雷擊線路電磁暫態響應干擾下電纜避雷器故障傳感檢測

李敏，趙芳芳，孫山峰，洪煥華，陳敬

1.國網長沙供電公司，湖南長沙 410002 2.中科云谷科技有限公司，湖南長沙 410002

0 引言

我國高壓交直流輸電技術和智能電網快速發展，為了確保電力電纜的安全、可靠運行，必須對過電壓進行有效地防護。輸電電纜終端的避雷器是主網運行中防止雷電和系統過電壓的核心裝置，其在運行中會受到過電壓和工作電壓的雙重影響而產生不同程度的絕緣電阻，引起設備性能下降，以及因內部受潮導致缺陷故障，從而影響到輸電系統的安全、高效運行[1]。隨著交流輸電電纜進一步的發展和社會的需求量變大，雷擊問題、運行穩定問題成為制約交流輸電電纜發展的重要因素。近幾年，為進一步提高電力系統和線路的抗雷擊性能，在國內電網中廣泛應用了金屬氧化鋅避雷器。金屬氧化鋅避雷器具有保護性能好、體積小、殘壓低等諸多優點，同時還能吸收能量大的過電壓。在實際運行過程中，因避雷器的缺陷而導致的輸電線路故障時有發生，極大地降低了供電網絡的穩定性及可靠性，因此，對避雷器缺陷故障進行智能診斷具有重要意義。

這一領域相關研究一直在進行，文獻[2]提出基于場路耦合的500 kV 氧化鋅避雷器受潮缺陷分析，選擇了500 kV 氧化鋅避雷器作為研究對象，并建立了相應的阻容網絡模型和有限元溫度場計算模型，通過仿真分析，獲取避雷器在不同運行狀態下的泄漏電流和溫度分布的數據，并進一步分析受潮等典型缺陷的特征和變化規律。文獻[3]提出110 kV 金屬氧化物避雷器故障帶電檢測診斷分析，經過停電試驗、解體和故障診斷分析，得出了以下結論：由于避雷器裝配環節的密封圈未能完全壓縮到位，導致水氣從頂部進入，并直接造成了內部閥片受潮，這一發現驗證了帶電檢測技術的有效性。

但是，上述方法存在一定的問題，交流輸電電纜終端的避雷器故障特征與雷擊線路電磁暫態過響應過程的信號極其類似。當前，從單端行波信息中的檢測方法很難區分雷擊特征與真實故障行波的特征。本文在上述研究基礎上，提出了一種優化的交流輸電電纜避雷器缺陷故障診斷方法。

1 交流輸電電纜避雷器缺陷故障診斷方法

1.1 基于傳感器數據的避雷器干擾特征區分

將傳感器布置在避雷器周圍，避雷器的閥片擁有良好的非線性特征，在晶界處形成雙重勢壘，形成了閥門的非線性特征[4]。這種非線性特征會導致其真實故障特征與雷擊線路電磁暫態過響應特征之間存在著一定的對應關系，其關聯系數的計算公式如下：

式中，e表示電場強度；v表示常數；ηb表示晶體材料本構參數。由上述公式可知，根據避雷器的伏安特性，進行公式（1）中的關聯系數的近似求解，其表達式為：

式中，I表示流過壓敏電阻的電流數值；u表示材料相關常數；c表示壓敏電阻兩端的電壓數值。

避雷器中，雷擊線路電磁暫態過響應特征的伏安特性劃分為4 個區域：預擊穿區、上翹區、線性區、擊穿區[5]。在線性區與非線性區中，電壓與電流的關系接近線性關系。在工作電壓下，避雷器閥片呈現出高電阻，極低的電流（毫安量級），為小電流區；而在擊穿區及上翹區，閥片表現出極低的電阻，幾乎是絕緣的。在電壓作用下，電流值很大，電阻值極小，是大電流的區域。雷擊線路電磁暫態過響應特征的伏安特性曲線如圖1 所示。

