CN205484539U - 金属氧化物避雷器的阻性电流测量*** - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种金属氧化物避雷器的阻性电流测量***，包括：传感器、监测器、取样电阻和电场感应板；所述传感器置于金属氧化物避雷器底部，与监测器相连接，所述监测器通过所述取样电阻与电场感应板相连接，所述电场感应板置于高压导线底部；其中，金属氧化物避雷器一端与高压导线相连接，另一端接地；所述电场感应板采集高压导线上的电压信号，所述取样电阻对所述电压信号进行取样，得到取样电压，并将所述取样电压发送至所述监测器，所述传感器对金属氧化物避雷器底部的泄漏电流信号进行取样，得到取样电流，并将所述取样电流发送至所述监测器，所述监测器根据所述取样电压和取样电流对金属氧化物避雷器的阻性电流进行测量。

Description

金属氧化物避雷器的阻性电流测量***

技术领域

本实用新型涉及电力***技术领域，特别是涉及一种金属氧化物避雷器的阻性电流测量***。

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，但当避雷器老化时，阻性电流3次谐波分量值快速增加。

现有技术中，有一种技术方案采用电压互感器(PT)进行避雷器的阻性电流在线监测，该技术方案测量精确度较低。

实用新型内容

基于此，有必要针对测量精确度较低的问题，提供一种金属氧化物避雷器的阻性电流测量***。

一种金属氧化物避雷器的阻性电流测量***，包括：

传感器、监测器、取样电阻和电场感应板；

所述传感器置于金属氧化物避雷器底部，与所述监测器相连接，所述监测器通过所述取样电阻与所述电场感应板相连接，所述电场感应板置于高压导线底部；其中，金属氧化物避雷器一端与高压导线相连接，另一端接地；

所述电场感应板采集高压导线上的电压信号，所述取样电阻对所述电压信号进行取样，得到取样电压，并将所述取样电压发送至所述监测器，所述传感器对所述金属氧化物避雷器底部的泄漏电流信号进行取样，得到取样电流，并将所述取样电流发送至所述监测器，所述监测器根据所述取样电压和取样电流对所述金属氧化物避雷器的阻性电流进行测量。

上述金属氧化物避雷器的阻性电流测量***，通过电场感应板采集高压导线上的电压信号，并通过取样电阻对所述电压信号进行取样，得到取样电压，通过传感器对所述金属氧化物避雷器底部的泄漏电流信号进行取样，得到取样电流，并将所述取样电压和取样电流发送至所述监测器进行金属氧化物避雷器的阻性电流测量，能够有效提高测量精确度，且结构简单，成本低。

附图说明

图1为金属氧化物避雷器的阻性电流测量***的结构示意图；

图2为监测器功能模块示意图；

图3为电场感应探头示意图；

图4为电场感应电压信号放大电路图；

图5为三相避雷器及其电场感应探头位置图；

图6为避雷器等值电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施例进行描述。

图1为金属氧化物避雷器的阻性电流测量***的结构示意图，所述***可包括：

传感器10、监测器20、取样电阻30和电场感应板40；

所述传感器10置于金属氧化物避雷器50底部，与所述监测器20相连接，所述监测器20通过所述取样电阻30与所述电场感应板40相连接，所述电场感应板40置于高压导线60底部；其中，金属氧化物避雷器50一端与高压导线60相连接，另一端接地；

所述电场感应板40采集高压导线60上的电压信号，所述取样电阻30对所述电压信号进行取样，得到取样电压，并将所述取样电压发送至所述监测器20，所述传感器10对所述金属氧化物避雷器50底部的泄漏电流信号进行取样，得到取样电流，并将所述取样电流发送至所述监测器20，所述监测器20根据所述取样电压和取样电流对所述金属氧化物避雷器50的阻性电流进行测量。

