(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350116)

1 引言

避雷器設(shè)備是電力系統(tǒng)中重要的過(guò)電壓保護(hù)設(shè)備之一。金屬氧化鋅避雷器依靠著它良好的非線性性能，已經(jīng)逐步的取代了碳化硅間隙避雷器，在避雷器設(shè)備中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。但是氧化鋅避雷器在長(zhǎng)期的運(yùn)行當(dāng)中，受到系統(tǒng)中的電壓波動(dòng)和各種外界環(huán)境因素引起的外部污濁、內(nèi)部受潮等，都會(huì)引起避雷器內(nèi)部閥片的老化，以至于泄漏電流中的阻性分量明顯增加，內(nèi)部閥片發(fā)熱，徒增有功功率，嚴(yán)重的甚至引起熱崩潰，造成避雷器爆炸[1-3]。因此避雷器的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展可以解決因避雷器絕緣老化問(wèn)題而引起的事故發(fā)生?，F(xiàn)今避雷器的在線監(jiān)測(cè)方法眾多，例如全泄漏電流法、三次諧波法[4]、雙“TA”檢測(cè)法、溫度檢測(cè)法[3]、阻性電流法[6-7]等。雖然全泄漏電流檢測(cè)法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便利，但是對(duì)避雷器老化檢測(cè)的靈敏度問(wèn)題始終無(wú)法得到改善。三次諧波法監(jiān)測(cè)法雖能夠通過(guò)阻性電流良好的靈敏度來(lái)反應(yīng)避雷器的工作情況，但是這種方法無(wú)法避免系統(tǒng)諧波的干擾，在計(jì)算時(shí)也無(wú)法排除容性的三次諧波分量。并且每個(gè)避雷器的三次諧波峰值和阻性電流峰值的函數(shù)關(guān)系不唯一，因此在實(shí)際應(yīng)用中存在著較大的難度。容性電流補(bǔ)償法，其通過(guò)相位補(bǔ)償?shù)姆绞较菪苑至?，得到的阻性電流分量的誤差小，但是同樣也無(wú)法消除系統(tǒng)的諧波影響。雙“AT”的監(jiān)測(cè)方法缺乏經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。溫度檢測(cè)法需要更換現(xiàn)有的設(shè)備才能進(jìn)監(jiān)測(cè)，對(duì)于已經(jīng)上線安全運(yùn)行的避雷器而言，變得無(wú)法應(yīng)用。

為了有效的改善當(dāng)前避雷器檢測(cè)方法的不足之處，本文以阻性電流在反映避雷器老化中具有較高的靈敏度的原理為基礎(chǔ)，提出了一種新的阻性基波電流法，并通過(guò)仿真和誤差分析論證了該方法的可行性。

2 阻性基波電流法

2.1 在線監(jiān)測(cè)原理

阻性基波電流法是基于提取避雷器泄漏電流中的阻性電流基波分量作為參考值的一種在線監(jiān)測(cè)避雷器絕緣老化的方法。具體的表現(xiàn)為：

①一般情況下，電壓只含基波分量的時(shí)候：

u=U×sinωt

(1)

氧化性避雷器由于自身閥片電阻的非線性特性，使阻性電流中含有高次的諧波的分量，如式(2)所示：

iR=i1+…in=+…Insin(nωt+φn)

(2)

此時(shí)氧化鋅避雷器的閥片所產(chǎn)生的做功損耗可以表示為：

(3)

將式(2)和式(3)聯(lián)立進(jìn)行正交運(yùn)算后，式子中只剩下基波分量。換言之，只有阻性電流的基波分量在做功。由于氧化鋅避雷器阻性電流的高次諧波分量并沒(méi)有做功，所以在基波電壓下，阻性電流的基波分量并不會(huì)受到由于自身的非線性所產(chǎn)生的高次諧波的影響。

