鐘丹田，高 強，張軍陽，李在林，劉 齊，原 峰

（1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，沈陽 110006；2.沈陽科開電力技術(shù)有限公司，沈陽 110079）

0 引言

隨著中國電力事業(yè)的發(fā)展，輸電等級不斷提高，對特高壓輸變電可靠性要求也越來越高。特高壓交流系統(tǒng)用避雷器是特高壓系統(tǒng)中重要設(shè)備之一，其安全運行直接影響特高壓電網(wǎng)的安全性和可靠性，因此對特高壓避雷器運行狀態(tài)的監(jiān)測是十分必要的。當(dāng)前在6～500 kV等級系統(tǒng)中，避雷器監(jiān)測器內(nèi)部構(gòu)造大都是由電阻片、電磁計數(shù)器、電流指針表和一些電子元件組成，這類傳統(tǒng)的避雷器監(jiān)測器已經(jīng)沿用多年，只能測量避雷器的泄漏電流而無法獲取能夠靈敏反映避雷器運行狀態(tài)的阻性電流值，并且此類監(jiān)測裝置若應(yīng)用在特高壓場合，對裝置內(nèi)部的電阻片性能要求非常高，即使采用電阻片多級并聯(lián)方式也無法滿足特高壓用監(jiān)測器的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[1-3]。本文提出一種基于互感器取樣方式的避雷器在線監(jiān)測方法，能夠有效測量特高壓交流避雷器的狀態(tài)參數(shù)和動作次數(shù)，利用此方法設(shè)計的在線監(jiān)測裝置在使用時可以完全與一次設(shè)備無電氣連接，不會影響高壓設(shè)備的運行安全，裝置具有符合站內(nèi)I0接口規(guī)范的數(shù)據(jù)遠傳功能，滿足監(jiān)測裝置智能化的要求。

1 特高壓交流避雷器絕緣狀態(tài)測量方法及原理分析

1.1 互感器取樣方法研究

以1000 kV特高壓交流避雷器為例，在正常運行電壓下，在避雷器接地線中流過的泄漏電流約在15 mA，當(dāng)出現(xiàn)雷擊或操作過電壓時，電流值會突然增大至幾百千安，所以監(jiān)測設(shè)備既要保證避雷器泄漏電流和阻性電流測量精度，也要考慮避雷器釋放的大電流對監(jiān)測裝置的沖擊。JB/T 10492—2011《金屬氧化物避雷器用監(jiān)測器》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：1000 kV避雷器監(jiān)測器需要在2000 μs方波（峰值）8 kA通過后正常運行，而電阻片采樣方式很難達到標(biāo)準(zhǔn)要求[2]。筆者提出利用互感器的采樣方式能夠解決上述問題，設(shè)計了一種雙極性互感器。

采用坡莫合金為材料，兩個尺寸一致，初始導(dǎo)磁率u≥100000的磁芯，通過雙極繞制的方法，加工成高精度、低磁通精密電流互感器，變比為1000:1，測量電流范圍10 μA～50 mA。通過設(shè)計磁芯的截面積和負載，互感器二次電流在100 A時趨近飽和，見圖1。利用互感器飽和特性和電壓瞬態(tài)抑制管（TVS）配合，使數(shù)字電路部分在放電電流沖擊后仍能正常運行。

圖1 互感器飽和曲線Fig.1 Transformer saturation curve

互感器二次側(cè)負載端設(shè)計500 Ω的采樣電阻，二次電流經(jīng)過I/V變換和信號調(diào)理后，把互感器感應(yīng)的完整的泄漏電流波形變換成可以進行模數(shù)變換的小信號，從而進行分析計算。特高壓交流避雷器用監(jiān)測器標(biāo)準(zhǔn)對動作電流要求見表1。

