基于阻性电流测试的数字型避雷器内部缺陷检测系统设计

阮昱川, 李达， 杨红伟， 史玉清， 保昕辰

(云南电网有限责任公司玉溪供电局， 云南，玉溪 653100)

0 引言

避雷器具有较好的非线性特性与保护性能，可以有效避免出现通过线路传来的雷电过电压以及操作导致的内部过电压现象[1]。为了缓解数字避雷器事故给电力企业造成的经济损失，必须保证数字避雷器的保护效果，这就要求对其内部缺陷进行检测，避免数字避雷器的绝缘失效[2-3]。

传统的数字避雷器内部缺陷检测需要依靠工作人员每天或每周观察电表进行检测，如文献[4]方法不能立即发现数字避雷器内部缺陷，一个检测周期内，对于具有内部缺陷严重的数字式避雷器，其高风险发生的概率较高，大大降低了电网运行的安全性，提高了电力系统的经济损失。通过对数字式避雷器内部缺陷的检测，可以及时发现并排除故障，消除数字式避雷器的高风险现象，为此设计阻性电流测试下数字型避雷器内部缺陷检测系统，有效检测数字型避雷器的内部缺陷，提升电网运行的安全性。

1 阻性电流测试下数字型避雷器内部缺陷检测系统

1.1 系统总体结构

阻性电流测试下三相数字型避雷器内部缺陷检测系统主要包含记录器、光电变送器与显示报警装置3个部分。三相数字型避雷器内部缺陷检测系统总体结构如图1所示。

图1 三相数字型避雷器内部缺陷检测系统

记录器即取样装置，在各组三相数字型避雷器的记录器中安装1个信号采集模块与放电计数器，利用数字化信号采集模块采集三相数字型避雷器泄漏电流的电信号并转换成光信号，利用放电计数器记录三相数字型避雷器放电次数，通过光纤将转换后的光信号与放电次数传至光电变送器。在一个冲击到来过程中[5]，电容以非线性回路的形式，在计数器线圈上实施放电，并记录三相数字型避雷器放电次数。安装取样装置过程中，需要在三相数字型避雷器的瓷套根部安装一个表面泄漏屏蔽环，用于避免三相数字型避雷器表面受潮导致电流泄漏，降低测量精度[6]。表面泄漏屏蔽环安装完成后，利用光线连接取样装置与光电变送器。

光电变送器负责转换所接收数字化信号采集模块转换后的光信号，将其转换为电信号，随后将电信号利用光缆传输到内部缺陷监测装置，以串口形式将实时数据传输至上层计算机[7]，用于相关部门分析三相数字型避雷器内部缺陷。

内部检测装置负责接收各三相数字型避雷器的泄漏电流测量数据与放电次数，利用谐波分析法在接收的泄漏电流测量数据中提取三相数字型避雷器的阻性电流基波分量，比较三相阻性电流基波分量是否具有很大差距并和上次阻性电流基波分量值对比，结合放电次数，按照《电力设备带电检测技术规范》确定该三相数字型避雷器是否具有内部缺陷及缺陷类型。一旦发现存在内部缺陷[8]便发出报警信号，利用网络将数据传输至主控中心，实现远方自动检测三相数字型避雷器的内部缺陷。

1.2 数字化信号采集模块

利用数字化信号采集模块能够保持三相数字型避雷器运行电压与电流信号采集的同步性，数字化信号采集模块的设计方案是通过传感器输出信号,无须经过某个环节，可直接将信号传输至前置信号调理单元，利用高精度A/D变换器转换成数字信号再经由电/光变换，利用光纤传输至光电变送器，提升采集三相数字型避雷器泄漏电流的精度。数字化信号采集模块的结构图如图2所示。

图2 数字化信号采集模块的结构图

数字化信号采集模块由远方子模块与本地子模块2部分组成，2个子模块间利用光纤实现连接。远方子模块安装于高压设备旁边，用于采集与处理设备一次侧电压以及电流信号，并将其转换为数字信号，随后实施电/光变换，利用光纤将光信号传输至光电变送器。

1.3 数字型避雷器泄漏电流分量提取方法

通过谐波分析法在接收的泄漏电流测量数据中提取三相数字型避雷器泄漏电流分量。谐波分析法提取三相数字型避雷器的阻性电流分量的原理如图3所示。

图3 谐波分析法原理图

谐波分析法的原理是在三相数字型避雷器绝缘状态变化情况下提升阻性电流，而现场电压会造成三相数字型避雷器的有功损耗，因此需要提升阻性电流内的基波分量。基波电压决定阻性电流基波分量，谐波电压不会影响阻性电流基波分量的提取，利用数字谐波分析与提取，接收的泄漏电流测量数据内的泄漏电流基波分量，将三相数字型避雷器电压相位作为基准，分解出阻性电流基波分量，按照阻性电流基波分量的相对变化量，依据《电力设备带电检测技术规范》判断三相数字型避雷器的内部缺陷。

提取阻性电流基波分量的具体方法如下：

令三相数字型避雷器运行电压ux符合狄里赫利条件，利用傅里叶级数将运行电压ux分解成电压直流分量与各次谐波分量的总和，计算公式如下：

(1)

令三相数字型避雷器泄漏电流ix符合狄里赫利条件，利用傅里叶级数将运行电压ix分解成电流直流分量与各次谐波分量的总和，计算公式如下：

(2)

其中，电压与电流的直流分量分别是U0与I0,电压与电流的各次谐波幅值分别是Ukm与Ikm,电压与电流的各次谐波相角分别是ηk与λk，k=1,2,…,∞。

因为电容电流分量iC=Cdux/dt+uxdC/dt，电容是C，通常情况下，三相数字型避雷器在小电流区电容变化较小，所以有dC/dt=0。

通过式(1)获取泄漏电流的容性分量，计算公式如下：

(3)