图2为监测器20各功能模块示意图。监测器处理芯片可采用ARM/STM32；电源可采用太阳能电源或蓄电池或超级电容器，***低压电源可由TI公司专门给ARM供电的TPS767D318提供，其中，所述低压电源与所述监测器连接，对所述监测器供电；STM32可外挂RAM/FLASH等，并可以通过I/O口进行本地显示和远程通讯。当监测器处理芯片采用ARM/STM32时，电场感应板40采集的电压信号和传感器10(例如，可以是CT线圈传感器，或其他类型的传感器)采集的避雷器底部泄漏电流信号可送至STM32的A/D转换单元，进行数模转换，可计算出避雷器阻性电流3次谐波值，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。具体的计算方法可采用现有的计算方法，并通过现有软件来实现，无需进行软件上的改进。例如，可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。

在上述实施例中，所述三相金属氧化物避雷器可呈一字型排列。

所述传感器的探头可以是紫铜材料，椭圆半球形形状，如图3所示。所述传感器还可包括取样电阻R_S，取样电阻一端与所述探头以及监测器相连接，取样电阻另一端接地，所述传感器还可包括两个绝缘层，分别连接到所述探头的两端。

在一个实施例中，所示***还可包括第一放大器70；所述第一放大器70的输入端与所述电场感应板40相连接，输出端与监测器20相连接，对所述电场感应板40采集的电压信号进行放大后输入到监测器20。

在一个实施例中，所示***还可包括第二放大器80；所述第二放大器80的输入端与所述传感器10相连接，输出端与监测器20相连接，对所述传感器10采集的泄漏电流信号进行放大后输入到监测器。

所述第一放大器70和第二放大器80可以是结构相同的放大器，以第二放大器80为例，其结构可以如图4所示，可包括：

第一运算放大器A1，第一电阻R1，第二运算放大器A2，第二电阻R2，第三电阻R3，第四电阻R4，电容C和第五电阻R5；

所述第一运算放大器A1的反相输入端与传感器10相连接，第一运算放大器A1的正相输入端与第一运算放大器A1的输出端相连接，第一运算放大器A1的输出端与第一电阻R1的一端相连接，第一电阻R1的另一端与第二运算放大器A2的反相输入端以及第二电阻R2的一端相连接，第二电阻R2的另一端与第三电阻R3的一端、第四电阻R4的一端相连接，第四电阻R4的另一端通过电容C接地，第二运算放大器A2的正相输入端通过第五电阻R5接地，第二运算放大器A2的输出端与监测器20以及第三电阻的另一端R3相连接。

其中，第一运算放大器A1和第二运算放大器A2可以是同一类型的运算放大器，例如，可以是型号为CA3140的运算放大器。

在一个实施例中，所述金属氧化物避雷器50可包括A相金属氧化物避雷器501、B相金属氧化物避雷器502和C相金属氧化物避雷器503，所述高压导线60包括A相高压导线601、B相高压导线602和C相高压导线603，所述A相金属氧化物避雷器501、B相金属氧化物避雷器502和C相金属氧化物避雷器503的一端与分别与A相高压导线601、B相高压导线602和C相高压导线603相连接，另一端接地，所述传感器10置于A相金属氧化物避雷器501、B相金属氧化物避雷器502或C相金属氧化物避雷器503底部，所述监测器20置于A相高压导线601、B相高压导线602或C相高压导线603底部；所述电场感应板40采集A相高压导线601、B相高压导线602或C相高压导线603上的电压信号，所述取样电阻30对所述电压信号进行取样，得到取样电压，并将所述取样电压发送至所述监测器20，所述传感器10对所述A相金属氧化物避雷器501、B相金属氧化物避雷器502或C相金属氧化物避雷器503底部的泄漏电流信号进行取样，得到取样电流，并将所述取样电流发送至所述监测器20，所述监测器20根据所述取样电压和取样电流对所述A相金属氧化物避雷器501、B相金属氧化物避雷器502或C相金属氧化物避雷器503的阻性电流进行测量。