由圖1 可以看出，在交流輸電線路正常運行電壓下，其線性區域及預擊穿區域的伏安特征曲線位于線性區，此時通過避雷器電阻的電流很少，當避雷器發生故障或老化時，其預擊穿區與線性區的伏安特性曲線向右偏移，當故障等問題加深后，其伏安特性曲線就會越向右偏移[6-7]，與雷擊線路電磁暫態過響應不同，其初始行波的波頭下降沿存在轉折、突變或者后續存在振蕩過程。根據這一特征，可進行相應的特征提取，完成智能識別。

1.2 提取避雷器故障缺陷特征

在目前的避雷器故障檢測中，測量的故障缺陷特征量為阻性電流三階諧波成分、泄漏電流、功率損耗、阻性電流的基波成分等。通過對已有故障監測與識別方法的研究可以發現，每一種特征都可以反映出不同的缺陷，但只能反映出其中一種缺陷。因此，在實際識別分析中，需要結合多種特征進行綜合判斷。本文將深入開展多特征條件下的絕緣缺陷故障監測識別方法研究，建立一種新型的監測體系，為故障缺陷區的準確、簡單、快速診斷提供重要的技術支撐[8-9]。

根據對避雷器故障程度的判斷，主要依據的是初始行波的波頭下降沿存在轉折、突變或者后續存在振蕩過程這一特點。這一點主要體現在閥片的功率損耗、泄漏電流的阻性電流分量，因此需要專門的一種用來測量該避雷器阻性電流分量的專用監測裝置。本文設計了一種橋型電路，其電路如圖2 所示。該裝置的主要部件包括：測試變壓器、變阻器、標準電容器以及電子示波器等。

通過電路分析，能夠得出泄漏電流、閥片的功耗計算公式，其表達式為：

式中，ur(n)表示元件參數值；R表示線繞電阻值；ΔT表示采樣的間隔時間；N表示工頻周期中的采集數據點數。

避雷器的故障缺陷識別函數是與避雷器兩端的參考數據和實測數據相關聯的，相關系數是衡量兩個變數之間關聯性強弱的指標，通過兩個離差相乘來反映兩個變量之間的相關程度，關聯系數以各自平均值和兩個變量的離差為代表[10]。上一章節的關聯系數是用來刻畫變量x、y的緊密程度和關系的一種重要指標，提取避雷器故障缺陷特征的表達式為：

式中，sxy表示x、y之間的避雷器故障缺陷特征相關程度；φx φy表示x、y波動量的數學期待值；cxy表示x、y的均方差值。

通過以上公式得出了每一次諧波時，端部測量值與基準數據之間的相差值。當實測數據與參考數據中的一個組別的相關系數函數值最大時，那么該相關系數的故障程度就與該避雷器所對應的故障缺陷程度最接近。一般情況下，在交流輸電線路上避雷器的布設通常為一字型，一般會受雜散電容的影響，且雜散電容的影響大小與避雷器中的任意二者之間的距離成正比，即距離越近，影響越大，因此，流經兩邊的避雷器的總電流大小就會有一定變化，這也是需要注意的問題。

1.3 交流輸電電纜的故障識別方法設計

本文設計的避雷器故障缺陷辨識方法不是簡單的基波和三次諧波的振幅大小，而是通過對有無缺陷、故障狀態和老化程度的對比來進行的。通過對各判別函數的綜合極大值進行分析，得出了各判別函數的最大值，并給出了各判別函數的計算公式。這個判別函數的值就是公式（5）中測量數據與基準數據之間的相關值，其中，基準數據需要從絕緣老化、受潮等故障（包括正常狀態）的運行數據中提取出來，形成一個用于判斷故障缺損狀態的識別數據庫。該數據庫的詳細參數如表1 所示，根據該數據庫可以實現交流輸電電纜的故障識別。

