CN102901856A - 基于相位搜索的电缆线路避雷器阻性电流检测方法 - Google Patents

基于相位搜索的电缆线路避雷器阻性电流检测方法 Download PDF

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CN102901856A CN201210343630XA CN201210343630A CN102901856A CN 102901856 A CN102901856 A CN 102901856A CN 201210343630X A CN201210343630X A CN 201210343630XA CN 201210343630 A CN201210343630 A CN 201210343630A CN 102901856 A CN102901856 A CN 102901856A
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李国庆
王振浩
辛业春
王冠男
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State Grid Corp of China SGCC
Northeast Electric Power University
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Abstract

本发明涉及一种基于相位搜索的电缆线路避雷器阻性电流检测方法，其特征在于：先根据实测的全电流信号模拟一标准正弦信号，暂时定为该模拟信号就是从总泄漏电流分离出来的容性电流，便可以确定模拟参考信号与阻性电流的相位关系，然后多次使用不同的相移量不断进行校正，直到相位满足90°相角判据；其是针对获取电压参考信号的常规避雷器阻性电流监测方法不适用于电缆线路，电压信号不易获取的场合，来实现阻性电流检测的新方法；工程中只需要采集避雷器总泄漏电流，采用实测的全电流信息，根据其幅值和周期参数，模拟一个参考信号，反复进行相移以实现相位修正，找到容性分量与阻性分量的相位，实现电缆线路避雷器阻性电流的检测。

