（检测技术与自动化装置专业论文）氧化物避雷器性能无线检测方法的研究与实现.pdf

摘要 氧化物避雷器( m o a ) 在电力系统中有着广泛的应用，由于其阀片长期承受 工频电压作用导致性能劣化，绝缘特性遭到破坏而失去保护作用，严重时甚至引 起避雷器的爆炸。为了保证电力系统的安全运行，对运行中的m o a 必须进行定期 可靠的检测，及时发现避雷器受潮、老化或其它隐患，避免事故发生。目前国内 外公认的有效m o a 性能检测方法是利用有线方式从p t 线上获得电压信号采用阻 性电流法或相角差法检测，而实际中多数避雷器的安装位置与变电站距离较远， 很难获得电压参考信号，这样就无法直接采用阻性电流法或相角差法对m o a 性能 进行准确检测和诊断。 为了更安全、更可靠和更方便地对a 进行性能检测，本文提出了一种m o a 性能无线检测新方法。该方法采用基于场强法的非接触方式获得高压输电线路的 电压相位信号，真正实现了阻性电流法和相角差法对m o a 性能的直接带电检测。 该方法已获得国家实用新型专利，同时申请了国家发明专利( 已受理) 本文在研究了相角差法诊断m o a 性能优劣的原理和基于场强法的高压输电 线路电压信号的无线检测方法的基础上，重点实现了氧化物避雷器性能无线检测 方法，并利用a t m e g a l 2 8 完成了检测装置的系统设计与调试，解决了测量精度和 抗干扰等关键问题。 经调试，该检测装置能够对m o a 的相位差、全电流和阻性电流进行可靠的高 精度检测，并可以将测量结果显示、存储和打印，同时具有对历史数据进行查询 和打印的功能。现场实验表明利用装置检测的数据可以对m o a 性能优劣做出安 全、方便、准确和可靠地诊断，证明了氧化物避雷器性能无线检测方法的可行性。 本文得到常州市科技攻关资助项目( c e 2 0 0 6 0 8 7 ) 的资助。 关键词：氧化物避雷器、场强法、相角差法、全电流、阻性电流 a b s t r a c t m e t a lo x i d es u r g ea t t e s t e r ( m o a ) i sw i d e l ya p p l i e di nt h ep o w e rs y s t e m i n p r a c t i c e , m o ab e a r st h es y s t e mv o l t a g ea ht h ey e a rr o u n d , r e s i s t a n c ec u r r e n tw i l l i n c r e a s ea n dg e n e r a t eh e a t ，p e r f o r m a n c eo fm o a m a yb e c o m em o r ei n f e r i o r , a n d e v l 。ni tm a yl e a dt oe x p l o s i o na c c i d e n t s oi ti sn e c e s s a r yt od e t e c tp e r f o r m a n c eo f m o ap e r i o d i c a l l y a tp r e s e n t ，i ti s a c k n o w l e d g e d , a th o m ea n da b r o a d , t h a t d e t e c t i o nm e t h o df o rp e r f o r m a n c eo fm o ai st h er e s i s t a n c ec u r r e n tm e t h o do rt h e p h a s ed i f f e r e n c em e t h o d , g e t t i n gr e f e r e n c ev o l t a g es i g n a lf r o mp tl i n ew i t hw i r e d m o d e h o w e v e r , i np r a c t i c e , m o s to fm o ai n s t a l l a t i o np o s i t i o ni st o of a ra w a yf r o m t h ee l e c t r i cs u b s t a t i o n s i ti sd i f f i c u l tt oo b t a i nr e f e r e n c ev o l t a g es i g n a la n da d o p t t h ed e t e c t i o nm e t h o do fr e s i s t a n c ec u r r e n to rp h a s ed i f f e r e n c e i no r d e rt od e t e c tp e r f o r m a n c eo fm o am o r es a f e l y , m o r er e l i a b l ya n dm o r e c o n v e n i e n t l y , t h es u b j e c tp u t sf o r w