表1 故障狀況類型

2 實驗測試與分析

為證明本文提出的交流輸電電纜避雷器缺陷故障診斷方法的有效性，現進行實驗測試，測試現場如圖3 所示。避雷器型號為HY5WS-17/50；傳感器型號為PT100；實驗參數：電纜長度為1 km，電纜截面積為120 mm2，額定電壓為10 kV；避雷器安裝在電纜中段，在避雷器兩端各安裝一個PT100 溫度傳感器，用于監測避雷器運行時的溫度變化；實驗雷電模擬：用雷電模擬器產生模擬雷電波形，波峰電壓為17 kV，波形為8/20 μs 標準雷電波。

測試現場選用真實雷擊環境，傳感器的安裝位置如圖4 所示。

2.1 實驗準備

此次實驗需要在工業軟件環境中進行測試分析。將本文提出的交流輸電電纜避雷器缺陷故障診斷方法與文獻[2]的基于場路耦合的500 kV氧化鋅避雷器受潮缺陷檢測方法、文獻[3]的110 kV 金屬氧化物避雷器故障帶電檢測方法進行對比。實驗所需的主要設備以及參數如表2 所示。

表2 主要設備以及參數表

在對交流輸電線路上避雷器的泄漏電流進行試驗時，將電容分壓器的地線連接到測試使用的避雷器的基座上，并將帶有屏蔽的高壓導線連接到避雷器的頂法蘭上。圖5 為本次實驗所設置的設備布設示意圖。

根據實際測試中所需的避雷器對放電動作要完全核查的要求，因此，需要對該參與測試的避雷器進行測試選擇，避雷器放電次數代表其性能的優越性。避雷器放電計數器動作次數的結果如表3 所示。

表3 避雷器放電計數器動作次數

經現場驗算，此故障避雷器放電計數器運行170 次，為其他3 個并聯避雷器放電計數器運行的5 倍。根據上述數據，本次實驗選擇#4 避雷器進行實驗測試。

2.2 實驗結果與分析

根據上述實驗準備，以交流輸電電纜避雷器運行電流作為實驗對象，其原始電流如圖6 所示。

由圖6 可知，該交流輸電電纜避雷器運行電流隨著時間的增加呈現波動趨勢，當電流內部存在噪聲時，其波動區間較大，為-20～20 A 之間。使用本文方法提取避雷器故障缺陷特征，對其進行去噪處理，得到測試結果如圖7 所示。

由圖7 可知，使用本文方法對交流輸電電纜避雷器的運行電流進行去噪處理后，其電流波動區間降低為固定頻率區間，有效去除了電流內含有的干擾噪聲。由此說明，本文方法對交流輸電電纜避雷器的運行電流進行去噪處理的效果顯著，能夠實現有效的去噪。

將3 種方法帶入到測試環境中，測試的時間周期為10 d，實驗設定的泄漏電流故障為5 mA，進行此次實驗的操作，其泄漏電流的監測實驗結果如表4 所示。

表4 泄漏電流監測實驗結果

根據表4 泄漏電流監測結果可以看出，交流輸電電纜避雷器缺陷故障診斷方法的識別結果基本正確，其誤差監測數值最大為0.148 mA，對交流電路發生故障的狀態下出現泄漏電流可以做出較為正確的診斷，而其他方法的誤差值都較大。由此證明了本文提出的交流輸電電纜避雷器缺陷故障診斷方法具有較好的可行性和靈敏度，不容易產生誤判。

3 結束語

采用的交流電纜避雷器缺陷故障診斷技術能夠對變壓器的內部絕緣情況進行實時、精確的測試。和傳統停電測試比較，該交流輸電電纜避雷器運行電流隨著時間的增加呈現波動趨勢，其電流波動區間降低為固定頻率區間，有效去除了電流內含有的干擾噪聲；其缺陷故障診斷方法的識別結果基本正確，其誤差監測數值最大為 0.148 mA，具有較好的可行性和靈敏度。同時，該技術具備帶電狀態的特性，可以靈活地掌握測試周期，以便對避雷器的問題做出有效地跟蹤與解決。