Description

基于相位搜索的电缆线路避雷器阻性电流检测方法
技术领域
本发明涉及一种基于相位搜索的电缆线路避雷器阻性电流检测方法，属于电力***输变电设备在线监测技术领域。
背景技术
电缆线路避雷器是电力***的重要设备之一,其正常运行对电力***的安全供电尤为重要。近年来，氧化锌避雷器（Metal Oxide SurgeArrester，MOA）以其优异的技术性能逐步取代了其它类型的避雷器，成为电力***的换代保护设备。对氧化锌避雷器，保护性能的改善，可显著降低被保护设备的绝缘水平, 因而也降低成本, 大大提高运行的可靠性。运行中的MOA避雷器直接承受长期工频电压、冲击电压和内部受潮等因素的作用，引起了MOA阀片老化、MOA避雷器阻性泄漏电流增加和功耗加剧，导致避雷器内部阀片温度升高，形成热崩溃，严重时造成避雷器损坏或***，引发大面积停电事故。因此，在线监测MOA的运行状态非常重要。
在线监测电缆氧化锌避雷器的运行状态，最基本的特征量是总泄漏电流，又称全电流。总泄漏电流可以分为阻性泄漏电流和容性泄漏电流两部分，而阻性泄漏电流是引起MOA阀片劣化的主要原因。所以，MOA泄漏电流的阻性分量是有效判断其运行状况良好的安全指标。氧化锌阀片具有相当大的电容量, 在运行电压下经过阀片的电流主要为电容电流，为几百微安以上，而阻性电流一般只有数十微安。怎样从容性电流为主的全电流中分离出微弱的阻性电流成为电缆线路避雷器监测的技术难点。
传统的电气设备MOA的阻性电流在线监测方法通常需要从PT或CVT引入电压参考信号，利用电压电流的相位差，分离出阻性电流。对于敷设在野外的电缆线路，电网电压的相位参数不能得到，传统的检测方法无法实现。此外，由于存在电网电压谐波、MOA非线性特性固有的滞回现象和相间干扰问题等，直接影响用这些方法得到的测量结果的精度，如何在没有电压参考信号的情况下监测其阻性电流，成为电缆线路避雷器在线监测技术的关键。
国内外在氧化锌避雷器在线监测中的信号调理和转换等方面已经做了大量的研究和试验，有力地推动了这一领域的发展。根据目前的现场应用结果来看，虽然监测装置种类很多，原理也不尽相同，但是仍然存在不少问题，主要表现为绝缘监测***运行不可靠，监测数据不准确，***故障率高等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于相位搜索的电缆线路避雷器阻性电流检测方法，是针对获取电压参考信号的常规避雷器阻性电流监测方法不适用于电缆线路，电压信号不易获取的场合，来实现阻性电流检测的新方法；工程中只需要采集避雷器总泄漏电流，采用实测的全电流信息，根据其幅值和周期参数，模拟一个参考信号，反复进行相移以实现相位修正，找到容性分量与阻性分量的相位，实现电缆线路避雷器阻性电流的检测。
本发明的技术方案是这样实现的：一种基于相位搜索的电缆线路避雷器阻性电流检测方法，其特征在于：先根据实测的全电流信号模拟一标准正弦信号，暂时定为该模拟信号就是从总泄漏电流分离出来的容性电流，便可以确定模拟参考信号与阻性电流的相位关系，然后多次使用不同的相移量不断进行校正，直到相位满足90°相角判据；具体步骤如下：
(1)由交流数据采集***，对全电流
Figure 896973DEST_PATH_IMAGE001
的一个周波采样
Figure 11822DEST_PATH_IMAGE002
个点，得到全电流离散序列
Figure 139046DEST_PATH_IMAGE003
，同时计算出全电流周期
Figure 577429DEST_PATH_IMAGE005
。见图2波形1所示；
(2)根据全电流离散序列
Figure 445153DEST_PATH_IMAGE003
Figure 110490DEST_PATH_IMAGE004
，在全电流过零后75°～85°区间内找出最大值，考虑电容和电阻不是一个理想的90°角，并将该区间的最大值设为容性泄漏电流的峰值；
(3)结合容性泄漏电流峰值
Figure 839860DEST_PATH_IMAGE006
与全电流周期
Figure 991618DEST_PATH_IMAGE005
，构造标准正弦信号定义为容性泄漏电流
Figure 460645DEST_PATH_IMAGE007
，见图2波形2所示，离散化得到
Figure 584721DEST_PATH_IMAGE008
Figure 215423DEST_PATH_IMAGE004
，其中
Figure 57739DEST_PATH_IMAGE009
初值为
Figure 64878DEST_PATH_IMAGE010
，设定步长l，开始搜寻过程。见图2波形4所示，波形4向左方向按设定步长移动；
(4)将全电流序列减去容性泄漏电流序列，得到阻性泄漏电流序列
Figure 31742DEST_PATH_IMAGE011
Figure 833345DEST_PATH_IMAGE004
，利用傅里叶算法，计算阻性电流
Figure 897378DEST_PATH_IMAGE012
的基波初相位
Figure 708208DEST_PATH_IMAGE013
；
(5)计算容性电流与阻性电流之间的相位差，判断其是否满足相角判据
Figure 779380DEST_PATH_IMAGE015
（
Figure 330710DEST_PATH_IMAGE016
可根据实际情况给出的角度）；如果不满足条件，修正相位
Figure 679651DEST_PATH_IMAGE009
，得到新的相角
Figure 944411DEST_PATH_IMAGE017
；
(6)重复进行上述步骤(3)至(5)，相位差
Figure 854860DEST_PATH_IMAGE018
在移相过程中逐渐逼近90°，从而分离出阻性泄漏电流的期望值。见图2波形3所示。
所述步骤(3)中的步长l分为粗调步长
Figure 126441DEST_PATH_IMAGE019
，细调步长
Figure 780539DEST_PATH_IMAGE020
，提高了搜寻速度与精度。
所述步骤(4)中的计算阻性电流基波初相位是基于离散傅里叶算法，利用正交函数特性可消除直流分量和各次谐波，得到阻性基波电流的实部
Figure 86755DEST_PATH_IMAGE021
、虚部
Figure 168106DEST_PATH_IMAGE022
，即
Figure 880978DEST_PATH_IMAGE023
，由此求出其有效值
Figure 571723DEST_PATH_IMAGE024
、初相位，即
Figure 996416DEST_PATH_IMAGE025
；上述计算过程见检测方法流程图1，相量表示的检测计算过程如图3所示。
所述步骤(5)中的相角判据是根据理论分析阻性电流与容性电流的相角差是90°。实际上，在小电流区MOA泄漏电流的阻性分量与容性分量的相角差小于90°。对不同类型的MOA新阀片和劣化的阀片进行试验研究，发现各种MOA的相角差大多分布在77°～87° ,而且这个相角差在避雷器的使用期间几乎不变,即使已经发生劣化也不例外。这样，可用容性电流补偿法预先确定某种特定避雷器的相角判据，就能很方便地对这种避雷器进行在线监测或诊断。容性电流补偿法将***电压
Figure 55639DEST_PATH_IMAGE026
移相90°得到
Figure 51539DEST_PATH_IMAGE027
，并反相将全电流
Figure 332348DEST_PATH_IMAGE001
中的容性电流
Figure 755501DEST_PATH_IMAGE028
补偿掉，利用式
Figure 488971DEST_PATH_IMAGE029
可以求得补偿系数G，然后阻性电流
Figure 22983DEST_PATH_IMAGE030
由式
Figure 158298DEST_PATH_IMAGE031
求出；
 