a r dan e w w i r e l e s sd e t e c t i o nm e t h o d b a s e do n t h ef i e l ds t r e n g t hm e t h o d , t h en e wm e t h o do b t a i n sr e f e r e n c ev o l t a g es i g n a lb y u n t o u c h e dw a y , r e a l l yr e a l i z e sa p p l i c a t i o no ft h er e s i s t a n c ec u r r e n tm e t h o do rt h e p h a s ed i f f e r e n c em e t h o dt od i r e c t l yd e t e c tp e r f o r m a n c eo fm o ao n l i n e n o w , t h e m e t h o dh a sg o tas t a t ep a t e n tf o ru t i l i t ym o d e l o ：z l2 0 0 5 2 0 1 1 2 3 9 4 6 ) ，a n dh a s b e e na p p f i e df o r t h en a t i o ni n v e n t i o np a t e n tq m ：2 0 0 5 1 0 0 8 2 8 2 6 8 ) t h es u b j e c ta n a l y z e dh o wt ou s ct h ep h a s ed i f f e r e n c em e t h o d s t u d i e dt h e m e t h o do f o b t a i n i n g r e f e r e n c e v o l t a g es i g n a ld i r e c t l y f r o m h i g hv o l t a g e t r a n s m i s s i o nl i n eb yw i r e l e s sw a y , m a i n l yi m p l e m e n t e dt h ew i r e l e s sd e t e c t i o n m e t h o df o rm o ap e r f o r m a n c ea n dc o m p l e t e dt h ed e s i g na n dd e b u g g i n go f d e t e c t i o nd e v i c es y s t e mb a s e do na t m e g a l 2 8 a tt h es a l l l et i m e , t h es u b j e c tf u r t h e r s t u d i e da n ds o l v e dt h ek e yi s s u e so fm e a s u r e m e n ta c c u r a c ya n da n t i - i n t e r f e r e n c e a f t e rd e b u g g i n g , t h ew i r e l e s sd e t e c t i o nd e v i c e 啪r e l i a b l yd e t e c tp h a s e d i f f e r e n c e , t o t a lc u r r e n ta n dr e s i s t a n c ec u r r e n tw i t hh i g hp r e c i s i o n , d i s p l a y , s t o r a g e a n dp r i n tt h ed e t e c t e dr e s u l td a t a m e a n w h i l e , t h ed e v i c eh a sf u n c t i o n so fq u e t i n g a n dp r i n t i n gt h eh i s t o r i c a l 纰t h ef i e l de x p e r i m e n tp r o v e st h a tt h ed e v i c ec a n d e t e c tp e r f o r m a n c eo fm o av i at h er e s u l td a t ad e t e c t e db yt h ed e v i c es a f e l y , c o n v e n i e n t l y , a c c u r a t e l ya n dr e l i a b l y , a n ds h o w st h ef e a s i b i l i t yo ft h ew i r e l e s s d e t e c t i o nm e t h o df o rp e r f o r m a n c eo fm o a t h i ss u b j e c ti sat