其中，所述A相金属氧化物避雷器501、B相金属氧化物避雷器502和C相金属氧化物避雷器503可呈一字型排列。三相避雷器及其电场感应探头位置如图5所示。

上述金属氧化物避雷器的阻性电流测量***，结构简单，成本低，且测量精度较高。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

本实用新型的金属氧化物避雷器的阻性电流测量***可以提供多种应用方式。下面结合本实用新型的实施例对其中一种应用方式进行描述。

(一)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：

一般情况下，U_1A＝U_1B＝U_1C,U_3A＝U_3B＝U_3C。其中，u_A(t)、u_B(t)和u_C(t)分别为电网A相电压、B相电压和C相电压，U_1A为A相电压的基波的幅值，U_3A为A相电压的3次谐波的幅值，ω为电网三相电压的角频率，为3次谐波峰值相位，U_1B为B相电压的基波的幅值，U_3B为B相电压的3次谐波的幅值，U_1C为C相电压的基波的幅值，U_3C为C相电压的3次谐波的幅值，t为时间。

实际电站中，三相避雷器一般呈一字型排列，将电场感应板40置于避雷器底部。

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。

如图5所示，C₁、C₂、C₃分别是A、B、C三相对电场感应板40的等效电容，且有C₁＝C₂；取样电阻R_S是电场感应板40的取样电阻。R_S远大于1/ωC₁和1/ωC₃，则流过电场感应板40的电流I_P为：

I_P＝C₁du_A(t)/dt+C₃du_B(t)/dt+C₁du_C(t)/dt (4)

I_1P、I_3P分别是电场感应板40感应电流I_P的基波及3次谐波电流，则：

$\begin{array}{c}{I}_{1P}=C_1{\mathrm{du}}_{1A}/dt+C_3{\mathrm{du}}_{1B}/dt+C_1{\mathrm{du}}_{1C}/dt\\ =-u_1\mathrm{\ω}\left(C_3+C_1\right)\sin \left(\mathrm{\ω}t-2\mathrm{\π}/3\right)\end{array}---\left(5\right)$

其中，u₁为电压的基波，u_1A、u_1B和u_1C分别为A相电压、B相电压和C相电压的基波，u₃为电压的3次谐波，u_3A、u_3B和u_3C分别为A相电压、B相电压和C相电压的3次谐波。

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。避雷器等值电路图如图6所示，包括一个并联的电阻和电容。设流过该并联的电阻和电容的电流分别为I_R和I_C，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)

其中，I_1X为避雷器的泄漏电流的基波，I_1R为避雷器等效电阻流过的电流I_R的基波电流，I_1C为避雷器等效电容流过的电流I_C的基波电流。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：

由式(11)可以看出，K值的大小只与电场感应板40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40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，它可以采用图6来进行原理描述。我们从图6可以得到公式(12)，避雷器的泄漏电流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为通过避雷器的全泄漏电流，单位是μA；I_R是通过避雷器的全阻性电流，单位是μA；I_C是通过避雷器的全容性电流，单位是μA；I_3X是通过避雷器的3次谐波全泄漏电流，单位是μA；I_3R是通过避雷器的3次谐波阻性电流，单位是μA；I_3C是通过避雷器的3次谐波容性电流，单位是μA。

在测量中，通过CT线圈传感器(6)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40，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是电场感应板取得的基波电流，单位是μA；I_1X是通过避雷器的基波泄漏电流，单位是μA；I_3P是电场感应板取得的3次谐波电流，单位是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。

(二)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10可以采集到图5中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40，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：并得到I_1X与U_1P的初始相位差

由式可得到避雷器阻性电流基波值。

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。实施案例:

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

可采用紫铜材料为电场感应探头，椭圆半球形形状，如图3所示。R_S为取样电阻。

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，E为场强的幅值，ε₀为真空介电常数。

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)