Figure 752352DEST_PATH_IMAGE032
        
Figure 661534DEST_PATH_IMAGE029
Figure 61553DEST_PATH_IMAGE033
            
Figure 379271DEST_PATH_IMAGE031
。
发明的积极效果是先根据实测的全电流信号模拟一标准正弦信号，暂时定为该模拟信号就是从总泄漏电流分离出来的容性电流，便可以确定模拟参考信号与阻性电流的相位关系，然后多次使用不同的相移量不断进行校正，直到相位满足90°相角判据；其不需要引入任何电压参考信号，就能精确推算出阻性电流，同时不受电压谐波的干扰，增强了实用性，能够满足电缆线路避雷器阻性电流在线监测的需要。
附图说明
图1是本发明的流程图。
图2 是本发明相位搜索波形图。
图3 是本发明相位搜索相量形图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：
实施例1
 (1)由交流数据采集***，对全电流
Figure 144227DEST_PATH_IMAGE001
的一个周波采样
Figure 586710DEST_PATH_IMAGE002
个点，得到全电流离散序列
Figure 716384DEST_PATH_IMAGE003
Figure 826292DEST_PATH_IMAGE004
，同时计算出全电流周期。见图2波形1所示；
(2)根据全电流离散序列
Figure 504977DEST_PATH_IMAGE003
，在全电流过零后75°～85°区间内找出最大值，考虑电容和电阻不是一个理想的90°角，并将该区间的最大值设为容性泄漏电流的峰值；
(3)结合容性泄漏电流峰值
Figure 816507DEST_PATH_IMAGE006
与全电流周期
Figure 626DEST_PATH_IMAGE005
，构造标准正弦信号定义为容性泄漏电流
Figure 716778DEST_PATH_IMAGE007
，见图2波形2所示，离散化得到
Figure 302742DEST_PATH_IMAGE008
，其中
Figure 422456DEST_PATH_IMAGE009
初值为，设定步长l，开始搜寻过程。见图2波形4所示，波形4向左方向按设定步长移动。
(4)将全电流序列减去容性泄漏电流序列，得到阻性泄漏电流序列 ，利用傅里叶算法，计算阻性电流
Figure 47766DEST_PATH_IMAGE012
的基波初相位；   
(5)计算容性电流与阻性电流之间的相位差
Figure 790911DEST_PATH_IMAGE014
，判断其是否满足相角判据（
Figure 227020DEST_PATH_IMAGE016
可根据实际情况给出的角度）；如果不满足条件，修正相位
Figure 855710DEST_PATH_IMAGE009
，得到新的相角
Figure 129827DEST_PATH_IMAGE017
；
(6)重复进行上述步骤(3)至(5)，相位差
Figure 418726DEST_PATH_IMAGE018
在移相过程中逐渐逼近90°，从而分离出阻性泄漏电流的期望值。见图2波形3所示。
所述步骤(3)中的步长l分为粗调步长
Figure 286450DEST_PATH_IMAGE019
，细调步长
Figure 640203DEST_PATH_IMAGE020
，提高了搜寻速度与精度。
所述步骤(4)中的计算阻性电流基波初相位是基于离散傅里叶算法，利用正交函数特性可消除直流分量和各次谐波，得到阻性基波电流的实部
Figure 955777DEST_PATH_IMAGE021
、虚部
Figure 681157DEST_PATH_IMAGE022
，即
Figure 770598DEST_PATH_IMAGE023
，由此求出其有效值
Figure 239625DEST_PATH_IMAGE024
、初相位
Figure 86403DEST_PATH_IMAGE009
，即
Figure 982684DEST_PATH_IMAGE025
。
所述步骤(5)中的相角判据是根据理论分析阻性电流与容性电流的相角差是90°。实际上，在小电流区MOA泄漏电流的阻性分量与容性分量的相角差小于90°。对不同类型的MOA新阀片和劣化的阀片进行试验研究，发现各种MOA的相角差大多分布在77°～87° ,而且这个相角差在避雷器的使用期间几乎不变,即使已经发生劣化也不例外。这样，可用容性电流补偿法预先确定某种特定避雷器的相角判据，就能很方便地对这种避雷器进行在线监测或诊断。容性电流补偿法将***电压
Figure 372470DEST_PATH_IMAGE026
移相90°得到
Figure 379610DEST_PATH_IMAGE027
，并反相将全电流
Figure 295875DEST_PATH_IMAGE001
中的容性电流
Figure 363057DEST_PATH_IMAGE028
补偿掉，利用式
Figure 427090DEST_PATH_IMAGE029
可以求得补偿系数G，然后阻性电流
Figure 237921DEST_PATH_IMAGE030
由式求出。
Figure 309093DEST_PATH_IMAGE032
        