a c k l ek e yp r o b l e mi n s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fc h a n g z h o u ( c e 2 0 0 6 0 8 7 ) k e y w o r d s ：m e t a lo x i d es u r g ea t t e s t e r 、f i e l ds t r e n g t hm e t h o d 、p h a s ed i f f e r e n c e m e t h o d 、t o t a lc u r r e n t 、r e s i s t a n c ec u i t c n t 学位论文独创性声明： 本人所呈交的坐位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者c 签名，： 生聋蕾碌弓月巧日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘 版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文本人电子文档的内容和纸质论文的内容 相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部 分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 盔晕鱼 埘年 ；月 巧日 河海大学工学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 避雷器是一种重要的过电压保护电器，担负着限制雷电过电压和操作过电压 的双重保护任务，其正常运行对保证电气设备的安全运行和电力系统的安全供电 起着重要作用。传统的避雷器是由放电问隙和碳化硅阀片电阻构成的。2 0 世纪 7 0 至8 0 年代间，一种新型的以氧化锌为阀片原料的无间隙氧化物避雷器( m e t a l o x i d es u r g ea r r e s t e r ，简称m o a ) 问世，它具有优越的保护性能，并且性能稳 定，抗老化能力强，能适应严重污染和高海拔地区，以及g i s 等多种特殊需要。 m o a 已经成为避雷器发展的主要方向，并有逐渐取代传统的带间隙避雷器的趋 势。 氧化锌阀片具有优越的非线性特性，在正常工作电压下电阻很高。实际上相 当于一个绝缘体，因此可以不用串联火花间隙来隔离工作电压；在过电压作用下， 其电阻很小，残压很低。正常工作电压下，流过氧化锌电阻片的电流仅为微安级， 然而由于阀片长期承受工频电压作用而产生劣化，引起电阻特性变化，导致流过 阀片的泄漏电流增加，致使避雷器绝缘特性遭到破坏而失去保护作用另外， 由于m o a 本身结构不良或密封不严等使内部构件和阀片受潮或污秽等，也会导致 运行中m o a 泄漏电流的增加。泄漏全电流中阻性分量的急剧增加( m o a 功率增加) 会使阀片温度上升而发生热崩溃，严重时甚至引起m o a 的爆炸事故，而一旦发生 m o a 事故，后果很严重。国内外因m o a 绝缘性能下降引起电力事故的例子并不少 见，造成较大经济损失，带来很多负面影响埘，因此对m o a 的可靠性能检测已成 为一个引人注目的问题。为能够及时发现m o a 受潮、老化或其它的隐患，避免事 故发生，一方面要强化质量管理，提高m o a 产品可靠性；另一方面应经常对m o a 的性能和绝缘特性进行检测，以便在发现异常后及时采取预防措施消除事故隐 患，保证其在良好的状态下运行。为保证电力系统安全运行，必须对运行中的 m o a 进行定期检查，监测和检测其性能状态。 m o a 性能检测是近年来国内外同行研究的重要课题之一，在线带电检测更是 现在国内外关注的焦点问题，其研究成果的进一步突破对电力系统的安全运行有 着深远的意义。 目前国内外的高压电力系统检测设备向着更安全、更可靠和更方便使用的方 向发展，传统的有线检测方式存在着拖线长、高压爬电或绝缘难以实现等诸多问 题，操作过程复杂，安全性差。因此，如何真正实现无线方式来解决电力系统中 相关参量的安全和方便检测问题已引起了人们的高度重视。 河海大学工学硕士学位论文氧化物避雷器性能无线检测方法的研究与实现 为了更安全、更可靠和更方便地对m o a 进行性能检测，本文在检测方法上进 行了创新，提出一种m o a 性能无线检测新方法，并基于此方法设计和实现了一种 m o a 性能检测装置。本文的研究将为m o a 制造厂和科研单位用于其相关研究以及 m o a 运行部门在线检测其性能带来极大的方便，同时其深入研究也必将为电力系 统其它相关参量的无线检测提供重要的理论和实际指导意义。 1 2 氧化物避雷器特点及工作原理 为了对m o a 进行有效的性能检测，首先必须对检测对象有一个充分的了解， 下面本文将对m o a 的特点及工作原理做一个简单的论述，以明确检测的内容和目 标。 1 ) 氧化物避雷器特点 m o a 的结构主要由瓷套、阀片和绝缘构架等部分组成，其中重要基本结构就 是阀片。阀片以氧化锌为主要成分，并添加少量的金属氧化物，将其充分混合后 经过特定工艺过程而制成。