②在電網(wǎng)電壓中含有高次諧波分量的時(shí)候：由于電網(wǎng)的三次諧波電壓分量的大小一般只有基波分量的1%～2%，表示為：u3=(1%～2%)u1。而阻性電流的三次諧波分量也是遠(yuǎn)小于基波分量，可知電網(wǎng)產(chǎn)生的阻性三次諧波分量所做的功，遠(yuǎn)小于阻性的基波分量所做的功，可以表示為P3<<(1%～2%)P1。因此，當(dāng)電網(wǎng)中如果存在高次諧波分量的時(shí)候，對(duì)于金屬氧化鋅避雷器而言，阻性的基波分量做功是總做功的最主要成分[8]。綜上分析，將氧化鋅避雷器的阻性電流基波分量作為在線監(jiān)測(cè)的參考值，能夠較好的實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)的工作。

2.2 阻性基波電流提取方案

阻性基波電流提取方案過(guò)程如圖1所示。

從圖1中可以看出，該過(guò)程以電流采集電路為基礎(chǔ)，獲取避雷器全泄漏電流。再以低通濾波器良好的衰減特性過(guò)濾高次諧波分量，將過(guò)濾后的信號(hào)傳遞給波形轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)阻性基波電流的提取。

圖1 基波電流提取流程圖

(1)電壓與電流采集

以安裝在10kV柱上配電臺(tái)區(qū)避雷器的電壓運(yùn)行參數(shù)為例,如表1所示。

表1 避雷器運(yùn)行參數(shù)

根據(jù)表1得知避雷器在正常運(yùn)行時(shí)候的額定電壓，選擇額定電壓范圍內(nèi)的電壓互感器(PT)。通過(guò)經(jīng)驗(yàn)得知，互感器誤差等級(jí)宜控制在0.5～2s范圍內(nèi)[9]。

然而，在避雷器正常運(yùn)行的時(shí)候，全泄漏電流的電流值屬于毫安級(jí)別，在采集的時(shí)候難度較大。一般采用的方法有小電阻采樣法和電流互感器(CT)采樣法。小電阻采樣法雖然在采集精度上更加具備優(yōu)勢(shì)，但由于避雷器在雷電的沖擊下，泄放到大地中的電流有可能達(dá)到數(shù)千安培的大小，一旦流過(guò)小電阻采樣設(shè)備則很容易被直接燒毀。所以小電阻采集的可行性較低，且無(wú)法使用復(fù)雜的自然環(huán)境。因此，在電流的提取上更加的傾向于使用電流互感器的方法。由于電流互感器自身可以起到隔離的作用，并且可以根據(jù)其設(shè)計(jì)特點(diǎn)，具有更小的溫度系數(shù)和更高的靈敏度。但是采集對(duì)象的電流為微安等級(jí)，對(duì)互感器的采集精度和抗干擾能力有較高的要求。在實(shí)際的應(yīng)用中為了達(dá)到采集的要求，可以選用特質(zhì)的穿心式小電流互感器，這種電流互感器的線性度好、精度較高，適用于戶(hù)外檢測(cè)，并且造價(jià)不高，適用于阻性基波電流法的采集工作在實(shí)際操作中也更具有適應(yīng)性與經(jīng)濟(jì)性。

(2)基波分量提取

由于系統(tǒng)諧波干擾和避雷器自身的非線性，電流一般都含有高次的諧波分量，不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，無(wú)法直接用于波形轉(zhuǎn)換電路。為了濾除全泄漏電流中高次諧波和高頻的干擾，提取基波分量，通過(guò)接入低通濾波器[10-13]的方式來(lái)完成。常用的低通有源濾波器有：巴特沃斯濾波器、切比雪夫?yàn)V波器、和貝塞爾濾波器。

巴特沃斯濾波器是英國(guó)工程師斯提芬·巴特沃斯最早提出的。其特點(diǎn)就是在通頻帶的頻率響應(yīng)曲線上表現(xiàn)的最為平滑，沒(méi)有起伏。而在阻頻帶上，則是逐漸的下降為零，可以得到很好的光滑曲線。其幅度函數(shù)如式(4)所示。

(4)

