CN104459280A - 一种金属氧化物避雷器阻性电流提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种金属氧化物避雷器阻性电流提取方法，该方法更加有效的消除谐波电压对阻性电流的影响，最终减小 i_1r 和 i_3r 误差，从而更加准确反映MOA运行情况，保证了电力电气***的安全运行。该使用容性电流与其电容成比例原理，求解出容性电流，并利用等效电阻R1去除谐波影响，进而更加精确计算阻性电流（ i_r ），再对 i_r 通过FFT算法，计算出 i_1r 和 i_3r ，最终实现对MOA在线监测。

Description

一种金属氧化物避雷器阻性电流提取方法

技术领域：

本发明属于电气设备测试领域，尤其涉及一种金属氧化物避雷器阻性电流提取方法。

背景技术：

金属氧化物避雷器(metal oxide arrester,MOA)具有众多的优良特性，其在市场上已经逐渐取代了传统的SiC避雷器，但同时其缺点和不足也日益暴露，MOA一般为在线工作，受外界因素影响(例如温度，湿度等)会逐渐发生老化、劣化现象，最后彻底丧失保护作用甚至引起电网出现短路事故。而每年将电力电气***中MOA进行断电检查是一项较为繁琐的工作，因此，不利于及时有效的排除故障隐患，这严重阻碍了我国智能电网的发展，有必要对其运行情况进行实时监测和预判。MOA在线工作运行中，总泄漏电流会由于老化和受潮有一定增大，但增加不明显。总泄漏电流中基波阻性电流(i_1r)和3次阻性电流(i_3r)会发生很大变化，因此，对避雷器进行在线监测时选i_1r和i_3r作为主要预判指标比较适宜。但实际电网中存在谐波电压干扰，i_3r随谐波干扰电压的幅值和初相角变化，呈现较大波动，因此，排除i_1r和i_3r中谐波干扰电压产生的i_1r和i_3r成分，就可以较好的对MOA进行在线监测。

目前对容性电流算法研究较多，其中主要有以下两种。专利基于容性电流补偿法测量MOA阻性电流(CN102621371A)将外加电压逆时针移相90°，利用容性电流与阻性电流的正交特性，排除全电流中的容性成分，就可以得到阻性电流。但并没有考虑外加电压中含有谐波成分时，谐波干扰电压所产生的容性电流。一种金属氧化物避雷器阻性电流提取方法(CN101986164A)，将相同的电压分别施加于1F电容和MOA上，其产生的容性电流为电容之比，可求出容性电流，进而计算阻性电流。但该方法并未对i3r的组成进行分析，使用该算法计算i_3r会随着谐波电压的变化而变化，因此会产生一定误差。

发明内容：

为解决上述方法存在的不足，本发明提出一种新的金属氧化物避雷器阻性电流提取方法，该方法更加有效的消除谐波电压对阻性电流的影响，最终减小i_1r和i_3r误差，从而更加准确反映MOA运行情况，保证了电力电气***的安全运行。

本发明的具体技术方案如下：

一种金属氧化物避雷器阻性电流提取方法，该方法包括以下步骤：

本发明方法可以分列为以下三步：

1)通过互感器或电容分压器获取施加于MOA的电压信号u(t)，并将其作用于已知电容C₂上。使用穿心式电流传感器或串入式电流传感器获取MOA泄漏电流i(t)及已知电容C2上产生的容性电流i_C2，根据容性电流和阻性电流正交原理求解MOA晶界电容C₁及通过MOA产生的容性电流值ic₁。

2)将MOA非线性电阻中产生基波阻性电流的部分等效为线性电阻R1，其余部分等效为R2。利用MOA小电流区模型，借助FFT算法，去除谐波电压产生的基波阻性电流成分，从而计算出较为精确的等效电阻R₁值。

3)使用容性电流与其电容成比例原理，求解出容性电流，并利用等效电阻R1去除谐波影响，进而更加精确计算阻性电流(i_r)，再对i_r通过FFT算法，计算出i_1r和i_3r，最终实现对MOA在线监测。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有的有益效果：