这种阀片具有优良的非线性和较大的通流容量，由于 阀片是由金属氧化物组成的，所以称为氧化物避雷器。 m o a 具有优良的非线性特性，可以做成无间隙避雷器，在工作电压作用下， 氧化锌阀片实际相当于一个绝缘体，不会使其烧坏。m o a 由于无间隙，因而对波 头陡的冲击波能迅速响应且放电无延迟，限制过电压效果很好，既提高了对电力 设备保护的可靠性，又降低了作用于电力设备上的过电压。m o 无续流，只有当 作用到氧化锌阀片上的电压达到其起始作用电压时，才发生“导通”，“导通”后， 氧化锌阀片上的残压与流过其中的电流大小基本无关而为一定值，当作用电压降 到动作电压以下时，氧化锌阀片“导通”状态终止，又相当于一个绝缘体。m o a 由于无续流，使动作后通过的能量很小，对重复雷击或操作波等短时间可能重复 发生的过电压保护特别适用。 m o a 除上文所述具有无间隙、无续流和电气设备所受过电压降低等优点，还 具有通流容量大、体积小、重量轻、结构简单、运行维护方便、使用寿命长、以 及因无续流熄弧问题，可运用于多雷区和多重雷区等优点埘。 2 ) 氧化物避雷器阀片等值电路 m o a 阀片的电特性可用图卜1 所示的等值电路表示“1 ，图中，为z n o 晶粒 本体的电阻；c 为晶界层的固有电容等效电容；r 为晶界层的等效非线性电阻： i 。为全泄漏电流；i 。为容性泄漏电流；i 。为阻性泄漏电流。其中非线形电阻r 随 阀片外施电压u 的变化而变化，当u 小于某电压值( 称为阀片的拐点电压) 时， 阀片呈现很大的电阻，阻值变化很小；而当u 超过拐点电压时，非线形电阻r 2 河海大学工学硕士学位论文第一章绪论 阻值减小很快，阻性电流值迅速增加。m o a 晶界层的相对介电常数可达5 0 0 2 0 0 0 ， 使阀片具有相当大的电容量，在运行中流过阀片的电流主要是电容电流。当u 低于拐点电压时，晶界电容c 变化很小，可视为常定值；当u 超过拐点电压时， m o a 晶界电容增加较快。 i c 图卜1 金属氧化物阀片的等值电路 3 ) 氧化物避雷器的伏安特性及工作原理分析 当流过m o a 的电流i 已知时，为计算其压降u ，可令 u = a i 。( o ( a 1 ) ( 卜1 ) 对式( 卜1 ) 进行变换，可得己知压降u 时计算i 的表达式 b ( 罢广= ( 昙) - = b u c ，8 = 三i ，r ( 2 ) 一1 ，i 。= l 。相邻的两个奇次( n 丘：里坚 ( 1 5 ) i r n b + n 例如，a = 。1 2 5 ，b = 8 ，i 。= 云i 。i c 、i t 与电压信号u 间的关系如1 4 图所示。 目前，检测m o a 的方式主要有周期性停电预试和在线带电测试和检测。 周期性预防试验一般在停电状态下进行，是电力系统最早使用的较为普遍的 5 河海大学工学硕士学位论文氧化物避雷器性能无线检测方法的研究与实现 检测手段。目前对于周期性预防试验，主要的试验项目是直流实验，测量避雷器 直流l m a 下临界动作参考电压u 。和7 5 的u ，。下的泄漏电流，通过试验可以检查 其阀片是否受潮，确定其动作性能是否符合要求“。 这种测试方法的优点是测量结果较为准确可靠，缺点就是必须要使避雷器停 电试验，过程也较麻烦，不方便；试验过程有可能需要解开避雷器引线，操作起 来费时费力；更为重要的是，随着电网容量的迅猛扩大，新建及扩建大量变电站， 使得需要维护的电力设备剧增，若进行停电预试，必然带来很大的困难和经济损 失，特别是实际中有时无法进行，于是结合实际需求出现了在线带电检测与诊断 方法 在线带电检测m o a 可以在不停电的情况下随时了解m o 的运行性能，及时发 现异常现象和事故隐患，以采取有效预防措施，防止事故发生或扩大造成更大的 经济损失，保证其在良好的状态下运行，这是目前国内外关注的焦点问题。m o a 在线检测主要是监视阀片是否受潮或老化，检测方法主要有全电流法、阻性电流 法、温度法和相角差法等嘲1 哪。 1 ) 全电流法 全电流法是指在m o a 底部与地之间串接全电流监测装置，可以对运行中的 m o a 实行连续的在线带电监测。测量时，可采用交流毫安表，也可用经桥式整流 器连接的直流毫安表。目前国内许多运行单位使用m f - 2 0 型万用表( 或数字式万 用表) 并接在动作计数器上测量全电流。该方法的主要优点是方法简便易行，适 用于在现场大量推广使用，能够及时发现m o a 的受潮显著劣化状况；缺点是对发 现m o a 的早期老化很不灵敏，阻性分量即使已有显著增大，但在测量全电流自唆 化时仍不明显，只有当m o a 已严重受潮时，阻性电流分量才进一步变大，增大几 倍后，全电流才可以明显地被分辨出来，往往当电流增大到2 3 倍时认为已达 到危险界线。 根据实际需求，本项目研究过程中采用全电流监测法，设计了一种m o a 在线 带电监测器，详见已发表论文 2 1 。该监测器结合实际需要进行仪器电路设计， 是一种符合实际的实用型仪器装置，已在电力系统现场大量推广并安装使用，但 是对发现m o a 的早期老化仍然不灵敏。 2 ) 阻性电流法 质量好的m o a ，早期的事故较少，要有问题也往往是由受潮引起的，这时， 以在线检测流过m o a 的全电流方法最为简单，但是此方法对发现m o a 的早期老化 不灵敏。