其中，ICk=kωCUkm，ω是谐波系数。

因为在同一谐波情况下，三相数字型避雷器的泄漏电流阻性分量与泄漏电流容性分量的相角之差是90°，第k次谐波电压的相位和第k次谐波阻性电流的相位一致，所以令第k次谐波阻性电流幅值是IRk，阻性电流的计算公式如下：

(4)

由于ix=iR+iC，因此将式(2)、式(3)与式(4)代入ix=iR+iC中，获取简化后的公式如下：

(5)

同时，在式(5)的两边乘上sin(nωt+ηn)，周期个数是n，在相同周期T中，取式(5)两边的定积分，公式如下：

(6)

在k与n相等且处于同一周期的情况下，按照三角函数定积分的正交特性简化式(6)中定积分不是0的对应项，简化公式如下：

(7)

利用三角函数的积化和差公式继续简化式(7)，获取以下公式：

(8)

通过三角函数正交特性获取如下公式：

(9)

即：

(10)

存在如下公式：

(11)

IRk=Ikmcos(λk-ηk)=Ikm[cosηkcosλk+sinηksinλk]

(12)

在式(5)的两头同时乘上cos(nωt+ηn)，在相同周期T中，取式(5)两边的定积分，同理在k与n相等且处于同一周期的情况下，按照三角函数定积分的正交特性简化定积分不是0的对应项，简化公式如下：

ICk=Ikmcos(λk-ηk)=Ikm[cosηkcosλk-sinηksinλk]

(13)

通过傅里叶级数展开ux与ix，利用FFT(fast fourier transformation，快速傅里叶变换)分解获取各次谐波后，依据式(4)与式(8)计算，得到三相数字型避雷器泄漏电流内的阻性电流基波分量与各次谐波阻性分量。

2 实例测试

以某省生产的用于变电站工控数据系统的数字信号防雷器为实验对象，以其在该变电站的年际结业报告中的数据为数据来源，利用本文系统在阻性电流测试下对该变电站的三相数字型避雷器实施内部缺陷检测。

应用该变电站工控数据系统控制的是已通过ISO 9001:2000国际质量体系认证的HY5WS-10/30DL-TB(10 kV)跌落式避雷器为测试对象，设工作电压233 kV，环境温度35 °C。运行后定期进行预防性试验、带电试验和红外测温，发现B相上节热像上高下低，初步判断避雷器内部可能受潮，存在缺陷，如图4所示。

图4 跌落式避雷器B相热像特征异常

基于图4，应用本文方法进行内部缺陷检测，其数字型避雷器内部缺陷检测系统的采集终端直接采集现场 TV (电压互感器)电压和数字型避雷器的漏电电流，以 TV电压为参考向量计算数字型避雷器的全电流及阻性电流等参数。

为了保证现场一次设备的完整性，采用穿芯式高精度零磁通电流传感器进行泄漏电流采集。每个避雷器上安装1个避雷器信号处理单元。采集到的电流信号经处理后传输至在线监测集中控制器，再传输至间隔集中控制柜内的避雷器监测IED。采集的电压信号传输至在线监测装置。综合分析数据后，通过PMS(生产管理系统)显示。

2.1 采集泄漏电流

利用本文系统采集正常工作中三相数字型避雷器的泄漏电流波形，并与真实的泄漏电流波形实施比较，三相数字型避雷器泄漏电流对比结果如图5所示。

(a) A相数字型避雷器泄漏电流

根据图5可知，本文系统采集的三相数字型避雷器泄漏电流波形与实际泄漏电流波形基本相同，误差很小可以忽略不计。实验证明,本文系统采集的三相数字型避雷器泄漏电流波形的准确性较高，可以为后续三相数字型避雷器内部缺陷检测提供精准的数据基础。

2.2 检测内部缺陷

利用本文系统对上述三相数字型避雷器的内部缺陷实施检测，首先利用本文系统在采集的泄漏电流测量数据中提取阻性电流测试下的三相数字型避雷器阻性电流基波分量与电压，并与该三相数字型避雷器在2016年首次投入使用时的阻性电流与电压的初始数据实施对比，对比结果如表1所示。

表1 对比结果

根据表1可知，在实施横向对比的情况下，本文系统能够检测出数字型避雷器的内部缺陷。

为进一步验证本文系统检测数字型避雷器内部缺陷的有效性，随机选取一个正常的三相数字型避雷器进行实验，利用本文系统检测正常情况下的三相数字型避雷器的阻性电流基波分量，之后在该三相数字型避雷器内部注入5 ml水，并将其放置30天后，利用本文系统检测注水后的三相数字型避雷器的阻性电流基波分量。2种情况下的检测结果如图6所示。

图6 2种情况下的检测结果

根据图6可知:三相数字型避雷器内部受潮时，其阻性电流基波分量会明显提升；在正常情况下，根据本文系统提取的阻性电流基波分量结合《电力设备带电检测技术规范》，可判断此时的三相数字型避雷器无内部缺陷，可正常工作；在注水后，根据本文系统提取的阻性电流基波分量变化幅度结合《电力设备带电检测技术规范》，可判断其存在内部受潮的缺陷。

3 总结

数字型避雷器属于电力系统中重要的保护设备，数字型避雷器的安全运行显得格外重要，因此设计阻性电流测试下数字型避雷器内部缺陷检测系统，有效检测了数字型避雷器的内部缺陷，为工作人员分析数字型避雷器运行状况提供关键及可靠的数据，提升了故障恢复处理的速度。