通過表1可見，監(jiān)測器需在下限動作電流200 A（8/20 μs），最大應(yīng)能承受400 kA（4/10 μs）電流沖擊時能準(zhǔn)確記錄動作次數(shù)，因此利用電阻片采樣方式設(shè)計特高壓避雷器監(jiān)測器難以滿足所有技術(shù)參數(shù)。筆者設(shè)計采用高頻互感器采樣方式，可以有效地測量出避雷器本體的動作，經(jīng)過對鐵磁材料對比分析，高導(dǎo)磁率的鐵氧體材料具有很高的初始磁導(dǎo)率和高截止頻率，幾千赫茲至幾兆赫茲下工作，可以對4/10 μs放電電流完全響應(yīng)，當(dāng)互感器一次側(cè)有大電流出現(xiàn)時，二次側(cè)感應(yīng)出一個暫態(tài)的脈沖信號，經(jīng)過保護、整流電路變換成直流信號，然后通過儲能釋放環(huán)節(jié)把微妙級信號變換成毫秒級的脈沖信號，經(jīng)過周期延長的信號可以通過比較器給出一個翻轉(zhuǎn)電平，使MCU記錄一次避雷器動作的發(fā)生。

表1 1000 kV氧化物避雷器動作電流Table 11000 kV oxide arrester current standard

綜上所述，利用互感方式測量避雷器的阻性電流和動作次數(shù)，完全滿足特高壓交流避雷器用監(jiān)測器的技術(shù)要求，不僅能夠給電子測量電路準(zhǔn)確的信號，而且利用互感器的飽和特性，減輕大電流對數(shù)字電路沖擊的強度。裝置與一次設(shè)備沒有電氣連接，達到無殘壓測量的目的，增加一次設(shè)備運行的安全性。

1.2 阻性電流測量方法研究

目前，避雷器在線監(jiān)測裝置測量阻性電流的方法主要是采用測量系統(tǒng)電壓和泄漏電流夾角，計算出阻性電流值，此種方法需要把電壓互感器（PT）二次線引入到監(jiān)測裝置內(nèi)部，這樣增加PT短路的可能性，容易引起PT故障的發(fā)生。

由于避雷器具有非線性特性，其泄漏電流是非正弦波，其中含有高次諧波。3次諧波對溫度變化很靈敏，早期老化期阻性電流的變化又主要表現(xiàn)為阻性電流的3次諧波分量的上升[4-9]。通過對低電壓等級避雷器監(jiān)測方法分析比較，可以利用諧波分析法測量出避雷器泄漏電流中的3次諧波電流，利用老化后和無老化時的3次諧波電流的曲線來判斷MOA的運行工況。軟件計算公式如下：

考慮信號中包含有高次諧波及噪聲的情況，可將信號X（t）表示為

根據(jù)三角函數(shù)的正交性，得：

以上是針對時間連續(xù)信號，對于采樣后的離散信號，可以將積分表示成離散形式：

式中，N是一個周期中的采樣點數(shù)。

考慮到系統(tǒng)中的高次諧波含量較小，幾乎沒有偶次諧波。通過以上公式，DFT變換只分解奇次諧波，且在頻域內(nèi)硬件電路已經(jīng)濾除大于7次的奇次諧波。由此可以計算出電流基波和3次諧波的幅值。進行如此處理后，使計算方法符合IEC 60099-5標(biāo)準(zhǔn)，保證了阻性電流提取算法的精度[10-11]。

2 裝置整體設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

基于筆者提出的特高壓交流避雷器狀態(tài)測量方法，研制了適用于特高壓交流避雷器在線監(jiān)測裝置，裝置具有能夠在線監(jiān)測避雷器全電流、阻性電流、動作次數(shù)及動作時間等功能，并能夠本地顯示、遠程通訊、數(shù)據(jù)存儲1年以上[12]。總體設(shè)計框圖見圖2。

2.2 采樣電路設(shè)計

避雷器泄漏電流經(jīng)互感器后，互感器感應(yīng)出的二次電流經(jīng)過I/V變換后，變換成峰值在-1.2 V～+1.2 V之間的電壓信號，C39作為高頻濾波電容，濾除高次諧波后，進入到第二級放大器，經(jīng)過跟隨電路后進行正電壓抬升，電壓信號調(diào)理成0～2.4 V信號，最后進入MCU中內(nèi)部A/D進行分析計算。電流測量電路見圖3。

圖2 裝置總體設(shè)計框圖Fig.2 Design of the devicediagram

圖3 電流測量電路圖Fig.3 Current measurement circuit diagram

2.3 動作次數(shù)測量電路設(shè)計

當(dāng)避雷器動作時，大電流從避雷器接地線中流入大地，高頻互感器感應(yīng)的大電流在二次側(cè)輸出一個短暫的脈沖信號。見圖4，經(jīng)過整流橋整流后變成直流信號，通過L1和C2進行延時，變換成比較器LM311能夠接收的毫秒級周期信號。LM311在正常狀態(tài)下輸出高電平，當(dāng)檢測到3腳電平高于2腳電平時，輸出低電平進入到MCU中斷引腳，MCU記錄動作發(fā)生一次，并讀取當(dāng)前動作發(fā)生的時間，然后把全部數(shù)據(jù)存儲在FLASH芯片中。

