趙先堃

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710014）

氧化鋅避雷器(簡(jiǎn)稱MOA)，在電力系統(tǒng)中的運(yùn)用主要有配電系統(tǒng)的過(guò)電壓保護(hù)；敞開(kāi)式和GIS變電站的過(guò)電壓防護(hù)；并聯(lián)和串聯(lián)補(bǔ)償電容器的保護(hù)；發(fā)電機(jī)的過(guò)電壓保護(hù)；限制電動(dòng)機(jī)投切產(chǎn)生的操作過(guò)電壓；限制中性點(diǎn)未直接接地的變壓器中性點(diǎn)的過(guò)電壓；線路載波通訊用阻波器的保護(hù)；輸電線路防雷；深度控制輸電線路操作過(guò)電壓水平；直流輸電系統(tǒng)換流站的過(guò)電壓保護(hù)；大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路滅磁過(guò)程中的過(guò)電壓保護(hù)和能量吸收；超高壓直流斷路器開(kāi)斷時(shí)系統(tǒng)中的能量吸收。

氧化鋅避雷器具有優(yōu)越的非線性保護(hù)特性：在正常工作電壓下，避雷器閥片電阻很大近乎絕緣狀態(tài)；在大電壓沖擊下，便立即變?yōu)榈碗娮锠顟B(tài)被擊穿，將大電流泄放后閥片電阻值又很快恢復(fù)為高阻值狀態(tài)。所以實(shí)際應(yīng)用中氧化鋅避雷器與被保護(hù)設(shè)備并聯(lián)，當(dāng)被保護(hù)線路上出現(xiàn)雷擊或者誤操作過(guò)電壓時(shí)，氧化鋅避雷器能夠很快將過(guò)電壓能量釋放，使線路及設(shè)備免受過(guò)電壓危害。MOA動(dòng)作反應(yīng)快,殘壓低,通流容量大,無(wú)續(xù)流,無(wú)串聯(lián)間隙，體積小,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 成本低, 可靠性高,耐污穢能力強(qiáng), 維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中,成為重要的過(guò)電壓保護(hù)設(shè)備。

氧化鋅避雷器設(shè)備造價(jià)低，并且能滿足電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的需要，但由于經(jīng)驗(yàn)不足, 選用欠妥,結(jié)構(gòu)不良密封不嚴(yán)問(wèn)題，閥片劣化、受潮以及氣候因素等條件,導(dǎo)致泄漏電流增大,泄漏電流中的阻性電流分量使閥片溫度上升,產(chǎn)生有功損耗,形成熱崩潰, 嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致氧化鋅避雷器損壞或爆炸, 同時(shí)其他電氣設(shè)備將失去過(guò)電壓保護(hù), 直接影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。特別是當(dāng)氧化鋅避雷器使用時(shí)間長(zhǎng)久后,爆炸情況更易發(fā)生[1]。泄漏電流的大小是評(píng)價(jià)氧化鋅避雷器運(yùn)行質(zhì)量狀況的好壞的一個(gè)重要參數(shù)。因此,對(duì)氧化鋅避雷器的泄露電流進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行就顯得尤為重要。

1 多元補(bǔ)償法測(cè)氧化鋅避雷器泄露電流的原理

氧化鋅避雷器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由兩部分組成：電氣信息和非電氣信息，其中電氣信息包含避雷器承受電壓和總泄露電流，非電氣信息為避雷器表面溫度。避雷器全泄露電流和端電壓分別通過(guò)電流傳感器和電壓傳感器測(cè)量得到，傳感器測(cè)量信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后通過(guò)同軸電纜傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理模塊。