Figure 922739DEST_PATH_IMAGE029
Figure 209364DEST_PATH_IMAGE033
            
Figure 162539DEST_PATH_IMAGE031
上述计算过程见检测方法流程图1，相量表示的检测计算过程如图3所示。
本实施例应用上述算法对处在三个不同时期的某线路氧化锌避雷器的阻性泄漏电流分别进行了检测，即新阀片、劣化较轻、劣化较重三种情况，其中氧化锌避雷器型号为YH5W-96/250，工作电压等级110KV。为了提供相角判据与阻性电流参照数据，应用容性电流补偿法同期地做了补充实验。给出了本实施例中总泄漏电流的原始数据，由上述两种方法得到的实测结果见表1。
表1 某线路YH5W-96/250避雷器三个时期的总泄漏电流原始数据
采样点数N=64；
新阀片的数据(/mA)： 
[1.155,1.179,1.192,1.196,1.191,1.177,1.156,1.126,1.088,1.043,0.989,0.925,0.853,
0.771,0.680,0.579,0.470,0.353,0.229,0.101,
-0.031,-0.163,-0.295,-0.423,-0.545,-0.659,-0.765,-0.860,-0.943,-1.014,-1.073,-1.119,
-1.155,-1.179,-1.192,-1.196,-1.191,-1.178,-1.157,-1.126,-1.087,-1.042,-0.987,-0.926,
-0.853,-0.771,-0.681,-0.580,-0.468,-0.355,-0.231,-0.100,
0.030,0.165,0.292,0.421,0.546,0.660,0.765,0.862,0.941,1.017,1.075,1.121];
劣化较轻的数据(/mA)： 
[1.016,1.076,1.123,1.158,1.181,1.197,1.201,1.198,1.187,1.167,1.139, 1.105, 1.057,
1.005, 0.944,0.874,0.792,0.702,0.605,0.491,0.371,0.249,0.117,
-0.017,-0.152,-0.286,-0.416,-0.542,-0.657,-0.764,-0.860,-0.945,-1.016,-1.076,-1.122,
-1.158,-1.183,-1.197,-1.202,-1.198,-1.185,-1.165,-1.138,-1.102,--1.058,1.006,-.0946,
-0.877,-0.793,-0.703,-0.601,-0.489,-0.373,-0.248,-0.119,
0.016,0.149,0.288,0.415,0.540,0.657,0.766,0.858,0.947] ;
劣化较重的数据(/mA)： 
[-1.238,-1.228,-1.212,-1.189,-1.158,-1.116,-1.065,-0.992,-0.919,-0.825,-0.723,-0.604,
-0.475,-0.336, -0.189,-0.041,
0.111,0.263,0.404,0.542,0.667,0.783,0.881,0.971,1.043,1.102,1.149,1.187,1.213,
1.229,1.238,1.242,1.239,1.228,1.212,1.189,1.156,1.114,1.061,0.997,0.918,0.826,
0.721,0.605,0.477,0.335,0.191,0.039,
-0.113,-0.259,-0.401,-0.541,-0.665,-0.0.781,-0.882,-0.969,-1.041,-1.105,-1.151,
-1.185,-1.211,-1.227,-1.238,-1.241];
表1  相角判据及基于相位搜索法和补偿法得到的避雷器三个时期的阻性电流
Figure 305944DEST_PATH_IMAGE034

Claims (4)