圖4 避雷器動作次數(shù)測量電路圖Fig.4 Measure of surge arrester actioncircuit diagram

3 抗干擾特性設(shè)計

裝置在應(yīng)用過程中會受到很多復(fù)雜的電磁干擾的影響，包括裝置的電源系統(tǒng)，通信系統(tǒng)，采樣系統(tǒng)都會由于電磁干擾的影響而出現(xiàn)異?；蛘咄Ｖ构ぷ?。該裝置在設(shè)計中通過加強采樣、通信和電源3部分系統(tǒng)的抗干擾特性，保證系統(tǒng)在強干擾條件下能夠正常地工作和運行。

首先采樣部分通過對差分輸入信號線間接入瞬態(tài)抑制二極管和穩(wěn)壓管，保證在有雷擊信號或者高電壓感應(yīng)信號輸入時，將瞬態(tài)抑制二極管瞬間導(dǎo)通，將能量通過二極管釋放掉，從而阻止其進入后續(xù)電路中。

電源電路部分要求的抗干擾能力需要達到4級要求，屬于目前電磁干擾防護的最高要求，在電路設(shè)計中主要通過在電源的入口處添加壓敏電阻來對高壓放電進行瀉放，同時通過高性能的濾波電路，將較大的脈沖限制在電源電路外側(cè)，從而保護電源，具體的電路設(shè)計見圖5。

圖5 電源抗干擾電路Fig.5 Power supply anti-interference circuit

通信電路部分主要通過485總線將控制信息和監(jiān)測信息進行傳輸，485總線的抗干擾防護包括差模干擾的防護和共模干擾的防護兩個方面。在485總線差分信號線的前段接入高能放電管，將差分信號線上的電流導(dǎo)入大地，消除能量較大的干擾，后端通過瞬態(tài)抑制二極管，將低能高頻干擾通過差分防護導(dǎo)回到裝置外側(cè)或者通過共模防護瀉放到地電路中，通信電路設(shè)計見圖6。

圖6 通信抗干擾電路Fig.6 Communication anti-interference circuit

4 性能測試及誤差分析

裝置精度標(biāo)定測試方法如下：采用美國力科1104標(biāo)準(zhǔn)源給出標(biāo)準(zhǔn)信號，使用MATLAB軟件對采樣結(jié)果進行計算，與裝置實測數(shù)據(jù)進行對比并計算誤差。如標(biāo)準(zhǔn)源輸出總電流0.48 mA，3次諧波電流0.01 mA，，裝置每個周波采集128點，經(jīng)過全波形數(shù)據(jù)輸出后經(jīng)Matlab計算得Xa=0.471143 mA，Xa3=0.010853 mA，d=0.023035（d為3次諧波占基波的比例），見圖7。裝置顯示的測量結(jié)果為總電流0.47 mA，阻性電流0.01 mA。

圖7 采集電流數(shù)據(jù)波形Fig.7 Waveform of current measure data

按照裝置的測量范圍進行精度實驗，裝置對避雷器泄漏電流和阻性電流的測量誤差均≤1%，完全滿足Q/GDW 537—2010規(guī)范要求的測量精度。

5 結(jié)論

1）提出利用互感器采樣方式測量特高壓避雷器的泄漏電流、阻性電流和動作次數(shù)，完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，實現(xiàn)無殘壓方式測量，保證避雷器本體安全運行。

2）基于諧波分析法計算避雷器的阻性電流，通過實時測量結(jié)果與出廠阻性電流值進行對比分析，獲得避雷器老化曲線，用于有效判斷避雷器的運行狀態(tài)。

3）研制的適用于特高壓等級交流避雷器狀態(tài)在線監(jiān)測裝置，測量精度完全滿足要求，并具有符合站內(nèi)I0接口規(guī)范的通信功能，能夠遠程傳輸測量數(shù)據(jù)及報警信號，為運維人員提供準(zhǔn)確的運行數(shù)據(jù)。