氧化锌避雷器泄露电流的测量原理及实现方法的研究

赵先堃

（西安铁路职业技术学院 陕西 西安 710014）

氧化锌避雷器(简称MOA)，在电力系统中的运用主要有配电系统的过电压保护；敞开式和GIS变电站的过电压防护；并联和串联补偿电容器的保护；发电机的过电压保护；限制电动机投切产生的操作过电压；限制中性点未直接接地的变压器中性点的过电压；线路载波通讯用阻波器的保护；输电线路防雷；深度控制输电线路操作过电压水平；直流输电系统换流站的过电压保护；大型发电机转子回路灭磁过程中的过电压保护和能量吸收；超高压直流断路器开断时系统中的能量吸收。

氧化锌避雷器具有优越的非线性保护特性：在正常工作电压下，避雷器阀片电阻很大近乎绝缘状态；在大电压冲击下，便立即变为低电阻状态被击穿，将大电流泄放后阀片电阻值又很快恢复为高阻值状态。所以实际应用中氧化锌避雷器与被保护设备并联，当被保护线路上出现雷击或者误操作过电压时，氧化锌避雷器能够很快将过电压能量释放，使线路及设备免受过电压危害。MOA动作反应快,残压低,通流容量大,无续流,无串联间隙，体积小,结构简单, 成本低, 可靠性高,耐污秽能力强, 维护简便等优点,被广泛应用于电力系统中,成为重要的过电压保护设备。

氧化锌避雷器设备造价低，并且能满足电力系统安全运行的需要，但由于经验不足, 选用欠妥,结构不良密封不严问题，阀片劣化、受潮以及气候因素等条件,导致泄漏电流增大,泄漏电流中的阻性电流分量使阀片温度上升,产生有功损耗,形成热崩溃, 严重时将导致氧化锌避雷器损坏或爆炸, 同时其他电气设备将失去过电压保护, 直接影响电力系统的安全稳定运行。特别是当氧化锌避雷器使用时间长久后,爆炸情况更易发生[1]。泄漏电流的大小是评价氧化锌避雷器运行质量状况的好坏的一个重要参数。因此,对氧化锌避雷器的泄露电流进行在线监测，确保电网的安全稳定运行就显得尤为重要。

1 多元补偿法测氧化锌避雷器泄露电流的原理

氧化锌避雷器监测数据由两部分组成：电气信息和非电气信息，其中电气信息包含避雷器承受电压和总泄露电流，非电气信息为避雷器表面温度。避雷器全泄露电流和端电压分别通过电流传感器和电压传感器测量得到，传感器测量信号经过A/D转换后通过同轴电缆传输到数据处理模块。

正常运行情况下，氧化锌避雷器的总泄露电流很小，一般为几百微安到几个毫安。为准确获取此电流，电流传感器需满足：灵敏度高，二次侧输出电压信号尽可能高；在测量范围内输出波形不畸变，线性度好；稳定性好、结构简单、体积小。雷电冲击或者操作过电压时，避雷器泄露电流将会很大，此时就需要电流传感器能够准确测量大电流，并有良好的宽频特性。当雷击时，避雷器呈现小电阻特性，其接地线上会流过大泄露电流，如果使用带铁芯的电流传感器，可能会因为铁芯的饱和造成输出二次电流畸变，从而影响监测的准确性，罗氏线圈在测量大电流、宽频带信号时准确性较高。

氧化锌避雷器的泄漏电流由阻性分量和容性分量构成，其中阻性泄漏电流是引起氧化锌避雷器阀片劣化的主要原因。正常情况下, 其大小仅占总泄漏电流的10% ～20 % ,加之阀片的非线性, 现场测量的干扰等因素, 使准确地监测阻性电流具有一定的困难。泄漏电流按照频率特征可以分为容性电流、阻性电流和非线性电流: 容性电流表明绝缘子表面具有较好的憎水性; 阻性电流表明绝缘子表面憎水性逐渐丧失形成导电通路; 非线性电流表明绝缘子表面形成干燥带进而引发了燥带放电, 此时泄漏电流中的3次和5次谐波分量显著增加。因此, 泄漏电流的各个频率组分与绝缘子表面动态特征存在着一定的联系, 而且能够反映各种因素对绝缘子的影响[2]。

目前比较准确的在线监测金属氧化物避雷器的方法是多元补偿法。分别对容性电流各次谐波分量进行补偿, 而保留只属于阻性电流的分量。不直接从电压互感器上获取补偿信号波形,而是利用电压互感器交流电压过零产生一个中断信号,启动A/D U对泄漏电流进行采样, 并记下电压电流的相位差,由计算机分别自动生成与容性电流各次谐波分量同相位的补偿信号, 即U1、U2、U3、..., 设第k次谐波的补偿信号为：

