基于电容电桥法的避雷器泄漏电流分析方法研究

孙 磊，林 婷，陈 炯，王 玥，高 源

(1.国网浙江省电力公司检修分公司，杭州 215000；2.上海电力学院，上海 200090)

基于电容电桥法的避雷器泄漏电流分析方法研究

孙 磊1，林 婷2，陈 炯2，王 玥2，高 源2

(1.国网浙江省电力公司检修分公司，杭州 215000；2.上海电力学院，上海 200090)

为了了解避雷器在运行过程中流过电流的状态，提出了一种基于电容电桥的测量方法对其电流进行测量，并对各成分之间的关系进行了分析。结果表明，阻性三次谐波分量占阻性分量的1/4，约在全泄漏电流中占2.5%～5%。因此通过测量阻性三次谐波分量即全泄漏电流的大小可以对阻性分量进行预估。这为今后避雷器泄漏电流的在线监测提供了依据。

避雷器；泄漏电流；阻性分量

金属氧化物避雷器作为系统电气设备过电压的保护装置，其内部的氧化锌阀片在长期高电场的作用下会因老化而失效。因此，确保金属氧化物避雷器可靠运行具有重要意义。研究表明，随着运行时间的增加，避雷器阀片逐渐老化，其等值电阻也随之减少，此时流过避雷器阀片的阻性电流增大，可见避雷器阻性电流的大小是表征老化程度的特征参数。然而，在测量阻性电流过程中，避雷器的容性电流相对较大，阻性电流在全泄漏电流中所占的比重较小，这给阻性电流测量带来了困难[1-3]。

目前对于避雷器泄漏电流测量的方法有全泄漏电流法、基波法、补偿法、传统三次谐波法等，应用最广的是全电流测量。这些方法在实现对阻性电流测量过程中采用电流、电压信号之间的相位差来实现。但在实际中，由于阀片电阻的非线性导致阻性电流畸变，使电流信号零位偏移，造成测量不准确。针对上述问题，本文提出采用电容电桥方法实现对避雷器泄漏电流分析，为今后避雷器泄漏电流在线监测提供依据。

1 避雷器模型

避雷器阀片的模型由阀片电阻及其表面对地电容并联组成，其简化等值模型如图1所示。图2为避雷器泄漏电流相位关系示意图。

R——金属氧化物避雷器阀片等效非线性电阻；C——金属氧化物避雷器阀片等效固有电容；U——系统电压；I0——流过MOA的全电流；IR——金属氧化物避雷器的阻性泄漏电流；IC——金属氧化物避雷器的容性泄漏电流。图1 避雷器电路简化计算模型

图2 避雷器泄漏电流相位关系

由图2可看出，不考虑电网谐波干扰时，阻性泄漏电流相位滞后容性泄漏电流90°。流过氧化锌阀片上电压和电流的关系表达式为U=Iα，其中K为常数与阀片的具体参数和特性有关，α为非线性系数。随着避雷器阀片的老化，阀片的伏安特性曲线会逐渐右移，如图3所示。

图3 避雷器阀片老化前后伏安特性对比

2 电容电桥法测量电流理论

电容电桥法需要提供一个理想的高压电容器[4-6]，理论上电容值需要和避雷器的等效电容相等。利用标准电容补偿的原理图如图4所示，将高压电容与避雷器并联在同一高压侧，从同一自耦变压器获得的参考容性电流与避雷器中泄漏电流容性分量大小相等，相位一致失真也一致，可达到完全补偿的目的。I和Ua、IC′和Ubs之间的转换比例是线性，可以通过控制原理图中转换模块的等效电阻Ra和Rb来改变。即Ua=IRRa+IcRa,Ub=IC′Rb,且IcRa和IC′Rb相位相同。调整Ra和Rb到适当比例使得数值上IcRa=IC′Rb，那么两个电阻之间的电压差即Uab=UR。即可以实现参考容性电流信号完全补偿全泄漏电流信号中的容性电流分量，从而实现提取阻性分量的目的。

图4 标准电容补偿法的电路原理图

为了接近上述完全补偿的效果，实际运行中通常采用电流互感器耦合的方式将避雷器泄漏电流及参考容性电流提取出，再通过运算放大器构成电流电压变换模块，将全泄漏电流、参考电容电流信号转换成其对应的电压信号，调节变换模块中电阻的大小，最后经由减法器就可以提取全泄漏电流中的阻性分量电流。

3 电容电桥法测量电路设计

电容电桥法阻性电流测量系统包含功能模块、电源模块两部分。功能模块由电流互感器、电流电压转换电路、减法器组成。

(1)电流信号的提取主要通过将泄漏电流信号通过互感器的一次侧感应到二次侧后转换成电压信号，方便后续电路处理。论文选择了DHP75AD系列的1∶1电流型电压互感器，该互感器的核心是一个精密的2 mA/2 mA的电流互感器，采用高导磁铁芯环氧灌封，具有精度高、线性度好、安全可靠、体积小、重量轻等优点。