而切比雪夫?yàn)V波器和貝塞爾濾波器在相同的階數(shù)下，二者的幅頻特性都不如巴特沃斯濾波器來(lái)的平坦。為了得到光滑的阻性電流的基波分量，要求在低頻段具有最好的平坦特性，所以選用巴特沃斯低通濾波器。由于電網(wǎng)頻率為50Hz，對(duì)于阻頻帶的高次諧波而言，在衰減速度上并不是有很高的要求，所以采用二階的巴特沃斯低通濾波器(衰減率為每倍頻12分貝)，來(lái)得到全泄漏電流的基波分量。這樣不僅達(dá)到了檢測(cè)環(huán)境的要求，而且可以避免高階濾波器的高額造價(jià)，在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用中更加的具有可行性與經(jīng)濟(jì)性。

(3)阻性電流提取

避雷器的等效模型由非線性電阻并聯(lián)電容構(gòu)成。如式(5)所示。

IR+IC=IX

(5)

從式(5)中可以看出，通過(guò)電壓和電流的相角差值結(jié)合三角函數(shù)的關(guān)系，就可以從全泄漏電流中獲取阻性電流的分量。不僅如此，氧化鋅避雷器在缺陷出現(xiàn)的初期，其阻性電流分量往往會(huì)成倍的增大，而容性電流分量則沒(méi)有顯著的變化，從而導(dǎo)致其阻抗角度出現(xiàn)的變小趨勢(shì)。如圖2所示，可見(jiàn)相角的變化也是絕緣老化變化的一個(gè)特征表現(xiàn)。

圖2 相角變化圖

在發(fā)現(xiàn)阻性電流有增加的趨勢(shì)時(shí)，加強(qiáng)對(duì)避雷器的監(jiān)視。根據(jù)頒布的DL/T596-1996《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定，發(fā)現(xiàn)阻性電流增量達(dá)到一倍以上的時(shí)候，應(yīng)及時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，并且及時(shí)安排停電檢查。

(4)波形轉(zhuǎn)換法

根據(jù)以上描述，在獲取全泄漏電流基波分量后，通過(guò)對(duì)相位差的采集，來(lái)完成阻性電流基波分量的提取。在相位采集的方法上，為了能獲得實(shí)時(shí)的相位差角度，采用一種波形變換法[14]的方式來(lái)提取相角的差值。如圖3所示。

圖3 波形相位比較

圖3中可以看出，在將二者的正弦波形轉(zhuǎn)換成矩形波之后，計(jì)算電壓和電流的上升沿之間的時(shí)間差值，就可以得到時(shí)間差值的脈沖圖像。通過(guò)式(6)將時(shí)間差轉(zhuǎn)換成相角差，完成一次相角差的采集工作。

(6)

得到相角差值之后，可以根據(jù)全泄漏電流與阻性電流之間的三角函數(shù)關(guān)系，得到阻性電流峰值和有效值的大小。阻性電流基波分量的變化對(duì)監(jiān)測(cè)氧化鋅避雷器絕緣老化等故障的初期具有較高靈敏度，是很好的監(jiān)測(cè)手段之一。

3 仿真分析與數(shù)據(jù)比對(duì)

3.1 仿真分析

在Matlab的Simulink仿真中，以10kV單相供電電壓為基礎(chǔ)，驗(yàn)證上述方法在單相避雷器處于正常運(yùn)行狀態(tài)下，阻性電流基波分量提取的可行性。

首先對(duì)于避雷器的仿真模型選非線性電阻和電容器并聯(lián)的經(jīng)典模型。由于非線性電阻在Simulink中，需要根據(jù)式(7)的計(jì)算來(lái)進(jìn)行三個(gè)階段的參數(shù)設(shè)置。

(7)

每個(gè)等級(jí)的氧化鋅避雷器的伏安特性線都可根據(jù)式(7)中參數(shù)α和k的不同，來(lái)劃分成三個(gè)階段。本次仿真所研究的阻性電流的基波分量，為三個(gè)階段中第一階段：小電流區(qū)域段。以表1中HY5WZ-17/45型號(hào)的避雷器數(shù)據(jù)為例，通過(guò)式(7)分別計(jì)算三個(gè)階段的α和k數(shù)值，如表2所示。并聯(lián)的等效電容的容值設(shè)定為11pF[15]。

表2 非線性電阻三個(gè)階段的參數(shù)設(shè)定

在避雷器的兩端設(shè)置電壓采樣，下端設(shè)置電流采樣。但是由于非線性電阻良好的非線性特征，從避雷器等效模型下端采樣出來(lái)的全泄漏電流波形如圖4所示。

