基于粒子群優(yōu)化算法的金屬氧化物避雷器 阻性電流計算方法研究

李 濤 方文田

（廣東電網有限責任公司揭陽供電局，廣東 揭陽 522000）

0 引言

金屬氧化物避雷器（metal oxide arrester, MOA）是一種重要的過電壓保護設備，具有良好的非線性特性，在電力生產場所得到了廣泛應用[1-4]。運行中的MOA內部氧化鋅閥片長期受到過電壓沖擊及復雜環(huán)境的考驗，會逐漸出現(xiàn)老化、受潮及非線性特性變差的情況，若不及時處理，將導致MOA發(fā)熱甚至爆炸。無論是上述何種原因導致MOA劣化，其呈現(xiàn)出來的特征都是在正常運行電壓下阻性電流異常增大[5-9]。根據(jù)南方電網電力設備預防性試驗規(guī)程（Q/CSG 114002—2011）的建議，每年雨季之前需對避雷器進行帶電測試，根據(jù)阻性電流大小判斷避雷器健康程度[10-11]。

由于MOA泄漏電流全電流中包含容性電流分量與阻性電流分量，且阻性分量只占全電流的10%～20%，因此如何準確提取阻性電流是避雷器帶電測試算法的關鍵[12]。目前應用于氧化鋅避雷器帶電測試阻性電流提取的技術主要有三次諧波法及容性電流補償法。

文獻[13-14]提出阻性電流基波與三次諧波存在數(shù)量關系，通過測量三次諧波，進而求得阻性電流的方法。然而，日益嚴重的電網諧波污染對該方法的精度造成較大影響[15]。容性電流補償法又稱二次法，該方法利用電壓互感器（potential transformer, PT）二次電壓信號對泄漏電流全電流中的容性分量做補償，進而得到阻性分量。該方法安全、可靠，現(xiàn)有避雷器帶電測試儀器大多基于該技術研制。但現(xiàn)場測試時，該方法易受到相間耦合電流的干擾，導致測量結果失真[16-20]。

鑒于以上避雷器帶電測試方法的不足，本文提出一種基于粒子群優(yōu)化（particle swarm optimization, PSO）算法的避雷器阻性電流計算方法，該算法能有效消除相間干擾的影響，實現(xiàn)對MOA阻性電流的準確計算。該方法為電力設備運維人員準確把控MOA健康程度提供了一種新的思路。

1 容性電流補償法原理與相間干擾問題

1.1 容性電流補償法原理

正常運行時，金屬氧化物避雷器可以等效為一個非線性電阻與電容的并聯(lián)模型[21]，如圖1所示。

圖1 金屬氧化物避雷器等效模型

式中，φ為一次電壓與泄漏電流全電流的相位差。

因此只要獲取相位差φ及泄漏電流全電流Ix的數(shù)值，即可計算得到阻性電流Ir。泄漏電流全電流Ix可以在避雷器引下線處測得，而相位差φ則可以通過同步獲取一次電壓與全電流的波形，采用過零檢測法得到兩段波形的相位差φ。此方法原理簡單、可靠，因此獲得廣泛應用。

1.2 相間干擾分析

所謂相間干擾是指鄰相避雷器間產生的容性耦合。在不考慮其他間隔影響的情況下，避雷器相間干擾的等效電路如圖2所示。圖2中，Ca、Cb、Cc為避雷器閥片等效電容，Ra、Rb、Rc為避雷器閥片等效電阻，Cab、Cba、Cbc、Ccb為避雷器相間耦合電容。

圖2 避雷器相間干擾等效電路

變電站里的避雷器往往呈一字排列，各相避雷器泄漏電流除了包括流過避雷器本體的電流外，還包括流過相間耦合電容的鄰相干擾電流。相間干擾相量圖如圖3所示。以B相為例，總泄漏電流，其中為流過避雷器本體的電流，為流過避雷器閥片等效電容的電流，為A相通過空氣耦合電容Cab流向B相的電流，為C相通過空氣耦合電容Ccb流向B相的電流。當Cab=Ccb=Cba=Cbc時，如圖3（a）所示，與的合成相量方向與B相容性電流b′方向相反，造成B相泄漏電流全電流的幅值與相位均減小。但相量與B相阻性電流相垂直，因此，A、C相避雷器對B相干擾平衡時，對B相避雷器阻性電流不造成影響。當Cab=Cba＞Cbc=Ccb，也就是A相干擾較強時，如圖 3（b）所示，與的合成相量方向按順時針偏移，在B相阻性電流Br的方向上產生一個相反方向的分量Br′，抵消了B相阻性電流，嚴重時會出現(xiàn)B相阻性電流出現(xiàn)負值的情況。

圖3 相間干擾相量圖

同理可得，A相避雷器與C相避雷器距離較遠，與B相避雷器距離較近，因此A相避雷器阻性電流將偏大，容性電流將偏小。而C相阻性電流與容性電流均偏小。由于相間干擾的存在，造成避雷器帶電測試結果失真，不能正確反映設備狀態(tài)。