由本研究的采用的放大器构成电流电压转换电路，芯片选择TI公司的LMC6022，利用有源的方式转变电流信号，由于放大器的输入阻抗几乎为零，因此避免了电流在接入点产生压降的问题，比直接采用电阻并联放大的方式输出的波形更加接近真实波形，电流提取电路原理图如图5所示。D1、D2用于保护运行放大器不会因为浪涌电压的输入而被破坏，选用了TVS瞬态抑制二极管P6KE6.8C。瞬态抑制二极管是一种高性能的保护二极管，并联于放大器两端，若输入电压突然增大，二极管能够瞬间将由高阻抗变为低阻抗，迅速将浪涌功率吸收消耗，稳定输入电压，从而避免后续电子线路中的放大器等精密元器件受到各种瞬态高能量的破坏。

C1、R2用于相位补偿，通过调整C1可以减小相角差。R1用于调整电流信号转换电压信号的放大比例，通过调节R1的大小可以得到需要的输出电压值，即：

UOUT=IIN×R1

(1)

但是R1的大小受芯片的闭环增益限制，在芯片对电流的放大倍数应保持在芯片的线性工作范围内，否则会造成波形的畸变和不稳定。

图5 电流提取电路

(2)减法器同样采用LMC6022放大器搭建，模块原理如图6所示，传递函数如式(2)所示，令R1=R2=R3=R4，则U2=U0-U1此时减法器的输出电压即为两输入电压的差值。

(2)

图6 减法器电路

4 电容电桥法电路调试

根据上述电路分析，对电容电桥测量电路进行了设计和制作，为了了解系统的测试效果，搭建了一个补偿法测量避雷器阻性电流的系统并进行试验。试验搭建的连接图如图7所示，主要由试验变压器、10 kV 100 pF高压标准电容、杭州永德电气生产的YH5WZ5-51/134有机复合绝缘交流无间隙避雷器、微安表、补偿法测量电路组成。试验中全泄漏电流信号由试验变压器串联避雷器产生，参考容性电流由3个10 kV 100 pF高压标准电容与试验升压变压器串联产生。通道1输出避雷器全泄漏电流对应的电压波形；通道2输出参考容性电流对应的电压波形；通道3输出试验得出的阻性电流对应的电压波形。测量结果如图8所示。

图7 系统搭建连接图

图8 阻性电流和阻容性电流对应波形

图9 加压后阻性电流和阻容性电流对应波形

通过试验结果可看出，该方法可实现避雷器阻性电流的测量，试验波形可看出此时阻性电流和全泄漏电流波形相位相差小于但接近90°。定量角度可看出理论上阻性电流占全泄漏电流的10%～20%，试验所得避雷器泄漏电流中全泄漏电流和参考容性电流幅值均为阻性泄漏电流的8倍左右，试验结果与实际基本相一致。波形频率以50 Hz为主，由于阻性分量中含有比例相对较大的三次谐波分量，因此试验所得阻性电流波形波峰和波谷处存在一个明显的尖顶。随着避雷器承受的电压增大，阻性电流分量的波峰尖顶更加突出如图9所示，氧化锌阀片的伏安特性由小电流区进入大电流区，三次谐波分量的增大越发明显，符合DL/T 987—2005 《氧化锌避雷器阻性电流技术测试仪通用技术条件》中提出的标准波形公式[7]。

5 结语

通过对避雷器泄漏电流的分析，设计和搭建了基于电容电桥原理的避雷器泄漏电流测量系统，由测量结果及其分析可以得出如下结论：

(1)基于电容电桥法原理所设计的电路可实现对避雷器泄漏电流中容性电流的分离，阻性电流的提取；

(2)通过对阻性电流的提取可以看出，由于阀片电阻的非线性导致阻性电流中含有不同次谐波分量，以3次谐波为主；

(3)通过对阻性电流中3次谐波和基波的分析可知，阻性基波分量是阻性分量的3/4倍，阻性3次谐波分量是阻性电流的1/4倍，在全泄漏电流中占2.5%～5%。这与DL/T 987—2005 《氧化锌避雷器阻性电流技术测试仪通用技术条件》中提出的标准波形公式相一致。

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[7]中国电力企业联合会.DL/T 987—2005 氧化锌避雷器阻性电流测量仪通用技术条件[S].北京：中国电力出版社,2006．

(本文编辑：杨林青)

Analysis of Arrester Leakage Current Based on Capacitance Bridge Method

SUN Lei1, LIN Ting2, CHEN Jiong2,WANG Yue2, GAO Yuan2

(1.State Grid Zhegjiang Electric Power Corporation, Maintenance Branch, Ningbo 215000,China; 2.Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

In order to understand the current flowing through the arrester under high AC voltage, a measurement method based on capacitance bridge is proposed to measure the leakage current, and the relationship between the components is analyzed. The results show that the resistive three harmonic component accounts for 1/4 of the resistive component, and accounts for about 2.5%～5% of the total leakage current. Therefore, the resistance component can be estimated by measuring the resistance three harmonic component. This research aims to provide a new method for the on-line monitoring of the arrester leakage current in the future.

arrester；leakage current；resistive component

10.11973/dlyny201704003

孙 磊(1982—)，男，工程师，从事电力系统运行检修工作。

TM862

：A

：2095-1256(2017)04-0383-04

2017-06-05