圖4 全泄漏電流

從圖4可以看出，全泄漏電流中含有眾多高次諧波分量，還沒(méi)有達(dá)到我們所需要的正弦波要求，圖中的峰值電流在193μA上下。

為處理諧波問(wèn)題，在避雷器下端的電流采集處，增加二階巴特沃斯低通濾波器，對(duì)高次諧波分量進(jìn)行濾除，如圖5所示。

圖5 濾波后的全泄漏電流

從圖5可以看出，經(jīng)過(guò)濾波器后的波形，已經(jīng)非常接近基波分量，由于濾波器自身的衰減作用，圖中的電流峰值為188μA左右。

得到全泄漏電流的基波分量之后，需要對(duì)相角差的大小進(jìn)行采集。在simulink仿真中，通過(guò)compare模塊的過(guò)零比較的功能，來(lái)完成正弦波到方波的轉(zhuǎn)換。但由于電流波形屬于毫安級(jí)別，如需同電壓波形共同完成相位差角的計(jì)算，需要對(duì)濾波之后的電流波形進(jìn)行數(shù)字放大，否則會(huì)因?yàn)槎唛g數(shù)值相差太大而無(wú)法進(jìn)行相角差計(jì)算。之后再根據(jù)相位轉(zhuǎn)換法，將經(jīng)過(guò)放大之后的電流波形同電壓波形通過(guò)一個(gè)數(shù)字減法器，完成減法運(yùn)算后的波形如圖6所示。

圖6 減法器后的矩形波形

在圖6中可以看出，圖中小矩形波的位置，為兩波形上升沿和下降沿出現(xiàn)的時(shí)間差值。將圖像放大后進(jìn)行時(shí)間取樣，如圖7所示。

圖7 放大后的矩形波

如圖7所示，為電壓和電流上升沿時(shí)間差產(chǎn)生的正向的矩形方波，通過(guò)測(cè)算方波的寬度來(lái)判斷兩個(gè)上升沿的時(shí)間差值為0.0046s左右，通過(guò)公式(6)進(jìn)行轉(zhuǎn)換之后就，得到了相角的差值為82°，完成了一次實(shí)時(shí)的相角差的提取。

3.2 數(shù)據(jù)比對(duì)

通過(guò)上述方法提取完畢后，為了檢驗(yàn)提取的數(shù)據(jù)的誤差率，將仿真數(shù)據(jù)和在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。令仿真中通過(guò)阻性基波電流法提取的電流峰值為I1，仿真中測(cè)量的阻性電流峰值為I2，實(shí)際測(cè)量電流峰值為I3。如表3所示。

表3 仿真與實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)照表

通過(guò)表3 中的平均值進(jìn)行誤差計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，I1和I3的誤差值為4.6%。誤差產(chǎn)生的可能性在于二階巴特沃斯濾波器自身會(huì)對(duì)濾波的信號(hào)產(chǎn)生衰減和相位偏移的現(xiàn)象。而I2和I2的誤差只有0.7%，證明搭建的模型接近實(shí)際情況。通過(guò)誤差比對(duì)分析，可見(jiàn)阻性電流基波法可以較為準(zhǔn)確的提取避雷器泄漏電流中的阻性分量，且不容易受到電網(wǎng)中諧波的干擾，在避雷器的在線監(jiān)測(cè)中具有較高的利用價(jià)值。

4 結(jié)論

避雷器的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)日益發(fā)展，但由于方法的局限性，真正用于實(shí)際運(yùn)行、且誤報(bào)率較低的方法卻十分稀少。文中通過(guò)阻性電流對(duì)于反應(yīng)避雷器絕緣老化表現(xiàn)出較高靈敏的特性，從全泄漏電流中提取阻性電流基波分量的辦法來(lái)作為在線監(jiān)測(cè)的參考值，使用低通濾波器的手段，可以最大限度的避免電網(wǎng)和避雷器自身的諧波分量，將提取誤差率降低在5%左右。通過(guò)根本方法的改進(jìn)，大大的提高了避雷器在線監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度，在實(shí)際的運(yùn)行中具有深遠(yuǎn)的意義。