CN105044437A - 测量金属氧化物避雷器阻性电流的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量金属氧化物避雷器阻性电流的方法,包括如下步骤:(1)利用电场感应板采集电压信号；(2)利用线圈传感器采集避雷器底部的泄漏电流信号；(3)将采集到的电压信号和电流信号分别进行放大、滤波处理；(4)按照容性电流补偿法计算避雷器阻性电流的3次谐波值，按照矢量投影法计算避雷器阻性电流的基波值。本发明采用电场感应法采集施加在避雷器两端电压的感应量，从而能可靠、安全地获得在线运行避雷器的阻性电流基波及其3次谐波值。

Description

测量金属氧化物避雷器阻性电流的方法

技术领域

本发明涉及电力***的避雷器在线监测技术，更具体地说，涉及一种测量金属氧化物避雷器阻性电流的方法。

背景技术

金属氧化物避雷器是电力***中重要的过电压保护设备，在现场运行时可能出现受潮、老化等故障，严重时甚至会导致避雷器的***，严重威胁电力***的正常运行。因此，对运行中的避雷器进行在线监测已经成为电力***的状态检修必要手段之一。

避雷器在线监测可选择的特征物理量较多，其中阻性电流可以很好地反映避雷器的运行状态，可以根据其阻性电流及其谐波分量变化的结果来判断避雷器的性能。当避雷器劣化时，阻性电流基波分量迅速增加，当避雷器老化时，阻性电流3次谐波分量值快速增加。

计算在线运行时的避雷器的阻性电流的算法也很多，广泛使用的是容性电流补偿法和矢量投影法，即：分别取得施加在避雷器两端的电压信号和流过避雷器底部的电流信号，对其分别进行傅立叶分解，得到电压和电流的基波以及3次谐波的分量，那么基波电流分量在相应电压基波分量上的投影，就是阻性电流基波值，而3次谐波阻性电流值可以通过容性电流补偿法得到。

目前，常规的避雷器在线监测技术采用的是电压互感器(PT)低压侧取电压信号法。这种方法需从PT上引入电压参考信号，测量结果容易受到电压互感器角差和补偿增益的误差影响，并且带来安全问题。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种可靠、安全的测量金属氧化物避雷器阻性电流的方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种测量金属氧化物避雷器阻性电流的方法，包括如下步骤:(1)利用电场感应板采集电压信号；(2)利用线圈传感器采集避雷器底部的泄漏电流信号；(3)将采集到的电压信号和电流信号分别进行放大、滤波处理；(4)按照容性电流补偿法计算避雷器阻性电流的3次谐波值，按照矢量投影法计算避雷器阻性电流的基波值。

作为本发明的一种改进,所述避雷器阻性电流的3次谐波值I_3R＝I_3x-K(I_1x/I_1P·I_3P)，式中，I_3x为通过避雷器的3次谐波全泄漏电流，K为电场感应板探头测量比例系数，I_1X为通过避雷器的基波全电流，I_1P为电场感应板取得的基波电流，I_3P为电场感应板取得的3次谐波电流。

作为本发明的一种改进，所述避雷器阻性电流的基波值I_1R＝√2·I_1x·cos(Δφ-Δφ₁)，式中，I_1X为通过避雷器的基波全电流，Δφ为I_1x与感应电压的基波矢量值U_1P的初始相位差，Δφ₁为感应电压的基波矢量值U_1P与避雷器两端施加的电压值U_1B的初相位差。

作为本发明的一种改进，所述电场感应板探头测量比例系数K＝(C₃+C₁)/(2C₁+C₃)，C₁、C₃分别是避雷器A、C相对电场感应板的等效电容。

作为本发明的一种改进，K值取0.70～0.95，根据不同的变电站使用情况进行校正。

与现有技术相比，本发明采用电场感应法采集施加在避雷器两端电压的感应量，从而能可靠、安全地获得在线运行避雷器的阻性电流基波及其3次谐波值。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式，对本发明的结构及其有益技术效果进行详细说明。

图1为本发明监测器功能模块示意图。

图2为本发明避雷器等值电路图。

图3为本发明电场感应电压信号放大电路图。

具体实施方式

为了使本发明的发明目的、技术方案及其有益技术效果更加清晰，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。

本发明测量金属氧化物避雷器阻性电流的方法包括步骤:(1)利用电场感应板采集电压信号；(2)利用线圈传感器采集避雷器底部的泄漏电流信号；(3)将采集到的电压信号和电流信号分别进行放大、滤波处理；(4)按照容性电流补偿法计算避雷器阻性电流的3次谐波值，按照矢量投影法计算避雷器阻性电流的基波值。

请参阅图1，监测器主芯片为ARM/STM32；电源采用太阳能电源或蓄电池或超级电容器，***低压电源由TI公司专门给ARM供电的TPS767D318提供；STM32外挂RAM/FLASH等，并可以通过I/O口进行本地显示和远程通讯。电场感应板采集的电压信号和CT线圈传感器采集的避雷器底部泄漏电流信号送至STM32的A/D转换单元，进行数模转换，按照容性电流补偿法计算出避雷器阻性电流3次谐波值，按照矢量投影法计算出避雷器阻性电流基波值，从而实现避雷器阻性电流的测量。其详细的计算原理分别叙述如下：

