避雷器泄漏电流测量方法研究

张　艺

(上海电力学院，上海　200090)

避雷器泄漏电流测量方法研究

张艺

(上海电力学院，上海200090)

摘要：根据DL/T 987—2005标准所推荐避雷器泄漏电流标准波形，设计了三次谐波分量和全泄漏电流结合的避雷器泄漏电流测量系统。整个系统通过电流传感器、电流电压转换电路、滤波电路、峰值电路实现对避雷器泄漏电流三次谐波分量和全泄漏电流分量波形处理。搭建了系统，并根据DL/T 987—2005标准所提供的误差试验方法对该系统进行校验，试验结果满足现场测试要求。

关键词：金属氧化物避雷器；三次谐波分量；全泄漏电流分量

避雷器是电力系统电气设备的重要过电压保护装置，与被保护设备并联装设在被保护设备电源侧。系统正常运行时避雷器接近绝缘状态，避雷器充当隔离设备。而当系统过电压时，避雷器等效电阻迅速减小，流过避雷器的电流瞬间增大，从而有效抑制过电压的对系统中其他设备的影响，保障系统运行的安全性。

流过避雷器阀片的微小电流称为泄漏电流。全泄漏电流呈阻容性，容性电流分量所占比例较大，阻性电流只占全泄漏电流的10%～20%。当金属氧化物避雷器发生绝缘老化时，其容性电流分量相对稳定而阻性高次谐波分量往往成倍增大[1-3]。因此目前通常以测量阻性电流作为检测避雷器状态的手段。

本文基于DL/T987—2005标准提出的避雷器泄漏电流标准波形，设计了一个三次谐波分量和全泄漏电流结合的避雷器泄漏电流测量系统。系统通过电流互感器耦合输出避雷器泄漏电流，再由六阶多重负反馈带通滤波电路对全泄漏电流进行三次谐波滤波，最后经由峰值检测电路测量全泄漏电流以及三次谐波分量。

论文设计的六阶多重负反馈带通滤波电路的中心频率、带宽以及增益等参数调节范围易控制，适用于窄带宽的滤波设计。再通过后续设计峰值检测电路直观的输出三次谐波分量和全泄漏电流的大小。设计整体能够直接体现三次谐波分量在避雷器劣化时对比其正常运行时的变化情况，并且在提取过程中不需要外加参考信号，避免了补偿法带来的幅值和相位上的误差[4-6]。

1基本原理

根据DL/T987—2005 《氧化锌避雷器阻性电流技术测试仪通用技术条件》可得避雷器泄漏电流标准波形如下：

I=IPR1sinωt+IPR3sin(3ωt+π)+IPC1sin(ωt+π/2)

(1)

式中ω——基波角频率；I——全电流；IPR1——阻性基波电流峰值；IPR3——阻性三次波电流峰值；IPC1——容性基波电流峰值。

阻性基波分量峰值和阻性三次谐波分量峰值的比值为IPR1/IPR3=3/1。三次谐波分量峰值和阻性分量峰值的比例为IPR/IPR3=1/4。

根据标准波形可看出避雷器泄漏电流主要由容性基波分量、阻性基波分量、阻性三次谐波分量组成。基于上述对各分量之间关系的分析本文对全电流信号进行中心频率为150±40Hz带通滤波，测量滤波后的信号峰值，通过上述比例关系即可对阻性电流和其基波分量的峰值进行预估。

2避雷器泄漏电流测量系统设计

论文搭建了一个避雷器泄漏电流测量系统，以三次谐波分量和全泄漏电流作为判断避雷器的运行状态的依据。三次谐波分量的变化可以有效反应避雷器阀片的老化情况，结合全泄漏电流的变化可以判断避雷器阀片的受潮情况以及对其他分量进行预估。采用有源滤波器提取三次谐波信号，可以单独对系统电压三相进行检测，避免了相间杂散电容导致的三相电流不平衡而造成的误差，并且能够准确的判断具体的故障相。测量过程中不需要参考信号，对于在线测量系统是一种更加便捷的测量手段。

泄漏电流的输出采用电流互感器耦合的方式，将采集到的电流信号转换成电压信号放大适当倍数以便后续进行三次谐波带通滤波。根据避雷器泄漏电流波形特性本文需要采用中心频率为150Hz的六阶多重负反馈带通滤波电路和峰值检测电路，实现避雷器泄漏电流的测量，系统原理图如图1所示，系统流程如图2所示。

图1　系统原理图

图2　系统流程图

基于上述分析，论文设计的系统的整体电路如图3所示。系统中电流互感器1∶1对泄漏电流信号进行提取，通过电流电压转换电路放大543.44倍后变为电压信号；一路电压信号通过六阶多重负反馈带通滤波电路进行中心频率为150Hz，放大倍数为1.034 16的滤波后，提取出其中的三次谐波分量，三次谐波分量和另一路电压信号一同经过峰值检测电路，最后输出为全泄漏电流对应电压峰值以及三次谐波分量对应电压峰值。

3避雷器泄漏电流测量系统测试

为了验证设计的测量系统的可行性，论文搭建了一个避雷器测量平台，如图4所示。平台主要包括试验变压器、杭州永德电气生产的YH5WZ4-51/134有机复合绝缘交流无间隙金属氧化物避雷器、微安表、本文设计的测量系统以及示波器、万用表等测量设备。