正常運(yùn)行情況下，氧化鋅避雷器的總泄露電流很小，一般為幾百微安到幾個(gè)毫安。為準(zhǔn)確獲取此電流，電流傳感器需滿足：靈敏度高，二次側(cè)輸出電壓信號(hào)盡可能高；在測(cè)量范圍內(nèi)輸出波形不畸變，線性度好；穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小。雷電沖擊或者操作過(guò)電壓時(shí)，避雷器泄露電流將會(huì)很大，此時(shí)就需要電流傳感器能夠準(zhǔn)確測(cè)量大電流，并有良好的寬頻特性。當(dāng)雷擊時(shí)，避雷器呈現(xiàn)小電阻特性，其接地線上會(huì)流過(guò)大泄露電流，如果使用帶鐵芯的電流傳感器，可能會(huì)因?yàn)殍F芯的飽和造成輸出二次電流畸變，從而影響監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，羅氏線圈在測(cè)量大電流、寬頻帶信號(hào)時(shí)準(zhǔn)確性較高。

氧化鋅避雷器的泄漏電流由阻性分量和容性分量構(gòu)成，其中阻性泄漏電流是引起氧化鋅避雷器閥片劣化的主要原因。正常情況下, 其大小僅占總泄漏電流的10% ～20 % ,加之閥片的非線性, 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的干擾等因素, 使準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)阻性電流具有一定的困難。泄漏電流按照頻率特征可以分為容性電流、阻性電流和非線性電流: 容性電流表明絕緣子表面具有較好的憎水性; 阻性電流表明絕緣子表面憎水性逐漸喪失形成導(dǎo)電通路; 非線性電流表明絕緣子表面形成干燥帶進(jìn)而引發(fā)了燥帶放電, 此時(shí)泄漏電流中的3次和5次諧波分量顯著增加。因此, 泄漏電流的各個(gè)頻率組分與絕緣子表面動(dòng)態(tài)特征存在著一定的聯(lián)系, 而且能夠反映各種因素對(duì)絕緣子的影響[2]。

目前比較準(zhǔn)確的在線監(jiān)測(cè)金屬氧化物避雷器的方法是多元補(bǔ)償法。分別對(duì)容性電流各次諧波分量進(jìn)行補(bǔ)償, 而保留只屬于阻性電流的分量。不直接從電壓互感器上獲取補(bǔ)償信號(hào)波形,而是利用電壓互感器交流電壓過(guò)零產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào),啟動(dòng)A/D U對(duì)泄漏電流進(jìn)行采樣, 并記下電壓電流的相位差,由計(jì)算機(jī)分別自動(dòng)生成與容性電流各次諧波分量同相位的補(bǔ)償信號(hào), 即U1、U2、U3、..., 設(shè)第k次諧波的補(bǔ)償信號(hào)為：

Gk為多元諧波補(bǔ)償系數(shù), 即將泄漏電流IX與補(bǔ)償信號(hào)Uksf作差分運(yùn)算后再乘以補(bǔ)償信號(hào)Uksf并進(jìn)行一周期積分，并利用快速牛頓迭代法可求得高次諧波多元補(bǔ)償系數(shù)Gk，最后得到可得到消除容性電流諧波分量影響的阻性電流IR[3]。

利用電壓互感器從電網(wǎng)測(cè)得電壓信號(hào)或者從給氧化鋅避雷器加試驗(yàn)電壓的變壓器測(cè)得電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)都不能直接供計(jì)算機(jī)使用，還需要小電壓互感器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。計(jì)算機(jī)對(duì)電壓信號(hào)的采集的目的：一是檢測(cè)其有效值及各次諧波(主要是基波和三次諧波幅值)；二是測(cè)量電壓的頻率。

實(shí)現(xiàn)多元補(bǔ)償?shù)挠布娐返乃悸肥菍⑷∽员芾灼骺傂孤╇娏鱅X經(jīng)電壓電流變換、濾波和放大的電壓信號(hào)輸入中央處理器; 將取自電壓互感器二次側(cè)的電壓信號(hào), 經(jīng)衰減、濾波、移相和過(guò)零脈沖處理,為CPU提供中斷信號(hào)。計(jì)算機(jī)根據(jù)來(lái)自電壓互感器的中斷信號(hào),判斷作用在MOA上的系統(tǒng)電壓過(guò)零時(shí)刻,由此產(chǎn)生啟動(dòng)A/ D 轉(zhuǎn)換命令,對(duì)避雷器總泄漏電流IX進(jìn)行數(shù)字采樣, 并自動(dòng)生成基波和各高次諧波的補(bǔ)償電壓信號(hào)Usf,依次求出各次諧波的多元補(bǔ)償系數(shù)Gk,再把總泄漏電流與求得的各次補(bǔ)償電流進(jìn)行差分運(yùn)算, 得到完全消除容性分量后的阻性電流分量。