Gk为多元谐波补偿系数, 即将泄漏电流IX与补偿信号Uksf作差分运算后再乘以补偿信号Uksf并进行一周期积分，并利用快速牛顿迭代法可求得高次谐波多元补偿系数Gk，最后得到可得到消除容性电流谐波分量影响的阻性电流IR[3]。

利用电压互感器从电网测得电压信号或者从给氧化锌避雷器加试验电压的变压器测得电压信号，该电压信号都不能直接供计算机使用，还需要小电压互感器进行转换。计算机对电压信号的采集的目的：一是检测其有效值及各次谐波(主要是基波和三次谐波幅值)；二是测量电压的频率。

实现多元补偿的硬件电路的思路是将取自避雷器总泄漏电流IX经电压电流变换、滤波和放大的电压信号输入中央处理器; 将取自电压互感器二次侧的电压信号, 经衰减、滤波、移相和过零脉冲处理,为CPU提供中断信号。计算机根据来自电压互感器的中断信号,判断作用在MOA上的系统电压过零时刻,由此产生启动A/ D 转换命令,对避雷器总泄漏电流IX进行数字采样, 并自动生成基波和各高次谐波的补偿电压信号Usf,依次求出各次谐波的多元补偿系数Gk,再把总泄漏电流与求得的各次补偿电流进行差分运算, 得到完全消除容性分量后的阻性电流分量。

氧化锌避雷器的在线测量需要同步的测量氧化锌避雷器的泄漏电流和加在氧化锌避雷器上的电网电压。利用电压互感器和小电流互感器同步采集电压信号和总泄漏电流信号，对采集到的信号进行各次谐波分析，从而判断氧化锌避雷器的运行状况。在线测量可以分为有线测量和无线测量两种。有线测量需要从高压电网或者电压互感器二次侧上引出较长的电线，不管是电网电压还是电压互感器二次侧引出的电压对操作人员来说都是高电压(PT二次侧的额定电压一般为100 V，电网电压大多在 6 kV 以上)，存在相当大的安全隐患。无线测量则能够降低操作人员的危险系数，但是需要试验无线传输系统在高压线周围是否会受到干扰，并且需要对泄漏电流与电压进行同步采集。

选择的互感器型号为 SPT204A，是一款匝数比为 1:1的毫安级精密电流型电压互感器，输入额定电流为 2 mA，最大可达到 10 mA，输出额定电流为 2 mA，线性范围是0～10 mA，精度为 1%。使用时需要在互感器的一次侧串联电阻将电压信号转换为允许范围内的电流信号，串电阻后的电压输入范围为 50～1 000 V。电压经探头引入互感器SPT204A，互感器二次侧的电压信号一路送给仪表放大器AD620 进行零点及幅值调整，AD620 输出的电压幅值在 0～5 V 之间，再送到控制器的模拟输入端口 AN0，供 A/D 采样，这部分电路是用于电压有效值及各次谐波的测量。电压互感器 SPT204A 二次侧信号另一路则是送给比较器 LM393，将正弦电压信号转变为频率相同的方波信号，再送到控制器的输入捕捉引脚进行频率测量。避雷器的泄漏电流也是由探头引入电流互感器，经变换后送给 AD620 进行零点及幅值调整，最后由控制器的AN1引脚采集并进行 A/D 转换。

系统采用数字处理器为控制器，软件设计主要包括主程序、A/D 采样子程序、频率测量子程序、显示子程序、测温子程序、实时时钟子程序及采样数据处理、测量记录处理、打印子程序等。主程序负责系统的初始化，根据外部操作进行相应的处理，并协调各个子程序的运行。A/D 采样子程序通过控制器的定时器 1 中断实现，利用内部 A/D 模块转换采集到的电压、电流信号数据，以提供给后续数据分析处理。频率测量子程序利用控制器的输入捕捉中断测量电压信号的实际频率值，用以反映实际电压信号频率的变化，从而及时调整 A/D 采样的频率，保证采样数据的准确可靠。显示子程序用于在液晶屏上显示界面信息、测量数据值、电压电流波形等。由电压互感器检测到的交流电压信号经 LM393 比较器输出频率与电压频率一样的方波信号，该方波信号的频率可以通过计算机的输入捕捉引脚检测计算得到。

2 测量时出现的问题

目前普遍采用市售成套直流高压试验装置对氧化锌避雷器进行测量，其中部分直流高压试验装置是采用中频变压器低压侧来监视高压电压的, 这对于35 kV及以下的中低压氧化锌避雷器测量比较准确, 但对于110 kV及以上高压氧化锌避雷器将产生较大测量误差[4]。氧化锌阀片的非线性致使试验电压的准确性对测量结果影响较大, 因此在测量时应在高压侧直接测量试验电压以保证试验结果的准确性。用高阻器串微安表(或用电阻分压器接电压表)对氧化锌避雷器进行测量,而不使用成套直流高压试验装置。