i 。是无功分量，通过阀片不会构成功率损耗，i r 是有功分量，它是导致 阀片发热的成分。为了能够发现m o a 的早期老化，较好的方法是对i t 或由此产 生的功耗p 实行在线检测，所以目前电力部门普遍采用阻性电流法检测m o a 性能， 6 河海大学工学硕士学位论文第一章绪论 诊断其绝缘状况。 在m o a 刚投运时，一般应测取泄漏电流的初期电流值，以作为诊断运行中泄 漏电流是否变化的依据，一般将测量值与初始值比较，若阻性电流分量增加到初 始值的两倍时，应停止运行m o a 阻性电流法在线检测要解决的关键技术是如何 从容性电流为主的总电流中分离出微弱的阻性电流，方法相对较复杂，但更有利 于m o a 的性能检测，对发现早期的老化比较灵敏。于是m o a 阻性电流法可根据 阻性电流获取方法的不同分为两大类，一是不需要电压参考信号的检测方法；二 是需要电压参考信号的检测方法。 在不获取电压参考信号的前提下获取阻性电流，对m o a 性能优劣进行检测和 诊断，主要方法有以下几种： ( i ) 瞬时法 在m o a 等效电路( 图卜i ) 中，相对比较小，可以忽略掉，则将阀片看作为 r 和c 相并联，外施正弦交流电压u 当电压信号过零时，i f o ，电流信号为电 容电流i a 当电压信号达到波峰时，i c = o ，电流信号为阻性电流i 。( 如图1 - 4 所 示) 。对于这种方法，准确找出信号的过零点比较困难，同时由于条件限制很可 能影响到检测的精度和准确性。 ( 2 ) 三次谐波法 由于m o a 的非线性特性，即使外施电压是正弦的，全电流也是非正弦的，它 包含有高次谐波。使用m o a 电流测试仪测量m o a 中的三次谐波电流，可以推出阻 性电流，理论上使用这种方法测量较为方便，可根据式( 卜5 ) 进行计算。上海 电动工具研究所生产的s d - 8 9 0 1 型m o a 泄露电流测试仪即采用这种方法原理嘲 该方法特点是较简单，无需引入电压参考信号。因为测的是三次谐波电流 i 故需经修正后方可得到阻性电流i l 。但是作为在线检测的诊断依据，重点 在作纵向比较，即观察各电流的变化趋势，因此对修正的准确度影响不大。电网 谐波仍是影响检测结果可靠性和重复性的主要原因。此外，相间干扰也会使a 相和c 相的读数偏大，因为部分杂散电容电流也会流经阀片。可见该方法缺陷有： ( 1 ) 母线电压中含有一定比例的谐波电压，由此产生的容性谐波电流对测量结 果会产生误差。当电力系统中谐波分量较大时，常会遇到困难，难以作出正确的 诊断；( 2 ) 不同类型m o a 老化后的阻性电流高次谐波分量变化规律不一样，要准 确诊断m o a 的老化难以定出统一标准。 ( 3 ) 基波法( 谐波分析法) 在正弦交流电压作用下，由于阀片的非线性特点而使阻性电流分量含有三次 和五次谐波分量。从电路理论可知只有同频的电压和电流才能消耗功率，不同频 率的电压和电流不会消耗功率，这正是三角函数的正交性质所决定的。由此可 7 河海大学工学硬士学位论文 氧化物避雷器性能无线检测方法的研究与实现 知，使阀片发热做功的仅是阻性电流i 。中的基波分量i r 。，不同避雷器的i 。尽管 相同，但若i 。，不同，其发热情况也就不同，故实际上i 。才是m o a 劣化的关键指 标。另外，当电网中含有谐波时，会从幅值和相位两方面影响阻性电流测量值， 故谐波状况不同，阻性电流( 峰值) 的测量结果会相差很甚大，如果只检测i r l ， 则可避免谐波对测量的影响，即不论电网电压所含谐波量如何，i 。，总是一定值。 为此，可采用全数字化测量和谐波分析技术从总泄露电流中分离出i 。，同时也 可用软件计算出由于相间杂散电容的耦合，造成两个边相避雷器底部泄露电流相 位发生变化的相移角，以便进行修正。此方法“以软代硬”，大为减少监测系统 的硬件，避免了由于硬件性能不良对检测带来的影响，可提高系统的可靠性御。 基波法即是通过采用数学谐波分析技术从总泄漏电流中分离出阻性电流的 基波值，并以此来诊断m o a 的健康状况。它的显著特点是：( 1 ) 尽管有效抑制了 电网电压中的谐波干扰，阻性电流的大小主要取决于m o a 的老化状况，但因电网 电压谐波含量不同，总阻性电流的测量结果就不同，准确掌握电网中的谐波含量 信息较困难，阻性电流的基波值分离并不简单；( 2 ) 基波功耗虽然反映了m o a 的健康状况，但是在存在相间干扰等干扰时，得到的基波功耗值并不是实际值； ( 3 ) 对于相问干扰对测量值的影响尽管可以采用数字谐波分析技术，测出此移 相角并加以校正，但是方法和算法较复杂；阻性电流的变化总量相对于总泄露电 流来说很小，其前后比较的数字差别不是很大，对于对m o a 性能优劣的诊断会造 成一定的困难；对测量仪器的精度要求较高，达到要求很困难”1 ( 4 ) 零序电流法 若在m o a 的三相总接地线上监测三相总电流，则i c 和i l ，因三相平衡而抵消， 故测得的是三次谐波的三倍值，即i 。= 3 i 1 3 。由于i 。和k 之间有一定的比例关系， 故还可得出总的阻性电流的大小( 峰值) 。当m o a 正常运行时，i 。，较小；当一相 或几相m o 故障时，三相电流不平衡，i i 会显著增加，且含有基波分量。