1、容性电流补偿法计算避雷器阻性电流3次谐波值

1)电场感应探头测量比例系数K的计算

设电网电压中含有3次谐波分量，且三相电压的基波、3次谐波峰值相位是相同的。含有3次谐波的电力***电网三相电压u(t)可以表示为：

u_A(t)＝U_1Acos(ωt)+U_3Acos(3ωt+φ₃)(1)

u_B(t)＝U_1Bcos(ωt-2π/3)+U_3Bcos(3ωt-2π+φ₃)(2)

u_C(t)＝U_1Ccos(ωt+2π/3)+U_3Ccos(3ωt+2π+φ₃)(3)

一般情况下，U_1A＝U_1B＝U_1C，U_3A＝U_3B＝U_3C。

以三相避雷器的B相为例，说明电容电流补偿法计算避雷器阻性电流3次谐波值。两侧边相避雷器阻性电流3次谐波值的测试原理相同。

请参阅图2，C₁、C₂、C₃分别是A、B、C三相对电场感应板的等效电容，且有C₁＝C₂；取样电阻R_S是电场感应板的取样电阻。R_S远大于1/ωC₁和1/ωC₃，则流过电场感应板的电流I_P为：

I_P＝C₁du_A/dt+C₃du_B/dt+C₁du_C/dt(4)

I_1P、I_3P分别是电场感应板(4)感应电流I_P的基波及3次谐波电流，则：

I_1P＝C₁du_1A/dt+C₃du_1B/dt+C₁du_1C/dt

＝-u₁ω(C₃+C₁)sin(ωt-2π/3)(5)

I_3P＝C₁du_3A/dt+C₃du_3B/dt+C₁du_3C/dt

＝-3u₃ω(2C₁+C₃)sin(3ωt+φ₃)(6)

设I_1C、I_3C分别为避雷器泄漏电流基波容性电流和3次谐波容性电流值；I_1X、I_3X分别为避雷器泄漏电流基波和3次谐波电流值。因为，I_1C远远大于I_1R，故：I_1X≈I_1C＝Cdu₁/dt；I_3C＝Cdu₃/dt。可得：

I_1C＝Cdu₁/dt＝-u₁ωCsin(ωt-2π/3)；(7)

I_3C＝Cdu₃/dt＝-3u₃ωCsin(3ωt+φ₃)(8)

显然，I_1P与I_1C同相位，I_3P与I_3C同相位，

令：K₁＝I_1X/I_1P≈I_1C/I_1P，K₃＝I_3C/I_3P(9)

则：K＝K₃/K₁＝(I_3C/I_3P)/(I_1C/I_1P)(10)

将式(5)～(8)代入式(10)可得：

K＝K₃/K₁＝(I_3C/I_3P)/(I_1C/I_1P)

＝[-3u₃ωCsin(3ωt+φ₃)/-3u₃ω(2C₁+C₃)sin(3ωt+φ₃)]/

[-u₁ωCsin(ωt-2π/3)/-3u₃ωCsin(3ωt+φ₃)]

＝(C₃+C₁)/(2C₁+C₃)(11)

由式(11)可以看出，K值的大小只与电场感应板的位置以及三相避雷器的排列有关。一般情况下，变电站内，三相避雷器位置已经固定，电场感应板位置已经固定，可以认为K值为一固定值。

经过试验，K值为0.70～0.95，可以根据不同的变电站使用情况进行校正。

2)避雷器阻性电流3次谐波值的计算

金属氧化物避雷器实际运行时，只有μA级的泄漏电流通过避雷器，可以得到公式(12)，全电流i_x由i_R和i_C组成。

I_x＝I_R+I_C(12)

其中：I_3x＝I_3R+I_3C(13)

即：I_3R＝I_3x-I_3C(14)

其中：I_x通过避雷器的全泄漏电流，μA；

I_R通过避雷器的全阻性电流，μA；

I_C通过避雷器的全容性电流，μA；

I_3x通过避雷器的3次谐波全泄漏电流，μA；

I_3R通过避雷器的3次谐波阻性电流，μA；

I_3C通过避雷器的3次谐波容性电流，μA。

在测量中，通过CT线圈传感器可以测得I_x，进行傅里叶分解以后可以得到I_3x。通过电场感应板，采用电场感应法取得感应电压，计算出感应电流I_P。I_P经傅立叶分解可得I_3P，经试验验证，一般情况下，I_3P与I_3C有下面的关系：

I_3C≈(0.75～0.95)I_1x/I_1P·I_3P(15)

其中：

I_1P电场感应板取得的基波电流，μA；

I_1X通过避雷器的基波全电流，μA；

I_3P电场感应板取得的3次谐波电流，μA。

所以：I_3R＝I_3x-I_3C＝I_3x-(0.75～0.95)I_1x/I_1P·I_3P(16)