测量氧化锌避雷器直流泄漏电流时，应先用绝缘电阻表摇测本体对地及基座对地绝缘情况。若绝缘情况良好，宜在被试品下端与接地网之间( 此时被试品的下端应与接地网绝缘) 串联一只带屏蔽引线的微安表，其精度应高于成套装置上的仪表，当两只电流表的指示数值不同时，应以外部串联的电流表读数为准，泄漏电流测量法可以连续对绝缘子进行检测, 能够及时、准确地反映各种动态参数对避雷器、绝缘子等电气设备运行状态的影响, 因此逐渐成为当前的研究重点。

避雷器泄露电流在线监测系统一般安装在避雷器所在杆塔上, 通过太阳能的方式供电, 电流传感器测量得到的泄露电流通过信号保护单元进入采集器, 采集器采集结果通过无线方式发送给位于变电站内的分析系统[5]。使用这种系统能够对高压运行中的避雷器、绝缘子等进行全天候的泄漏电流在线监测。

3 结束语

补偿法测氧化锌避雷器的泄露电流是目前我国应用较多的一种方法。采用多元补偿法能有效地消除电网电压谐波带来的容性谐波分量,使阻性电流分量的测量更加准确，并易于用硬件和软件实现, 为氧化锌避雷器实施消除容性谐波电流影响的在线监测提供了理论基础。

传统的泄漏电流幅值检测法都是在工频电源下开展的研究, 测量结果易受到外界因素的干扰, 所需的设备和条件相对复杂。部分学者提出了采用高频高压电源对绝缘子进行检测试验, 建立了高频泄漏电流幅值与绝缘子表面状态的关系, 降低了试验对绝缘子表面状态的破坏, 同时提高了检测的准确性和抗干扰性[6]。但是, 由于影响泄漏电流的因素很多, 对于在不同环境下运行的不同类型绝缘子, 泄漏电流值的变化存在较大的分散性, 导致该检测法存在一定的局限性,需要继续进行大量试验研究, 确定统一的报警阈值。

在直流泄漏电流测量中，电力设备绝缘材料( 电介质) 温度的高低及其变化，对于测量结果将产生很大影响。因为电介质电导与温度之间存在着密切的关系，温度越高，离子的热运动越剧烈，就越容易改变原先受束缚的状态，因而在电场作用下做定向移动的离子数量及其移动的速度都将增加，即电导随温度升高而增大。温度对泄漏电流测量结果的影响是极为显著的，因此，对所测得的电流值，均需换算到相同温度，才能进行分析比较。由于避雷器内部元件的参数与温度有关，为更准确的反映避雷器运行状态，由温度传感器监测避雷器表面温度同样非常重要，温度是避雷器运行状态的总体反应。当电压、电流和温度信息采集完成后再进行数据处理。在这个信息融合过程中，信息之间是如何与避雷器状态对应的，还需要经验的积累和试验的验证。

[1] 刘磊,李强.无间隙氧化锌避雷器在工频电压下易损坏的原因分析[J].机电信息,2011(3):84-85.LIU lei,LI Qiang.Analysis of the damage cause of ceaseless zinc oxide arrester at frequency voltage[J].Mechanical and Electrical Information,2011(3):84-85.

[2] 张金霞,张小红,王帆.基于ICA的金属氧化锌避雷器监测与仿真[J].青海大学学报:自然科学版,2010(2):22-25.ZHANG Jin-xia,ZHANG Xiao-hong,WANG Fan.Monitoring and simulation on the white zin arrester based on the ICA[J].Journal of Qinghai University,2010(2):22-25.

[3] 王芳.改进氧化锌避雷器试验方法的探讨[J]. 山西师范大学学报:自然科学版,2011(S1):36-37.WANG Fang.Discussion of the refinement testing method of the MOA[J].Journal of Shanxi Normal University:Natural Science Edition,2011,S1:36-37.

[4] 王辉.35kV变电站单相接地故障判断和处理[J].电子制作,2013(8):39.WANG Hui.Single-phase earth fault judgment and troubleshooting method in 35 kV substation[J]. Practical Electronics,2013(8):39.

[5] 胡志彬.氧化锌避雷器损坏的原因及预防措施[J]. 中小企业管理与科技:上旬刊,2011(9):302-303.HU Zhi-bin.The damage cause of zinc oxide arrester and prevention measures[J].Management & Technology of SME,2011(9):302-303.

[6] 阙照,任晓霞.110kV变电站防雷接地设计[J].电气制造,2013(5):40-42.QUE Zhao,REN Xiao-xia.The lightning protection and grounding design of 110k V substation[J].Electrical Manufacturing,2013(5):40-42.