本方法去除谐波电压在等效电阻上产生的阻性电流后，计算出的基波阻性电流和三次谐波阻性电流对MOA的老化反应更加精确。使用人员根据对对MOA性能需求，结合计算结果，可以准确确定MOA的更换时间，做到对老化的MOA及时更换。

目前电力***中关于MOA的故障检测通常是每2年拆下避雷器进行预防性试验，由于避雷器众多，因此需要耗费巨大的人力、物力和财力。使用本算法将不再需要对电路中避雷器每2年监测，并可以及时有效的排除MOA故障隐患，提高的工作效率，减少MOA的更换次数，节约了经费。对我国智能电网的防雷击浪涌保护发挥重要作用。

附图说明:

图1是基波电流相位图。

图2是MOA电压电流关系图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明金属氧化物避雷器阻性电流提取方法，可以分列为以下三步：

第一步，

通过互感器或电容分压器获取施加在待测MOA上的电压信号u(t)，将获得的电压信号u(t)施加在已知电容C₂上(注：C₂取值可以为任意值，为测量其产生的容性电流信号方便，其值在10μF左右，如C₂取值10μF)；利用穿心式电流传感器或串入式电流传感器分别获取通过已知电容C₂的容性电流i_C2和通过待测MOA的泄漏电流信号i(t)，根据阻性电流和容性电流正交原理可知存在式(1)关系：

$\begin{array}{c}{\∫}_0^T{i}_{C2}\left(t\right)i\left(t\right)\mathrm{dt}={\∫}_0^T{i}_{C2}\left(t\right)[i_r\left(t\right)+\frac{C1}{C2}{i}_{C2}\left(t\right)]\mathrm{dt}\\ =\frac{C1}{C2}{\∫}_0^T{i_{C2}}^2\left(t\right)\mathrm{dt}\end{array}---\left(1\right)$

因此，通过式(1)可推导出式(2)，将已知电容C2、通过C2的容性电流i_C2以及通过MOA的泄漏电流i(t)，求出MOA真实的晶界电容值C₁，

$C1=\frac{C2{\∫}_0^T{i}_{C2}\left(t\right)i\left(t\right)\mathrm{dt}}{{\∫}_0^T{i_{C2}}^2\left(t\right)\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

由于通过不同电容产生的容性电流之比等于电容之比，因此通过MOA的容性电流i_C1可用式(3)表示如下：

$i_{C1}=\frac{C1}{C2}{i}_{C2}---\left(3\right)$

第二步，

将MOA非线性电阻中产生基波阻性电流部分等效为线性电阻R₁，其余部分等效为非线性电阻R₂；

MOA等效电阻R₁可通过式(4)进行计算：

$R_1=u_1/(i_{r1}-\mathrm{\Σ}\frac{I_{\mathrm{MX}1}}{\sqrt{2}})---\left(4\right)$

式(4)中i_r1为基波阻性电流，I_Mx1为x次谐波在基波处的阻性电流的幅值，u₁为电网电压中基波电压；

基波阻性电流i_r1求解如下：通过可编程阵列实现FFT算法(FFT算法即快速傅立叶算法)，利用FFT算法对待测MOA产生的泄漏电流i(t)进行分解，计算出基波电流i_x1和基波电流相位θ；由于基波电流i_x1、基波电流相位θ和基波阻性电流i_r1存在如图1所示相位关系，图中i_r1为基波阻性电流，i_c1为基波容性电流，i_x1为基波电流。通过式(5)可求解出基波阻性电流i_r1；

i_r1＝i_x1cosθ         (5)

x次谐波在基波处的阻性电流的幅值I_Mx1求解如下：使用FFT算法对施加于MOA两端的电压u(t)进行分解，可计算出电网电压中谐波电压u_x和基波电压u₁；

将谐波电压u_x带入伏安特性见图2所示的MOA阀片模型中，可计算出电网电压中x次谐波电压产生的阻性电流成分，如公式(6)所示：

i_r(x)＝tan(u_x)/k x＝3,5,7…        (6)