式(16)就是通过避雷器的阻性电流3次谐波分量值的计算式。

2、矢量投影法计算避雷器阻性电流基波值

在测量中，通过CT电流传感器可以采集到B相避雷器底部的泄漏电流I_x，进行傅里叶分解以后可以得到泄漏电流基波值I_1x。通过电场感应板，采用电场感应法取得感应电压U_P，进行傅立叶分解，得到感应电压的基波矢量值U_1P。在三相电压基波峰值相等的情况下，感应电压的基波矢量值U_1P与避雷器两端施加的电压值U_1B在初相位差是一固定值，可以根据具体工程进行调整补偿，初相位差为：Δφ₁。并得到I_1x与U_1P的初始相位差Δφ。

由式：

I_1R＝√2×I_1x×cos(Δφ-Δφ₁),(17)

可得到避雷器阻性电流基波值。

3、下面为一利用本发明方法的实例:

避雷器型号：YH5WZ-17/45；环境温度：25℃；相对湿度：90％。

1)电场感应传感器的设计

当电场感应探头采用悬浮方式放置于待测电场时，设其所处位置场强为：Esinωt(与***电压成正比)的均匀电场，则在电场感应板上的感应电荷有效值Q为：

Q＝GEε₀sinωt(17)

其中G为半球几何尺寸有关的常数，由校准来确定。

感应电流值为：

I_P＝dQ/dt＝Gωε₀Ecosωt(18)

则：电阻R上取得电压为：

U_P＝RI_P(19)

请参阅图3，取R＝50～100kΩ,放电电路对电压信号进行就近放大处理和调制。前一级运放组成电压跟随器，采用高输入阻抗运放CA3140来实现。后一级运放组成放大电路，对缓慢变化的噪声信号放大的倍数为：

A_ad＝-(R₂+R₃)/R₁(20)

对工频及其各次谐波分量的放大倍数为：

A_ac＝-(R₂+R₃+R₂R₃/R₄)/R₁(21)

合理选取R₁、R₂、R₃、R₄的阻值，可使得A_dc尽可能小，而A_ac达到符合要求的放大倍数。其值为：

U_o＝A_acU_p(22)

因此，I_P＝(U_o/A_ac)/R(23)

整个放大电路置于双层屏蔽中并采用悬浮输入方式，提高其抑制共模干扰的能力。

2)K值的选取

采用上述设计的电场感应探头进行现场测试，另外取现场电压互感器(PT)低压侧信号作为标准信号。如表1所示，计算K值。

表1电场感应探头测量的电压及电流数据及运算

取K＝0.93。

3)避雷器阻性电流3次谐波值的计算

实际测量YH5WZ-51/134三只，编号分别为：A、B、C。施加电压41kV。

表2避雷器阻性电流3次谐波值的计算

4)避雷器阻性电流基波值的计算

同上面的试品，和相同的施加电压，实际测量YH5WZ-51/134三只，编号分别为：A、B、C。施加电压41kV。

表3避雷器阻性电流基波值的计算

5)避雷器阻性电流测量结果

避雷器型号：YH5WZ-51/134；

施加电压：41kV。

采用电场探头感应法采集电压信号，计算避雷器的阻性电流基波及3次谐波值如表4所示。

表4避雷器阻性电流基波值及3次谐波值的计算

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (5)

1.一种测量金属氧化物避雷器阻性电流的方法,其特征在于,包括如下步骤:

(1)利用电场感应板采集电压信号；

(2)利用线圈传感器采集避雷器底部的泄漏电流信号；

(3)将采集到的电压信号和电流信号分别进行放大、滤波处理；

(4)按照容性电流补偿法计算避雷器阻性电流的3次谐波值，按照矢量投影法计算避雷器阻性电流的基波值。

2.根据权利要求1所述的测量金属氧化物避雷器阻性电流的方法,其特征在于,所述避雷器阻性电流的3次谐波值I_3R＝I_3x-K(I_1x/I_1P·I_3P)，式中，I_3x为通过避雷器的3次谐波全泄漏电流，K为电场感应板探头测量比例系数，I_1X为通过避雷器的基波全电流，I_1P为电场感应板取得的基波电流，I_3P为电场感应板取得的3次谐波电流。

3.根据权利要求1所述的测量金属氧化物避雷器阻性电流的方法,其特征在于,所述避雷器阻性电流的基波值I_1R＝√2·I_1x·cos(Δφ-Δφ₁)，式中，I_1X为通过避雷器的基波全电流，Δφ为I_1x与感应电压的基波矢量值U_1P的初始相位差，Δφ₁为感应电压的基波矢量值U_1P与避雷器两端施加的电压值U_1B的初相位差。

4.根据权利要求2所述的测量金属氧化物避雷器阻性电流的方法,其特征在于,所述电场感应板探头测量比例系数K＝(C₃+C₁)/(2C₁+C₃)，C₁、C₃分别是避雷器A、C相对电场感应板的等效电容。

5.根据权利要求4所述的测量金属氧化物避雷器阻性电流的方法,其特征在于,K值取0.70～0.95，根据不同的变电站使用情况进行校正。