1.一种基于相位搜索的电缆线路避雷器阻性电流检测方法，其特征在于：先根据实测的全电流信号模拟一标准正弦信号，暂时定为该模拟信号就是从总泄漏电流分离出来的容性电流，便可以确定模拟参考信号与阻性电流的相位关系，然后多次使用不同的相移量不断进行校正，直到相位满足90°相角判据；具体步骤如下：
(1)由交流数据采集***，对全电流的一个周波采样
Figure 62355DEST_PATH_IMAGE002
个点，得到全电流离散序列
Figure 801083DEST_PATH_IMAGE004
，同时计算出全电流周期
Figure 416786DEST_PATH_IMAGE005
；见图2波形1所示；
(2)根据全电流离散序列
Figure 927664DEST_PATH_IMAGE003
Figure 820796DEST_PATH_IMAGE004
，在全电流过零后75°～85°区间内找出最大值，考虑电容和电阻不是一个理想的90°角，并将该区间的最大值设为容性泄漏电流的峰值；
(3)结合容性泄漏电流峰值
Figure 875525DEST_PATH_IMAGE006
与全电流周期
Figure 494988DEST_PATH_IMAGE005
，构造标准正弦信号定义为容性泄漏电流
Figure 373951DEST_PATH_IMAGE007
，见图2波形2所示，离散化得到
Figure 799378DEST_PATH_IMAGE008
Figure 948862DEST_PATH_IMAGE004
，其中初值为
Figure 807283DEST_PATH_IMAGE010
，设定步长l，开始搜寻过程；见图2波形4所示，波形4向左方向按设定步长移动；(4)将全电流序列减去容性泄漏电流序列，得到阻性泄漏电流序列
Figure 708505DEST_PATH_IMAGE011
Figure 40391DEST_PATH_IMAGE004
，利用傅里叶算法，计算阻性电流的基波初相位
Figure 929247DEST_PATH_IMAGE013
；
(5)计算容性电流与阻性电流之间的相位差
Figure 132695DEST_PATH_IMAGE014
，判断其是否满足相角判据
Figure 319088DEST_PATH_IMAGE015
（
Figure 716834DEST_PATH_IMAGE016
可根据实际情况给出的角度）；如果不满足条件，修正相位
Figure 792106DEST_PATH_IMAGE009
，得到新的相角
Figure 300710DEST_PATH_IMAGE017
；
(6)重复进行上述步骤(3)至(5)，相位差
Figure 777828DEST_PATH_IMAGE018
在移相过程中逐渐逼近90°，从而分离出阻性泄漏电流的期望值；见图2波形3所示。
2.根据权利要求1中所述的一种基于相位搜索的电缆线路避雷器阻性电流检测方法其特征在于所述步骤(3)中的步长l分为粗调步长
Figure 471109DEST_PATH_IMAGE019
，细调步长
Figure 535142DEST_PATH_IMAGE020
，提高了搜寻速度与精度。
3.根据权利要求1中所述的一种基于相位搜索的电缆线路避雷器阻性电流检测方法其特征在于所述步骤(4)中的计算阻性电流基波初相位是基于离散傅里叶算法，利用正交函数特性可消除直流分量和各次谐波，得到阻性基波电流的实部
Figure 80393DEST_PATH_IMAGE021
、虚部
Figure 179061DEST_PATH_IMAGE022
，即
Figure 479461DEST_PATH_IMAGE023
，由此求出其有效值
Figure 30790DEST_PATH_IMAGE024
、初相位
Figure 379732DEST_PATH_IMAGE009
，即
Figure 806341DEST_PATH_IMAGE025
；上述计算过程见检测方法流程图1，相量表示的检测计算过程如图3所示。
4.根据权利要求1中所述的一种基于相位搜索的电缆线路避雷器阻性电流检测方法其特征在于所述步骤(5)中的相角判据是根据理论分析阻性电流与容性电流的相角差是90°；实际上，在小电流区MOA泄漏电流的阻性分量与容性分量的相角差小于90°；对不同类型的MOA新阀片和劣化的阀片进行试验研究，发现各种MOA的相角差大多分布在77°～87° ,而且这个相角差在避雷器的使用期间几乎不变,即使已经发生劣化也不例外；这样，可用容性电流补偿法预先确定某种特定避雷器的相角判据，就能很方便地对这种避雷器进行在线监测或诊断；容性电流补偿法将***电压
Figure 215326DEST_PATH_IMAGE026
移相90°得到
Figure 253951DEST_PATH_IMAGE027
，并反相将全电流
Figure 970366DEST_PATH_IMAGE001
中的容性电流
Figure 902681DEST_PATH_IMAGE028
补偿掉，利用式可以求得补偿系数G，然后阻性电流由式
Figure 184386DEST_PATH_IMAGE031
求出
Figure 174470DEST_PATH_IMAGE032
         
Figure 235178DEST_PATH_IMAGE029
             
Figure 929782DEST_PATH_IMAGE031
。
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