos(λk-ηk)=Ikm[cosηkcosλk+sinηksinλk]

(12)

在式(5)的兩頭同時乘上cos(nωt+ηn)，在相同周期T中，取式(5)兩邊的定積分，同理在k與n相等且處于同一周期的情況下，按照三角函數(shù)定積分的正交特性簡化定積分不是0的對應項，簡化公式如下：

ICk=Ikmcos(λk-ηk)=Ikm[cosηkcosλk-sinηksinλk]

(13)

通過傅里葉級數(shù)展開ux與ix，利用FFT(fast fourier transformation，快速傅里葉變換)分解獲取各次諧波后，依據(jù)式(4)與式(8)計算，得到三相數(shù)字型避雷器泄漏電流內(nèi)的阻性電流基波分量與各次諧波阻性分量。

2 實例測試

以某省生產(chǎn)的用于變電站工控數(shù)據(jù)系統(tǒng)的數(shù)字信號防雷器為實驗對象，以其在該變電站的年際結業(yè)報告中的數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)來源，利用本文系統(tǒng)在阻性電流測試下對該變電站的三相數(shù)字型避雷器實施內(nèi)部缺陷檢測。

應用該變電站工控數(shù)據(jù)系統(tǒng)控制的是已通過ISO 9001:2000國際質量體系認證的HY5WS-10/30DL-TB(10 kV)跌落式避雷器為測試對象，設工作電壓233 kV，環(huán)境溫度35 °C。運行后定期進行預防性試驗、帶電試驗和紅外測溫，發(fā)現(xiàn)B相上節(jié)熱像上高下低，初步判斷避雷器內(nèi)部可能受潮，存在缺陷，如圖4所示。

圖4 跌落式避雷器B相熱像特征異常

基于圖4，應用本文方法進行內(nèi)部缺陷檢測，其數(shù)字型避雷器內(nèi)部缺陷檢測系統(tǒng)的采集終端直接采集現(xiàn)場 TV (電壓互感器)電壓和數(shù)字型避雷器的漏電電流，以 TV電壓為參考向量計算數(shù)字型避雷器的全電流及阻性電流等參數(shù)。

為了保證現(xiàn)場一次設備的完整性，采用穿芯式高精度零磁通電流傳感器進行泄漏電流采集。每個避雷器上安裝1個避雷器信號處理單元。采集到的電流信號經(jīng)處理后傳輸至在線監(jiān)測集中控制器，再傳輸至間隔集中控制柜內(nèi)的避雷器監(jiān)測IED。采集的電壓信號傳輸至在線監(jiān)測裝置。綜合分析數(shù)據(jù)后，通過PMS(生產(chǎn)管理系統(tǒng))顯示。

2.1 采集泄漏電流

利用本文系統(tǒng)采集正常工作中三相數(shù)字型避雷器的泄漏電流波形，并與真實的泄漏電流波形實施比較，三相數(shù)字型避雷器泄漏電流對比結果如圖5所示。

(a) A相數(shù)字型避雷器泄漏電流

根據(jù)圖5可知，本文系統(tǒng)采集的三相數(shù)字型避雷器泄漏電流波形與實際泄漏電流波形基本相同，誤差很小可以忽略不計。實驗證明,本文系統(tǒng)采集的三相數(shù)字型避雷器泄漏電流波形的準確性較高，可以為后續(xù)三相數(shù)字型避雷器內(nèi)部缺陷檢測提供精準的數(shù)據(jù)基礎。

2.2 檢測內(nèi)部缺陷

利用本文系統(tǒng)對上述三相數(shù)字型避雷器的內(nèi)部缺陷實施檢測，首先利用本文系統(tǒng)在采集的泄漏電流測量數(shù)據(jù)中提取阻性電流測試下的三相數(shù)字型避雷器阻性電流基波分量與電壓，并與該三相數(shù)字型避雷器在2016年首次投入使用時的阻性電流與電壓的初始數(shù)據(jù)實施對比，對比結果如表1所示。

表1 對比結果

根據(jù)表1可知，在實施橫向對比的情況下，本文系統(tǒng)能夠檢測出數(shù)字型避雷器的內(nèi)部缺陷。

為進一步驗證本文系統(tǒng)檢測數(shù)字型避雷器內(nèi)部缺陷的有效性，隨機選取一個正常的三相數(shù)字型避雷器進行實驗，利用本文系統(tǒng)檢測正常情況下的三相數(shù)字型避雷器的阻性電流基波分量，之后在該三相數(shù)字型避雷器內(nèi)部注入5 ml水，并將其放置30天后，利用本文系統(tǒng)檢測注水后的三相數(shù)字型避雷器的阻性電流基波分量。2種情況下的檢測結果如圖6所示。

圖6 2種情況下的檢測結果

根據(jù)圖6可知:三相數(shù)字型避雷器內(nèi)部受潮時，其阻性電流基波分量會明顯提升；在正常情況下，根據(jù)本文系統(tǒng)提取的阻性電流基波分量結合《電力設備帶電檢測技術規(guī)范》，可判斷此時的三相數(shù)字型避雷器無內(nèi)部缺陷，可正常工作；在注水后，根據(jù)本文系統(tǒng)提取的阻性電流基波分量變化幅度結合《電力設備帶電檢測技術規(guī)范》，可判斷其存在內(nèi)部受潮的缺陷。

3 總結

數(shù)字型避雷器屬于電力系統(tǒng)中重要的保護設備，數(shù)字型避雷器的安全運行顯得格外重要，因此設計阻性電流測試下數(shù)字型避雷器內(nèi)部缺陷檢測系統(tǒng)，有效檢測了數(shù)字型避雷器的內(nèi)部缺陷，為工作人員分析數(shù)字型避雷器運行狀況提供關鍵及可靠的數(shù)據(jù)，提升了故障恢復處理的速度。