氧化鋅避雷器的在線測(cè)量需要同步的測(cè)量氧化鋅避雷器的泄漏電流和加在氧化鋅避雷器上的電網(wǎng)電壓。利用電壓互感器和小電流互感器同步采集電壓信號(hào)和總泄漏電流信號(hào)，對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行各次諧波分析，從而判斷氧化鋅避雷器的運(yùn)行狀況。在線測(cè)量可以分為有線測(cè)量和無(wú)線測(cè)量?jī)煞N。有線測(cè)量需要從高壓電網(wǎng)或者電壓互感器二次側(cè)上引出較長(zhǎng)的電線，不管是電網(wǎng)電壓還是電壓互感器二次側(cè)引出的電壓對(duì)操作人員來(lái)說(shuō)都是高電壓(PT二次側(cè)的額定電壓一般為100 V，電網(wǎng)電壓大多在 6 kV 以上)，存在相當(dāng)大的安全隱患。無(wú)線測(cè)量則能夠降低操作人員的危險(xiǎn)系數(shù)，但是需要試驗(yàn)無(wú)線傳輸系統(tǒng)在高壓線周圍是否會(huì)受到干擾，并且需要對(duì)泄漏電流與電壓進(jìn)行同步采集。

選擇的互感器型號(hào)為 SPT204A，是一款匝數(shù)比為 1:1的毫安級(jí)精密電流型電壓互感器，輸入額定電流為 2 mA，最大可達(dá)到 10 mA，輸出額定電流為 2 mA，線性范圍是0～10 mA，精度為 1%。使用時(shí)需要在互感器的一次側(cè)串聯(lián)電阻將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為允許范圍內(nèi)的電流信號(hào)，串電阻后的電壓輸入范圍為 50～1 000 V。電壓經(jīng)探頭引入互感器SPT204A，互感器二次側(cè)的電壓信號(hào)一路送給儀表放大器AD620 進(jìn)行零點(diǎn)及幅值調(diào)整，AD620 輸出的電壓幅值在 0～5 V 之間，再送到控制器的模擬輸入端口 AN0，供 A/D 采樣，這部分電路是用于電壓有效值及各次諧波的測(cè)量。電壓互感器 SPT204A 二次側(cè)信號(hào)另一路則是送給比較器 LM393，將正弦電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率相同的方波信號(hào)，再送到控制器的輸入捕捉引腳進(jìn)行頻率測(cè)量。避雷器的泄漏電流也是由探頭引入電流互感器，經(jīng)變換后送給 AD620 進(jìn)行零點(diǎn)及幅值調(diào)整，最后由控制器的AN1引腳采集并進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。

系統(tǒng)采用數(shù)字處理器為控制器，軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序、A/D 采樣子程序、頻率測(cè)量子程序、顯示子程序、測(cè)溫子程序、實(shí)時(shí)時(shí)鐘子程序及采樣數(shù)據(jù)處理、測(cè)量記錄處理、打印子程序等。主程序負(fù)責(zé)系統(tǒng)的初始化，根據(jù)外部操作進(jìn)行相應(yīng)的處理，并協(xié)調(diào)各個(gè)子程序的運(yùn)行。A/D 采樣子程序通過(guò)控制器的定時(shí)器 1 中斷實(shí)現(xiàn)，利用內(nèi)部 A/D 模塊轉(zhuǎn)換采集到的電壓、電流信號(hào)數(shù)據(jù)，以提供給后續(xù)數(shù)據(jù)分析處理。頻率測(cè)量子程序利用控制器的輸入捕捉中斷測(cè)量電壓信號(hào)的實(shí)際頻率值，用以反映實(shí)際電壓信號(hào)頻率的變化，從而及時(shí)調(diào)整 A/D 采樣的頻率，保證采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠。顯示子程序用于在液晶屏上顯示界面信息、測(cè)量數(shù)據(jù)值、電壓電流波形等。由電壓互感器檢測(cè)到的交流電壓信號(hào)經(jīng) LM393 比較器輸出頻率與電壓頻率一樣的方波信號(hào)，該方波信號(hào)的頻率可以通過(guò)計(jì)算機(jī)的輸入捕捉引腳檢測(cè)計(jì)算得到。