2 基于PSO的避雷器阻性電流計算方法

2.1 PSO算法原理

粒子群優(yōu)化算法源于對鳥類群體覓食行為的研究。算法模擬鳥群根據(jù)個體分享的位置信息，及時調整鳥群的運動策略，從而使整個鳥群的覓食效率最大化的過程[22-26]。應用在實際問題時，用粒子來表示鳥類個體，粒子的位置表示算法的可能解，粒子移動的過程表示算法的優(yōu)化過程，粒子的移動速度則根據(jù)歷史位置動態(tài)調整。每個粒子首先具有一個初始的位置與移動速度，根據(jù)每次迭代中出現(xiàn)的全優(yōu)位置不斷地調整每個粒子的移動速度與位置，最終使粒子聚集在全局最優(yōu)解的位置。粒子群算法流程可以概括為：初始化粒子群、計算粒子適應度得到全局最優(yōu)、調整粒子速度與位置。PSO算法流程如圖4所示。

圖4 PSO算法流程

2.2 PSO在避雷器阻性電流測試中的應用

氧化鋅避雷器可等效為一個非線性電阻與電容的并聯(lián)模型。目前計算氧化鋅避雷器的泄漏電流全電流一般為

式中：C為避雷器等效電容；u為避雷器兩端電壓；k為表征避雷器非線性特性的系數(shù)[27]?？紤]到相間干擾電流的存在，如圖2所示，避雷器三相泄漏電流全電流可表示為

其中，ua、ub、uc可由變電站母線PT二次端子測得，Cba=Cab、Cbc=Ccb。應用數(shù)字信號處理技術，得到目標函數(shù)為

式中：imxa、imxb、imxc可由電流互感器實測獲得；N為采樣序列長度；n為采樣序列中第n時刻。

將式（4）作為PSO算法目標函數(shù)，把Ca、Cb、Cc、ka、kb、kc、Cab、Ccb作為待求量，按照圖4的算法流程進行求解。為了減少計算量，首先應根據(jù)待求量定義算法搜索空間。氧化鋅閥片自電容一般取值在25～45pF之間，相間耦合電容取值在0.1～0.5pF之間[28]。運用PSO算法求解得到ka、kb、kc，根據(jù)式（2）即可計算得到阻性電流。該算法只需采集變電站母線電壓與避雷器泄漏電流，適合應用于避雷器帶電測試。

3 應用實例

采用基于PSO的避雷器阻性電流計算方法對220kV某戶外敞開式變電站避雷器進行測試計算。測量對象包括220kV母線避雷器、220kV線路避雷器、110kV母線避雷器及110kV線路避雷器。同時采用濟南泛華公司的AI6106避雷器帶電測試儀對避雷器進行比較測量，現(xiàn)場測試結果見表1。

表1 現(xiàn)場測試結果

分析測試結果可知，由于相間干擾的存在，AI6106避雷器帶電測試儀器未補償?shù)臄?shù)據(jù)普遍存在A相偏大，B、C相偏小的特點，與前面的相間干擾分析結果一致。220kV的相間干擾程度較大，其中220kV線路避雷器B相阻性電流甚至出現(xiàn)負值。相間干擾電流的存在導致避雷器帶電測試結果嚴重失真，難以作為判斷避雷器健康狀態(tài)的有效依據(jù)。AI6106雖帶有相間干擾補償功能，但前提是A、C相對B相的干擾平衡，該功能無法消除不平衡的相間干擾。對基于PSO算法的避雷器阻性電流測試結果進行橫向比較，結果顯示所測避雷器阻性電流較為平均，能有效克服相間干擾的影響。選取所測避雷器近期的停電試驗數(shù)據(jù)，對所測避雷器健康狀態(tài)進一步進行分析。金屬氧化物直流1mA電壓U1mA試驗及0.75U1mA下的泄漏電流試驗是考察避雷器健康狀態(tài)的重要依據(jù)。表1所測金屬氧化物避雷器停電試驗結果見表2。

表2 停電測試結果

從停電試驗數(shù)據(jù)看，所測間隔的A、B、C三相避雷器試驗數(shù)據(jù)較為均衡，說明三相避雷器的絕緣性能及非線性特性相差不大。停電測試數(shù)據(jù)均在試驗規(guī)程所要求的范圍內，避雷器絕緣性能良好，與基于PSO的阻性電流計算方法所反映的結果一致。

綜上所述，基于PSO的避雷器阻性電流計算方法能有效消除相間干擾的影響，其測試結果能較準確地反映氧化鋅避雷器的健康狀態(tài)。

4 結論

戶外敞開式變電站金屬氧化物避雷器在進行帶電測試時，不可避免會受到相間干擾的影響，導致傳統(tǒng)測試方法數(shù)據(jù)失真，難以作為判斷避雷器健康程度的有效依據(jù)。本文分析了避雷器帶電測試中相間干擾的產生原因并提出了一種消除相間干擾的避雷器阻性電流計算方法。

通過對某220kV戶外敞開式變電站避雷器進行測試，證明了基于PSO的避雷器阻性電流計算方法能有效消除相間干擾的影響，提高了電力設備運維人員對設備健康狀態(tài)的把控能力。