氧化鋅避雷器泄露電流的測量原理及實現(xiàn)方法的研究

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(簡稱MOA)，在電力系統(tǒng)中的運用主要有配電系統(tǒng)的過電壓保護；敞開式和GIS變電站的過電壓防護；并聯(lián)和串聯(lián)補償電容器的保護；發(fā)電機的過電壓保護；限制電動機投切產(chǎn)生的操作過電壓；限制中性點未直接接地的變壓器中性點的過電壓；線路載波通訊用阻波器的保護；輸電線路防雷；深度控制輸電線路操作過電壓水平；直流輸電系統(tǒng)換流站的過電壓保護；大型發(fā)電機轉(zhuǎn)子回路滅磁過程中的過電壓保護和能量吸收；超高壓直流斷路器開斷時系統(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)。所以實際應(yīng)用中氧化鋅避雷器與被保護設(shè)備并聯(lián)，當被保護線路上出現(xiàn)雷擊或者誤操作過電壓時，氧化鋅避雷器能夠很快將過電壓能量釋放，使線路及設(shè)備免受過電壓危害。MOA動作反應(yīng)快,殘壓低,通流容量大,無續(xù)流,無串聯(lián)間隙，體積小,結(jié)構(gòu)簡單, 成本低, 可靠性高,耐污穢能力強, 維護簡便等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中,成為重要的過電壓保護設(shè)備。

氧化鋅避雷器設(shè)備造價低，并且能滿足電力系統(tǒng)安全運行的需要，但由于經(jīng)驗不足, 選用欠妥,結(jié)構(gòu)不良密封不嚴問題，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, 嚴重時將導(dǎo)致氧化鋅避雷器損壞或爆炸, 同時其他電氣設(shè)備將失去過電壓保護, 直接影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。特別是當氧化鋅避雷器使用時間長久后,爆炸情況更易發(fā)生[1]。泄漏電流的大小是評價氧化鋅避雷器運行質(zhì)量狀況的好壞的一個重要參數(shù)。因此,對氧化鋅避雷器的泄露電流進行在線監(jiān)測，確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行就顯得尤為重要。

1 多元補償法測氧化鋅避雷器泄露電流的原理

氧化鋅避雷器監(jiān)測數(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電流傳感器和電壓傳感器測量得到，傳感器測量信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后通過同軸電纜傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理模塊。

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

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)場測量的干擾等因素, 使準確地監(jiān)測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而引發(fā)了燥帶放電, 此時泄漏電流中的3次和5次諧波分量顯著增加。因此, 泄漏電流的各個頻率組分與絕緣子表面動態(tài)特征存在著一定的聯(lián)系, 而且能夠反映各種因素對絕緣子的影響[2]。

目前比較準確的在線監(jiān)測金屬氧化物避雷器的方法是多元補償法。分別對容性電流各次諧波分量進行補償, 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償信號波形,而是利用電壓互感器交流電壓過零產(chǎn)生一個中斷信號,啟動A/D U對泄漏電流進行采樣, 并記下電壓電流的相位差,由計算機分別自動生成與容性電流各次諧波分量同相位的補償信號, 即U1、U2、U3、..., 設(shè)第k次諧波的補償信號為：

Gk為多元諧波補償系數(shù), 即將泄漏電流IX與補償信號Uksf作差分運算后再乘以補償信號Uksf并進行一周期積分，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)測得電壓信號或者從給氧化鋅避雷器加試驗電壓的變壓器測得電壓信號，該電壓信號都不能直接供計算機使用，還需要小電壓互感器進行轉(zhuǎn)換。計算機對電壓信號的采集的目的：一是檢測其有效值及各次諧波(主要是基波和三次諧波幅值)；二是測量電壓的頻率。

實現(xiàn)多元補償?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輸入中央處理器; 將取自電壓互感器二次側(cè)的電壓信號, 經(jīng)衰減、濾波、移相和過零脈沖處理,為CPU提供中斷信號。計算機根據(jù)來自電壓互感器的中斷信號,判斷作用在MOA上的系統(tǒng)電壓過零時刻,由此產(chǎn)生啟動A/ D 轉(zhuǎn)換命令,對避雷器總泄漏電流IX進行數(shù)字采樣, 并自動生成基波和各高次諧波的補償電壓信號Usf,依次求出各次諧波的多元補償系數(shù)Gk,再把總泄漏電流與求得的各次補償電流進行差分運算, 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量需要同步的測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和總泄漏電流信號，對采集到的信號進行各次諧波分析，從而判斷氧化鋅避雷器的運行狀況。在線測量可以分為有線測量和無線測量兩種。有線測量需要從高壓電網(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)引出的電壓對操作人員來說都是高電壓(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)，存在相當大的安全隱患。無線測量則能夠降低操作人員的危險系數(shù)，但是需要試驗無線傳輸系統(tǒng)在高壓線周圍是否會受到干擾，并且需要對泄漏電流與電壓進行同步采集。