2 測(cè)量時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題

目前普遍采用市售成套直流高壓試驗(yàn)裝置對(duì)氧化鋅避雷器進(jìn)行測(cè)量，其中部分直流高壓試驗(yàn)裝置是采用中頻變壓器低壓側(cè)來(lái)監(jiān)視高壓電壓的, 這對(duì)于35 kV及以下的中低壓氧化鋅避雷器測(cè)量比較準(zhǔn)確, 但對(duì)于110 kV及以上高壓氧化鋅避雷器將產(chǎn)生較大測(cè)量誤差[4]。氧化鋅閥片的非線性致使試驗(yàn)電壓的準(zhǔn)確性對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大, 因此在測(cè)量時(shí)應(yīng)在高壓側(cè)直接測(cè)量試驗(yàn)電壓以保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。用高阻器串微安表(或用電阻分壓器接電壓表)對(duì)氧化鋅避雷器進(jìn)行測(cè)量,而不使用成套直流高壓試驗(yàn)裝置。

測(cè)量氧化鋅避雷器直流泄漏電流時(shí)，應(yīng)先用絕緣電阻表?yè)u測(cè)本體對(duì)地及基座對(duì)地絕緣情況。若絕緣情況良好，宜在被試品下端與接地網(wǎng)之間( 此時(shí)被試品的下端應(yīng)與接地網(wǎng)絕緣) 串聯(lián)一只帶屏蔽引線的微安表，其精度應(yīng)高于成套裝置上的儀表，當(dāng)兩只電流表的指示數(shù)值不同時(shí)，應(yīng)以外部串聯(lián)的電流表讀數(shù)為準(zhǔn)，泄漏電流測(cè)量法可以連續(xù)對(duì)絕緣子進(jìn)行檢測(cè), 能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地反映各種動(dòng)態(tài)參數(shù)對(duì)避雷器、絕緣子等電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的影響, 因此逐漸成為當(dāng)前的研究重點(diǎn)。

避雷器泄露電流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般安裝在避雷器所在桿塔上, 通過(guò)太陽(yáng)能的方式供電, 電流傳感器測(cè)量得到的泄露電流通過(guò)信號(hào)保護(hù)單元進(jìn)入采集器, 采集器采集結(jié)果通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送給位于變電站內(nèi)的分析系統(tǒng)[5]。使用這種系統(tǒng)能夠?qū)Ω邏哼\(yùn)行中的避雷器、絕緣子等進(jìn)行全天候的泄漏電流在線監(jiān)測(cè)。

3 結(jié)束語(yǔ)

補(bǔ)償法測(cè)氧化鋅避雷器的泄露電流是目前我國(guó)應(yīng)用較多的一種方法。采用多元補(bǔ)償法能有效地消除電網(wǎng)電壓諧波帶來(lái)的容性諧波分量,使阻性電流分量的測(cè)量更加準(zhǔn)確，并易于用硬件和軟件實(shí)現(xiàn), 為氧化鋅避雷器實(shí)施消除容性諧波電流影響的在線監(jiān)測(cè)提供了理論基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)的泄漏電流幅值檢測(cè)法都是在工頻電源下開(kāi)展的研究, 測(cè)量結(jié)果易受到外界因素的干擾, 所需的設(shè)備和條件相對(duì)復(fù)雜。部分學(xué)者提出了采用高頻高壓電源對(duì)絕緣子進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn), 建立了高頻泄漏電流幅值與絕緣子表面狀態(tài)的關(guān)系, 降低了試驗(yàn)對(duì)絕緣子表面狀態(tài)的破壞, 同時(shí)提高了檢測(cè)的準(zhǔn)確性和抗干擾性[6]。但是, 由于影響泄漏電流的因素很多, 對(duì)于在不同環(huán)境下運(yùn)行的不同類型絕緣子, 泄漏電流值的變化存在較大的分散性, 導(dǎo)致該檢測(cè)法存在一定的局限性,需要繼續(xù)進(jìn)行大量試驗(yàn)研究, 確定統(tǒng)一的報(bào)警閾值。