式(6)中，k为避雷器自身特性决定常数，其中一般取值在50以内，如k取值为35；u_x为电网电压中谐波电压,i_r(x)为电网电压中x次谐波电压产生的阻性电流；

对i_r(x)进行快速傅立叶运算，其运算见公式(7)和公式(8)：

$i_r\left(x\right)=\frac{a_0}{2}+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}(a_n\cos \mathrm{nx}+b_n\sin \mathrm{nx})---\left(7\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{a}_{\mathrm{xn}}=\frac{1}{\mathrm{\π}}\underset{-\mathrm{\π}}{\overset{\mathrm{\π}}{\text{\∫}}}{i}_r\left(x\right)\cos \mathrm{nxd}\left(x\right)\\ b_{\mathrm{xn}}=\frac{1}{\mathrm{\π}}\underset{-\mathrm{\π}}{\overset{\mathrm{\π}}{\∫}}{i}_r\left(x\right)\sin \mathrm{nxd}\left(x\right)\end{array}\right.---\left(8\right)$

公式(7)和(8)中，n为电网频率的倍数，其取值为奇数，当n＝1时，即为电网频率，其表示基波，当n＝3时，即为3倍于电网频率，称为3次谐波。通过公式(8)可以计算出：x次谐波电压在基波(即n＝1)处的阻性电流幅值I_Mx1，其可表示为公式(9)：

$I_{\mathrm{MX}1}=\sqrt{{a^2}_{x1}+{b^2}_{x1}},x=\mathrm{3,5,7}...---\left(9\right)$

式(9)中，x为谐波电压的次数，可以取值3,5及其以上奇数次；

第三步，

去除谐波电压在等效电阻上产生的阻性电流后的待测MOA阻性电流i_r”表示如下：

i_r″＝i(t)-i_C1-i_r'(10)

式(10)中，i(t)为MOA泄漏电流，i_C1为MOA产生的容性电流；

谐波电压u_x在等效线性电阻R1上产生的阻性电流ir’，可由式(11)求解如下：

${\mathrm{ir}}^{\′}=\underset{x}{\mathrm{\Σ}}{u}_x/R_1,x=\mathrm{3,5,7}...---\left(11\right)$

对求得的阻性电流i_r”进行FFT算法运算后，即可求出更加精确的i_1r和i_3r，从而对MOA实现在线监测。

去除谐波电压在等效电阻上产生的阻性电流后，计算出的基波阻性电流和三次谐波阻性电流对MOA的老化反应更加精确。对楼宇大厦、电力线路中的MOA进行老化监测时，利用电压互感器和电流传感器获取MOA的运行电压和泄漏电流，并传输到终端处理器上，终端处理器利用本算法求解出基波阻性电流和三次谐波阻性电流，实时显示出计算结果，后期可以根据使用人员对MOA性能需求，并结合计算结果，可以准确确定MOA的更换时间，做到对老化的MOA及时更换。

目前，电力***中关于MOA的故障检测通常是没2年拆下避雷器进行预防性试验，由于避雷器众多，因此需要耗费巨大的人力、物力和财力。使用本算法将不再需要对电路中避雷器每2年监测，并可以及时有效的排除MOA故障隐患，提高的工作效率，减少MOA的更换次数，节约了经费。

Claims (3)

1.一种金属氧化物避雷器阻性电流提取方法，该方法包括以下步骤：

第一步，

通过互感器或电容分压器获取施加在待测MOA上的电压信号u(t)，将获得的电压信号u(t)施加在已知电容C₂上；利用穿心式电流传感器或串入式电流传感器分别获取通过已知电容C₂的容性电流i_C2和通过待测MOA的泄漏电流信号i(t)，根据阻性电流和容性电流正交原理可知存在式(1)关系：

$\begin{array}{c}{\∫}_0^T{i}_{C2}\left(t\right)i\left(t\right)\mathrm{dt}={\∫}_0^T{i}_{C2}\left(t\right)[i_r\left(t\right)+\frac{C1}{C2}{i}_{C2}\left(t\right)]\mathrm{dt}\\ =\frac{C1}{C2}{\∫}_0^T{i_{C2}}^2\left(t\right)\mathrm{dt}\end{array}---\left(1\right)$