基于上述平台测量所得的全泄漏电流以及三次谐波分量对于电压波形如图4所示。图4中蓝色波形为全泄漏电流对于电压波形，其中基波分量比例较大，整体波形的频率以50Hz为主，三次谐波分量频率为150Hz。对系统测得的三次谐波分量进行傅里叶变换如图6所示，可看出论文设计的测量系统能够提取泄漏电流中的三次谐波分量。测量系统的峰值输出如图7所示。

图3　系统电路图

图4　避雷器测量平台

图5　全电流及三次谐波分量对应电压波形

图6　三次谐波分量傅里叶变换

图7　测量系统峰值电路输出

基于系统接入避雷器中的上电试验结果可看出，本文设计的测量系统实际测得的试验结果和波形基本满足理论设计及理论分析的要求，能够同于测量避雷器全泄漏电流及其三次谐波分量。

为了验证本文所设计系统的精度，根据DL/T987—2005中全电流测量误差试验以及阻性电流测量误差试验的要求，本文对整个测量系统进行误差试验。

(1)全电流误差试验，根据DL/T987—2005文件要求，系统的阻性电流测试上限0.4mA，全电流测试上限为2mA，根据DL/T987—2005标准中的全电流的误差试验规范，将标准信号发生器的阻性电流输出设置为测试系统阻性电流测量上限的1/2即为0.2mA。保持三次谐波分量为0.15mA和基波分量为0.5mA，根据标准需改变容性分量幅值分别为0.346、0.775、1.183、1.587、1.990mA，对应叠加后输出的全电流峰值分别为为0.4、0.8、1.2、1.6、2mA。基于上述设置，论文采用信号发生器按照式(1)的相位关系将容性电流和阻性基波、三次谐波叠加输出，串联1KΩ电阻形成回路。最后根据论文设计的参数对所测数值进行校正，系统输出如表1所示。根据表1试验所得数据可看出，全泄漏电流误差不超过0.5%，满足DL/T987—2005的误差全电流测量范围。

表1　全泄漏电流误差试验

(2)阻性电流误差试验，根据DL/T987—2005文件要求，首先将标准信号发生器的容性电流输出设置为测试系统全电流测量上限的1/2即为1mA，保持三次谐波分量和基波分量的比例在1∶3，改变阻性基波分量以及阻性三次谐波分量的幅值大小，输出阻性电流峰值为0.08mA、0.1mA、0.16mA、0.24mA、0.32mA、0.5mA、1mA。基于上述设置，论文采用信号发生器按照式(1)的相位关系将容性电流和阻性基波、三次谐波叠加输出，串联1KΩ电阻形成回路。最后根据论文设计的参数对所测数值进行校正，系统输出如表2所示。根据表2试验所得数据可看出，全泄漏电流误差不超过5%，满足DL/T987—2005的误差阻性电流测量范围。

表2　阻性电流误差试验

综上初步调试证明系统的输出性能稳定，整体在线测量系统的误差不超过DL/T987—2005 《氧化锌避雷器阻性电流技术测试仪通用技术条件》所规范的测量误差范围，因此论文设计的系统具备测量叠加频率的电流信号以及过滤三次谐波分量的能力。

4结语

本文分析了避雷器泄漏电流的标准波形，提出了使用电流互感器耦合的方式输出泄漏电流，再通过带通滤波器直接提取出泄漏电流中三次谐波分量，加以峰值检测电路，测得三次谐波分量峰值的避雷器泄漏电流测量系统方案。并且基于分析对系统进行搭建，利用实际避雷器对系统的可行性进行测试，试验结果表明本文设计的系统能够实现避雷器的全泄漏电流以及三次谐波分量的测量。为了验证系统精度论文在实验室标准波形发生器模拟DL/T987—2005 《氧化锌避雷器阻性电流技术测试仪通用技术条件》提出的误差试验方法进行测试，并对测试结果进行数学处理后，测试结果误差低于标准中所规范的误差上限。

基于上述测量结果该方法满足实际工程需要，后续可以配合带A/D转换功能的单片机电路和无线收发系统实现数据的远程传输。该方案加以完善可用于设计完整的避雷器泄漏电流在线监测系统。

参考文献：

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[10]秦松林．氧化锌避雷器泄漏电流的非线性特性、监测技术及状态判别 [OL]．[2012-10-8].http://www.paper.edu.cn/html/releasepaper/2012/10/43/

[11]B60-307．秦松林．不用参考信号的ZnO阻性电流测量[R]．济南：中国电机工程学会高电压专业委员会年会，2011.

(本文编辑：杨林青)

Study on Measurement Method of Leakage Current of Arrester

ZHANG Yi

(ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

Abstract:According to the standard waveform of lightning arrester leakage current recommended by 987-2005 DL/T standard, this paper designs a leakage current measurement system ,which based on the combination of the three harmonic components and the total leakage current. The whole system is based on the current sensor, current voltage conversion circuit, filter circuit, peak circuit to achieve the lightning arrester leakage current three harmonic component and the whole leakage current waveform processing. This paper set up the system, and test it according to the 987-2005 DL/T standard ‘s error test method. the test results meets with the acquirement of on-site measure. Therefore, the circuit designed in this paper can realize the measurement of leakage current of arrester.

Key words:MOA; third harmonic current; leakage current

DOI：10.11973/dlyny201603033

作者简介：张艺(1979)，硕士，副教授，从事电力工程管理及电气设备诊断研究。

中图分类号：TM862

文献标志码：A

文章编号：2095-1256(2016)03-0394-04

收稿日期：2016-04-10