测量三 相m o a 的零序电流，是三次谐波法的特殊形式。当三台m o a 均为同一类型且均正 常时，测得的三相基波之相量和接近于零，但m o a 阀片为非线性元件，因而即使 三相电源电压正弦且平衡，仍有三相三次谐波电流之和可以测出。只要三相m o a 不是同步老化的话，就可以采用此法来发现缺陷。该方法的特点是简单，但无法 区分是哪一相发生故障。此外，当系统电源本身含有谐波分量时会出现i 。，该 8 河海大学工学硕士学位论文 第一章绪论 电流分量与i r ，叠加后会使i 0 比实际阻性电流值要大，造成误判。 可见，以上几种检测方法无需引入电压信号，方法方便易行，但检测的精度 和准确性难以把握。 要从全电流中准确分离其阻性分量，目前公认的比较准确有效的方法是，取 m o a 端电压来作为参考信号，测试采用双输入型，同时输入电压和电流信号，通 过两者的相互关系来求得阻性电流。对此，目前国内外普遍采用有线方式从被测 相p t 二次侧获得电压信号，通过带电测量m o a 的全泄漏电流和阻性泄漏电流来 诊断m o a 是否劣化，常用方法主要有以下几种： ( 1 ) 补偿法 补偿法的基本原理就是抽取系统电压补偿总泄漏电流中的容性电流分量，以 得到阻性电流分量i 。具体方法一般是把所取得的电压信号u s 经移相器前移9 0 度相位( 与i 。的电容电流分量i 。同相) 后得，再经放大后与i 。一起送入差分放 大器，在差分放大器中，u 。乘上一个具有电导量纲的系数g ，将g 如与i 。相减， 并由反馈器反馈到控制器，调节g 值使( g u 旷i c ) 的差值为零嘲嘲典型应用就是 我国引进最多的日本l c d - 4 型阻性电流测量仪 国内依据上述原理研制开发出多种阻性电流在线检测仪，但在实际应用中这 种方法和仪器依然存在着很多问题，主要有：( 1 ) 钳形电流互感器的磁芯质量很 重要，要保证不因各次钳合时由于电流互感器铁芯励磁电流变化而引起比差，特 别是角差的改变，并需要采用良好的屏蔽结构以尽量减小在变电所里实测时外来 干扰的影响，对电流互感器的要求较高，成本也较高；( 2 ) 如果对单支m o a 施加 波形良好的电压，测得的阻性电流较为精确，但三相运行时则存在着问题；( 3 ) 采用有线方式；( 4 ) 三相m o a 一字型安装，由于相问耦合电容和电磁干扰，从而 影响检测结果的准确性；( 5 ) m o a 非线性支路的交流伏安特性曲线在电压和电流 过零的情况下不同程度地存在着滞回现象，这说明在电网电压为正弦函数波形 时，流过m o a 的电流波形峰值与电压波形峰值不重合，电流波形呈现奇谐函数 的形态，测出的阻性电流存在较大误差；( 6 ) 当电网电压含有谐波成分时，此法 不能去除容性谐波电流，造成阻性谐波电流误差 ( 2 ) 投影法 测量m o a 阻性泄漏电流比较精确的一种常用方法就是电压投影法，基本原理 就是从被测m o a 中取总电流信号，再取一个与被测m o a 两端电压同相的电压信号， 总电流在电压矢量上的投影，即是m o a 的阻性电流。 在现场测量时，经常选择电压互感器的电压作为参考相位，测量流过m o a 的泄漏电流( i o 和泄漏电流与施加在避雷器两端电压之间的角度差( 驴) ，根据公 式i f i x c o s p 计算泄漏电流在避雷器两端电压上的投影，即可求得泄漏电流的阻 9 河海大学工学硕士学位论文 氧化物避雷器性能无线检测方法的研究与实现 性分量( i | ) 和泄漏电流( 1 1 ) 。但这种方法存在缺陷，特别是：( 1 ) 在实际当中， 由于相间干扰、谐波干扰或者带电体电场等的影响，测得的妒和i 。往往其结果并 不是实际值，为w o a 的诊断造成了一定的困难，容易产生误判；( 2 ) 同时由于阻 性电流值非常小，变化值相对也很小，给准确测量造成很大困难；( 3 ) 采用有线 方式；( 4 ) 阻性电流值的大小受电网电压波动影响很大 可见，以上两种方法存在两个主要共同问题：( 1 ) 采用有线方式带电检测， 拖线长，操作很不方便，且高压操作具有一定的危险性；( 2 ) 电压参考信号来自 被测相p t 二次侧。属间接获取信号，参量容易畸变产生误差，并且有时避雷器 与变电站距离较远无法获得电压信号 3 ) 温度法 国际上，采用双a t 法和基于温度的测量法实现m o a 的总泄漏电流监测技术 已问世。基于温度的测量法是将温度传感器放在避雷器内部，通过无线方式向外 接收装置发送温度信号，传感器采用无源声表面波( s a w ) 温度传感器，该方法对 于正在制造且准备安装在线监测的m o a 很有用途，但对于已投入电网安全运行的 m o a 却无法应用“1 。 除以上方法，另外还可以进行远红外线带电检测，它是用红外探测仪检测被 测目标的红外辐射信号。经放大转换处理后得到红外热像图，根据附带的固化程 序分析得到正在运行的m o a 各节电阻片的温度，测定因功率损耗而引起的m o a 本体的温度升高程度，以此来确定m o a 是否有缺陷。该方法为非电气检测，操作 简单，较适合现场使用，一般判断温差达1 度便可确定是否有缺陷。但是w o a 的发热很大程度上取决于运行时的电压分布，当相电压改变5 时m o a 的能量损 失可达2 0 9 6 ，直接导致m o a 温度变化l 2 度，容易受外界干扰“1 。 