在直流泄漏電流測(cè)量中，電力設(shè)備絕緣材料( 電介質(zhì)) 溫度的高低及其變化，對(duì)于測(cè)量結(jié)果將產(chǎn)生很大影響。因?yàn)殡娊橘|(zhì)電導(dǎo)與溫度之間存在著密切的關(guān)系，溫度越高，離子的熱運(yùn)動(dòng)越劇烈，就越容易改變?cè)仁苁`的狀態(tài)，因而在電場(chǎng)作用下做定向移動(dòng)的離子數(shù)量及其移動(dòng)的速度都將增加，即電導(dǎo)隨溫度升高而增大。溫度對(duì)泄漏電流測(cè)量結(jié)果的影響是極為顯著的，因此，對(duì)所測(cè)得的電流值，均需換算到相同溫度，才能進(jìn)行分析比較。由于避雷器內(nèi)部元件的參數(shù)與溫度有關(guān)，為更準(zhǔn)確的反映避雷器運(yùn)行狀態(tài)，由溫度傳感器監(jiān)測(cè)避雷器表面溫度同樣非常重要，溫度是避雷器運(yùn)行狀態(tài)的總體反應(yīng)。當(dāng)電壓、電流和溫度信息采集完成后再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。在這個(gè)信息融合過(guò)程中，信息之間是如何與避雷器狀態(tài)對(duì)應(yīng)的，還需要經(jīng)驗(yàn)的積累和試驗(yàn)的驗(yàn)證。

[1] 劉磊,李強(qiáng).無(wú)間隙氧化鋅避雷器在工頻電壓下易損壞的原因分析[J].機(jī)電信息,2011(3):84-85.LIU lei,LI Qiang.Analysis of the damage cause of ceaseless zinc oxide arrester at frequency voltage[J].Mechanical and Electrical Information,2011(3):84-85.

[2] 張金霞,張小紅,王帆.基于ICA的金屬氧化鋅避雷器監(jiān)測(cè)與仿真[J].青海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010(2):22-25.ZHANG Jin-xia,ZHANG Xiao-hong,WANG Fan.Monitoring and simulation on the white zin arrester based on the ICA[J].Journal of Qinghai University,2010(2):22-25.

[3] 王芳.改進(jìn)氧化鋅避雷器試驗(yàn)方法的探討[J]. 山西師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011(S1):36-37.WANG Fang.Discussion of the refinement testing method of the MOA[J].Journal of Shanxi Normal University:Natural Science Edition,2011,S1:36-37.

[4] 王輝.35kV變電站單相接地故障判斷和處理[J].電子制作,2013(8):39.WANG Hui.Single-phase earth fault judgment and troubleshooting method in 35 kV substation[J]. Practical Electronics,2013(8):39.

[5] 胡志彬.氧化鋅避雷器損壞的原因及預(yù)防措施[J]. 中小企業(yè)管理與科技:上旬刊,2011(9):302-303.HU Zhi-bin.The damage cause of zinc oxide arrester and prevention measures[J].Management & Technology of SME,2011(9):302-303.

[6] 闕照,任曉霞.110kV變電站防雷接地設(shè)計(jì)[J].電氣制造,2013(5):40-42.QUE Zhao,REN Xiao-xia.The lightning protection and grounding design of 110k V substation[J].Electrical Manufacturing,2013(5):40-42.