選擇的互感器型號為 SPT204A，是一款匝數(shù)比為 1:1的毫安級精密電流型電壓互感器，輸入額定電流為 2 mA，最大可達到 10 mA，輸出額定電流為 2 mA，線性范圍是0～10 mA，精度為 1%。使用時需要在互感器的一次側(cè)串聯(lián)電阻將電壓信號轉(zhuǎn)換為允許范圍內(nèi)的電流信號，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)的電壓信號一路送給儀表放大器AD620 進行零點及幅值調(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量。電壓互感器 SPT204A 二次側(cè)信號另一路則是送給比較器 LM393，將正弦電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率相同的方波信號，再送到控制器的輸入捕捉引腳進行頻率測量。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 進行零點及幅值調(diào)整，最后由控制器的AN1引腳采集并進行 A/D 轉(zhuǎn)換。

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

2 測量時出現(xiàn)的問題

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

測量氧化鋅避雷器直流泄漏電流時，應(yīng)先用絕緣電阻表搖測本體對地及基座對地絕緣情況。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，當兩只電流表的指示數(shù)值不同時，應(yīng)以外部串聯(lián)的電流表讀數(shù)為準，泄漏電流測量法可以連續(xù)對絕緣子進行檢測, 能夠及時、準確地反映各種動態(tài)參數(shù)對避雷器、絕緣子等電氣設(shè)備運行狀態(tài)的影響, 因此逐漸成為當前的研究重點。

避雷器泄露電流在線監(jiān)測系統(tǒng)一般安裝在避雷器所在桿塔上, 通過太陽能的方式供電, 電流傳感器測量得到的泄露電流通過信號保護單元進入采集器, 采集器采集結(jié)果通過無線方式發(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\行中的避雷器、絕緣子等進行全天候的泄漏電流在線監(jiān)測。

3 結(jié)束語

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

傳統(tǒng)的泄漏電流幅值檢測法都是在工頻電源下開展的研究, 測量結(jié)果易受到外界因素的干擾, 所需的設(shè)備和條件相對復(fù)雜。部分學(xué)者提出了采用高頻高壓電源對絕緣子進行檢測試驗, 建立了高頻泄漏電流幅值與絕緣子表面狀態(tài)的關(guān)系, 降低了試驗對絕緣子表面狀態(tài)的破壞, 同時提高了檢測的準確性和抗干擾性[6]。但是, 由于影響泄漏電流的因素很多, 對于在不同環(huán)境下運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)致該檢測法存在一定的局限性,需要繼續(xù)進行大量試驗研究, 確定統(tǒng)一的報警閾值。

在直流泄漏電流測量中，電力設(shè)備絕緣材料( 電介質(zhì)) 溫度的高低及其變化，對于測量結(jié)果將產(chǎn)生很大影響。因為電介質(zhì)電導(dǎo)與溫度之間存在著密切的關(guān)系，溫度越高，離子的熱運動越劇烈，就越容易改變原先受束縛的狀態(tài)，因而在電場作用下做定向移動的離子數(shù)量及其移動的速度都將增加，即電導(dǎo)隨溫度升高而增大。溫度對泄漏電流測量結(jié)果的影響是極為顯著的，因此，對所測得的電流值，均需換算到相同溫度，才能進行分析比較。由于避雷器內(nèi)部元件的參數(shù)與溫度有關(guān)，為更準確的反映避雷器運行狀態(tài)，由溫度傳感器監(jiān)測避雷器表面溫度同樣非常重要，溫度是避雷器運行狀態(tài)的總體反應(yīng)。當電壓、電流和溫度信息采集完成后再進行數(shù)據(jù)處理。在這個信息融合過程中，信息之間是如何與避雷器狀態(tài)對應(yīng)的，還需要經(jīng)驗的積累和試驗的驗證。

[1] 劉磊,李強.無間隙氧化鋅避雷器在工頻電壓下易損壞的原因分析[J].機電信息,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)測與仿真[J].青海大學(xué)學(xué)報: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.改進氧化鋅避雷器試驗方法的探討[J]. 山西師范大學(xué)學(xué)報: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[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.