以上两种方法均基于温度检测原理，存在的主要问题有：( 1 ) 需要在避雷器 内部放置传感器，由于受运行方式的限制，对于已投入电网安全运行的m o a 无法 广泛采用；( 2 ) 温度信号容易受外界影响，不利于检测的准确性；( 3 ) 目前方法无 统一标准，准确诊断m o a 很大程度上要靠现场经验。 4 ) 相角差法 由以上各方法分析可见，m o a 性能检测方法还有很大的研究和改进空间。有 文献介绍可以用相角差法来诊断m o a 劣化程度，但没有提供如何具体采集相位角 和具体操作过程m 1 。本课题研究过程中，结合实际操作中的经验提出并分析论证 用相角差法来诊断m o a 性能优劣，详见发表论文 3 3 。根据妒和i 。的关系，把 i 。的变化转换成角度妒的变化，可以使m o a 劣化的诊断变得十分清晰和直观。 河海大学工学硕士学位论文第一章绪论 m o a 全电流i ，中，i c 比i 。大的多，当i 。增大时( 不超过初始值的2 倍) ，i 。 的变化很小，因此从工程上可以把i ，看作常数，这样i 一的变化就可用妒的变化 来描述。为说明问题，现设某单相运行电压下m o a 的i ，为2 5 m a ，当角度由8 0 到 8 5 。间变化时，各参数量变化的具体情况见表卜1 ( i ，计算公式：i f i 啦o s 妒) 。 表1 - 1 各参数量变化的具体情况 i x ( m a )矿( )a 妒( ) c o s 妒 a c o s 妒k ( m a ) a i r ( m a ) 硝8 0o 1 7 3 6 0 4 3 4 拍8 1r0 1 5 6 40 0 1 7 20 3 9 1 0 0 4 3 拍8 2 r 0 1 3 9 2o 0 1 7 2 0 3 4 8o 0 4 3 2 58 3 1 0 1 2 1 8o 0 17 _ 4 o 3 0 5o 0 4 3 拍8 4 1 0 1 0 4 50 0 1 7 30 2 6 1 0 0 4 4 ”8 5 r 0 0 8 7 2o 0 1 7 3o 2 1 80 0 4 3 根据以上数据分析可得出：a 伊一f ，a c o s , o 0 0 1 7 ，a i 。0 0 4 3 。中变 化1 ，而i 。变化仅仅为0 0 4 3 m a ，可见i 。的变化量很小，而角度伊的变化量相 对较大和直观。由于测量仪器或者数据处理方法等精度问题很可能对i 。的实际 测量结果造成较大的误差，特别是在测量仪器方面，众所周知，在高压电气设备 绝缘在线带电检测装置中，特别是m o a 性能检测中，电流传感器起着重要的关键 作用，其性能直接影响到测量精度和可靠性。m o a 的泄漏电流很小，均在m a 级。 根据实际要求，目前提高小电流检测精度的最好途径是采用有源零磁通技术，然 而，电流传感器的测量范围却仍然受到限制，例如b c t - 2 型电磁式穿芯小电流传 感器( 专门为高压电气设备绝缘在线监测而研制的一种性能很好的小电流传感 器) ，它的测量范围最小值只能达到1 0 0 v a 即0 1 m a ，而其角差只有0 0 r 。根 据i 。计算公式：i l = i ，c o sq o 可以看出，由于i ，和妒同时存在测量和计算等误差， 那么i 。的计算结果将存在累计误差，严重影响精度。那么若仅仅采用相角差舻的 变化作为诊断依据进行诊断分析，将在一定程度上减小误差。 可见，若用i 。变化量进行m o a 性能诊断，不易分析和察觉m o a 的老化优劣 情况，达到一定的精度要求比较困难，而用角度妒进行诊断，将会大有改观，可 以运用角度妒的清晰变化准确地进行相应分析和诊断。 河海大学工学硕士学位论文氧化物避雷器性能无线检测方法的研究与实现 当i t 增大一倍时i n = 2 1 m 根据公式h = l i c o s 可以得出：c o s 妒2 c o s c , 。2 ， 仍- a r e c o s ( 2 c o s 妒, ) ，得出： a - 砚一仍一竹- a r c c o s ( 2 c o s , t ) ( 1 6 ) 其中竹为m o a 刚开始投入使用时原相角差，仍为m o a 劣化后阻性电流变化为原 来2 倍后的相角差，即若相角差变化达到了a 或者以上时，即可判断阻性电 流已经增加了一倍或者一倍以上。 由于不同类型和不同厂家生产制造的m o a 初始参数( 总电流、阻性电流和角 度差等) 往往是不同的，所以必将会有一定的差别。但都可以在其刚开始 投入使用时，利用相应的测量工具或仪器对其进行参数初始测量，测出其在运行 电压下的初始参数，并方便地计算出值，为以后的检测和诊断制定相应的 标准。在测得m o a 相角差妒值后，对应相应的诊断标准则可以对m o a 的老化情况 进行分析诊断，同时该种方法不受电网电压波动的影响 为获得角度差妒一般可以采取投影法和三次谐波法。投影法可以根据得到的 基波电压和全电流的基波测得角度妒，三次谐波法主要采用谐波分析，通过测出 三次谐波的相角差值3 妒而得出妒嘲嘲，另外也可以采用无线检测方法获得相位 差，本课题采用的是无线检测方法咖。由于避雷器相间存在干扰，其影响可根据 对实际测得的相角妒进行相应的角度补偿来修正。