取R＝500～1000kΩ，采用图4的放电电路对电压信号进行就近放大处理和调制。图4中，前一级运放组成电压跟随器，可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_ad尽可能小，而A_ac达到符合要求的放大倍数。其值为：

U₀＝A_acU_P (22)

因此，

I_P＝(U₀/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

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种金属氧化物避雷器的阻性电流测量***，其特征在于，包括：

传感器、监测器、取样电阻和电场感应板；

所述传感器置于金属氧化物避雷器底部，与所述监测器相连接，所述监测器通过所述取样电阻与所述电场感应板相连接，所述电场感应板置于高压导线底部；其中，金属氧化物避雷器一端与高压导线相连接，另一端接地；

所述电场感应板采集高压导线上的电压信号，所述取样电阻对所述电压信号进行取样，得到取样电压，并将所述取样电压发送至所述监测器，所述传感器对所述金属氧化物避雷器底部的泄漏电流信号进行取样，得到取样电流，并将所述取样电流发送至所述监测器，所述监测器根据所述取样电压和取样电流对所述金属氧化物避雷器的阻性电流进行测量。

2.根据权利要求1所述的金属氧化物避雷器的阻性电流测量***，其特征在于，所述传感器为CT线圈传感器。

3.根据权利要求1所述的金属氧化物避雷器的阻性电流测量***，其特征在于，所述监测器的处理芯片为ARM/STM32。

4.根据权利要求1所述的金属氧化物避雷器的阻性电流测量***，其特征在于，还包括低压电源，所述低压电源与所述监测器连接，对所述监测器供电。

5.根据权利要求4所述的金属氧化物避雷器的阻性电流测量***，其特征在于，所述低压电源为TPS767D318。

6.根据权利要求1所述的金属氧化物避雷器的阻性电流测量***，其特征在于，所述传感器的探头为紫铜材料，椭圆半球形形状。

7.根据权利要求1所述的金属氧化物避雷器的阻性电流测量***，其特征在于，还包括：

第一放大器；

所述第一放大器的输入端与所述电场感应板相连接，输出端与监测器相连接，对所述电场感应板采集的电压信号进行放大后输入到监测器。

8.根据权利要求1所述的金属氧化物避雷器的阻性电流测量***，其特征在于，还包括：

第二放大器；

所述第二放大器的输入端与所述传感器相连接，输出端与监测器相连接，对所述传感器采集的泄漏电流信号进行放大后输入到监测器。

9.根据权利要求1所述的金属氧化物避雷器的阻性电流测量***，其特征在于，所述金属氧化物避雷器包括A相金属氧化物避雷器、B相金属氧化物避雷器和C相金属氧化物避雷器，所述高压导线包括A相高压导线、B相高压导线和C相高压导线，所述A相金属氧化物避雷器、B相金属氧化物避雷器和C相金属氧化物避雷器的一端与分别与A相高压导线、B相高压导线和C相高压导线相连接，另一端接地，所述传感器置于A相金属氧化物避雷器、B相金属氧化物避雷器或C相金属氧化物避雷器底部，所述监测器置于A相高压导线、B相高压导线或C相高压导线底部；

所述电场感应板采集A相高压导线、B相高压导线或C相高压导线上的电压信号，所述取样电阻对所述电压信号进行取样，得到取样电压，并将所述取样电压发送至所述监测器，所述传感器对所述A相金属氧化物避雷器、B相金属氧化物避雷器或C相金属氧化物避雷器底部的泄漏电流信号进行取样，得到取样电流，并将所述取样电流发送至所述监测器，所述监测器根据所述取样电压和取样电流对所述A相金属氧化物避雷器、B相金属氧化物避雷器或C相金属氧化物避雷器的阻性电流进行测量。

10.根据权利要求9所述的金属氧化物避雷器的阻性电流测量***，其特征在于，所述三相金属氧化物避雷器呈一字型排列。