因此，通过式(1)可推导出式(2)，将已知电容C2、通过C2的容性电流i_C2以及通过MOA的泄漏电流i(t)，求出MOA真实的晶界电容值C₁，

$C1=\frac{C2{\∫}_0^T{i}_{C2}\left(t\right)i\left(t\right)\mathrm{dt}}{{\∫}_0^T{i_{C2}}^2\left(t\right)\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

通过MOA的容性电流i_C1可用式(3)表示如下：

$i_{C1}=\frac{C1}{C2}{i}_{C2}---\left(3\right)$

第二步，

将MOA非线性电阻中产生基波阻性电流部分等效为线性电阻R₁，其余部分等效为非线性电阻R₂；

MOA等效电阻R₁可通过式(4)进行计算：

$R_1=u_1/(i_{r1}-\mathrm{\Σ}\frac{I_{\mathrm{MX}1}}{\sqrt{2}})---\left(4\right)$

式(4)中i_r1为基波阻性电流，I_Mx1为x次谐波在基波处的阻性电流的幅值，u₁为电网电压中基波电压；

基波阻性电流i_r1求解如下：通过可编程阵列实现FFT算法，利用FFT算法对待测MOA产生的泄漏电流i(t)进行分解，计算出基波电流i_x1和基波电流相位θ；由于基波电流i_x1、基波电流相位θ和基波阻性电流i_r1存在如下相位关系，通过式(5)可求解出基波阻性电流i_r1；

i_r1＝i_x1 cosθ                  (5)

x次谐波在基波处的阻性电流的幅值I_Mx1求解如下：使用FFT算法对施加于MOA两端的电压u(t)进行分解，可计算出电网电压中谐波电压u_x和基波电压u₁；

将谐波电压u_x带入伏安特性的MOA阀片模型中，可计算出电网电压中x次谐波电压产生的阻性电流成分，如公式(6)所示：

i_r(x)＝tan(u_x)/k x＝3,5,7…              (6)

式(6)中，k为避雷器自身特性决定常数；u_x为电网电压中谐波电压,i_r(x)为电网电压中x次谐波电压产生的阻性电流；

对i_r(x)进行快速傅立叶运算，其运算见公式(7)和公式(8)：

$i_r\left(x\right)=\frac{a_0}{2}+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}(a_n\cos \mathrm{nx}+b_n\sin \mathrm{nx})---\left(7\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{a}_{\mathrm{xn}}=\frac{1}{\mathrm{\π}}\underset{-\mathrm{\π}}{\overset{\mathrm{\π}}{\∫}}{i}_r\left(x\right)\cos \mathrm{nxd}\left(x\right)\\ b_{\mathrm{xn}}=\frac{1}{\mathrm{\π}}\underset{-\mathrm{\π}}{\overset{\mathrm{\π}}{\∫}}{i}_r\left(x\right)\sin \mathrm{nxd}\left(x\right)\end{array}\right.---\left(8\right)$

公式(7)和(8)中，n为电网频率的倍数，通过公式(8)可以计算出：x次谐波电压在基波(即n＝1)处的阻性电流幅值I_Mx1，其可表示为公式(9)：

$I_{\mathrm{MX}1}=\sqrt{{a^2}_{x1}+{b^2}_{x1}},x=\mathrm{3,5,7}...\left(9\right)$

式(9)中，x为谐波电压的次数；

第三步，

去除谐波电压在等效电阻上产生的阻性电流后的待测MOA阻性电流i_r”表示如下：

i_r″＝i(t)-i_C1-i_r'                    (10)

式(10)中，i(t)为MOA泄漏电流，i_C1为MOA产生的容性电流；

谐波电压u_x在等效线性电阻R1上产生的阻性电流ir’，可由式(11)求解如下：

${\mathrm{ir}}^{\text{'}}=\underset{x}{\mathrm{\Σ}}{u}_x/R_1,x=\mathrm{3,5,7}...\left(11\right)$

对求得的阻性电流i_r”进行FFT算法运算后，即可求i_1r和i_3r，从而对MOA实现在线监测。

2.根据权利要求1所述金属氧化物避雷器阻性电流提取方法，该方法第一步中：所述C₂取值10μF。

3.根据权利要求1所述金属氧化物避雷器阻性电流提取方法，该方法第二步中：

所述k取值为35。