针对各种干扰的存在，根据运 行中m o a 的排列和安装等具体情况进行具体考虑制定有效的补偿方法进行补偿。 例：若运行中的三相m o a 是一字形排列，三相高压引线与一字型垂直，分别对停 运和运行中的三相m o a 进行测量，根据实际测量数据比较发现，运行中m o a 受周 围带电体的影响情况主要为：b 相带电体对a 相和c 相m o b 的作用大小相同，方 向相反；a 相和c 相带电体对b 相m o a 的作用也是大小相同，方向相反。说明这 种电场是以b 相带电体为对称轴的对称电场。那么，在此基础上进行的测量结果 b 相的相角差是真实的，不需要补偿，对a 相和c 相测量结果吼和进行数 值大小相等，方向相反的补偿即可喳1 。采用阻性电流大小诊断m o a 性能需要对妒 进行补偿后，再通过计算得到阻性电流值i 。，那么i 。的计算结果将存在累计误 差，而采用相角差法诊断m o a 性能优劣通过补偿消除相间干扰后，直接可通过相 河海大学工学硕士学位论文第一章绪论 角变化量诊断m o a 性能。 由于不同类型和不同厂家生产的m o a 初始参数不同，导致a 、b 和c 三相m o a 本身特性及每一相初始相位也不完全相同，而相角差法是根据每一相m o a 的相角 变化量来诊断m o a 的性能。 根据以上分析并结合大量的实际试验数据总结发现，一般m o a 正常运行时的 相角差在7 5 。8 5 之问不等，m o a 正常运行时的相角差变化范围为5 1 0 。，若 初始相位为8 5 时，当相角差变化5 时由表1 - 1 可以发现阻性电流已经增加了 一倍以上经验表明，若相角差大于8 0 ，则该避雷器性能优良；小于8 0 。则性 能下降，但一旦相角差低于7 5 。或以下，即相角差已经变化了5 。1 0 ，则m o a 的阻性电流已经增加了一倍或者一倍以上，m o 已经劣化，应停止运行咖嘲 总之，用相角差法诊断m o 性能更简便、准确和直观。 综上所述，若要对m o a 性能优劣做出准确诊断，需要合理选择性能检测方法。 目前国内外公认的氧化物避雷器性能有效检测方法是利用有线方式从p t 线上获 得电压信号采用阻性电流法或相角差法检测，而实际中多数避雷器的安装位置与 变电站距离较远，很难获得电压信号，这样就无法直接采用阻性电流法或相角差 法对避雷器性能进行检测。可见，如何对m o a 的性能优劣进行安全、方便和准确 地检测，其方法和工作原理还有待进一步研究和改进。 1 4 论文主要研究内容 针对以上问题，本文采用场强法利用无线方式非接触获取高压电力线路的电 压参考信号，真正实现利用阻性电流法和相角差法对m o a 性能优劣进行诊断，形 成一种氧化物避雷器性能无线检测新方法。利用该方法设计了一种综合检测m o a 全电流、阻性泄漏电流和相角差，诊断m o a 运行性能的新型m o a 性能无线检测装 置，其总体结构如图1 - 5 所示一【柚】 该检测装置主要由两大部分组成，发送装置和接收装置。利用发送装置采集 高压输电线路的电压相位信号，并通过无线方式发送到接收装置，接收装置将接 收到的电压相位信号进行解调后，与接收装置本身采集的m o a 全电流相位信号进 行实时比较，得到全电流与运行工频参考电压间的相位差信号，并通过信号处理、 信号检测和数据计算等得出全电流、相位差和阻性电流分量等数据结果。根据对 数据结果的处理、分析和比较，可以对m o a 性能状态做出准确诊断。本装置设计 可使m o a 性能检测更简便、安全和准确。 河海大学工学硕士学位论文氧化物避雷器性能无线检测方法的研究与实现 图l _ 5 氧化物避雷器性能无线检测装置总体结构图 本文在分析m o a 工作原理及检测原理的基础上，根据实际经验分析论证相角 差法诊断m o a 性能的原理，重点研究氧化物避雷器性能无线检测的方法与实现， 力求安全、方便和准确地对m o a 的性能做出检测和诊断。 本文的主要研究内容有以下几方面： 1 ) 研究氧化物避雷器性能检测原理及方法； 2 ) 分析论证相角差法诊断m o a 性能优劣的原理； 3 ) 研究基于场强法的高压输电线路电压信号的无线检测原理： 4 ) 研究如何解决数据可靠无线传输及如何解决强磁场干扰问题； 5 ) 完成检测装置的系统设计，实现m o 性能诊断； 6 ) 调试实际系统，解决精度和抗干扰等关键问题； 7 ) 对系统进行分析评价，展望无线检测方法及技术的应用前景。 1 4 河海大学工学硕士学位论文 第二章基于场强法的高压输电线路电压信号无线检测方法的研究 第二章基于场强法的高压输电线路电压信号无线 检测方法的研究 为了真正实现阻性电流法和相角差法对避雷器性能的直接带电检测，本文提 出一种m o a 性能无线检铡新方法该方法采用基于场强法的无线非接触方式获得 高压输电线路的电压相位信号。本章将具体研究其相关理论基础，包括无线检测 原理分析，数据可靠无线传输及强磁场干扰问题分析等。 2 1 高压输电线路工频电场的数学模型 2 i i 工频电场计算原理 本章主要研究工频交变电场，频率为5 0 ( 或6 0 ) h z ，其波长远大于所研究 场域的几何尺寸，故可以用静电场的一般概念来分析。关于输电线路及附近工频 电场的算法，根据“国际大电网会议第3 6 o l 工作组”推荐的方法，