（电力系统及其自动化专业论文）分布式氧化锌避雷器在线监测系统研究.pdfVIP

西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t w i c ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t i o nt e c h n o l o g y ，t h em a i n t e n m a c em e t h o d o fh i g hv o l t a g ed e v i c e su s e di nt h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e mi se v o l v e m e n t i n g c o n d i t i o n b a s e dm a i n t e n a n c e ，a sa na d v a n c e dt h c h n o l o g y , w i l lb ew i d e l yu s e d i nt h en e a rf u t u r e t h ed a t aa c q u i r e db yo n - l i n em o n i t o r i n gs y s t e mi st h eb a s i s o fc o n d i t i o n b a s e dm a i n t e n a n c e t oa c t u a l i z ec o n d i t i o n - b a s e dm a i n t e n a n c ef o r m e t a l o x i d ea r r e s t o r ( m o a ) w h i c hi s ak i n do fi m p o r t a n td e v i c eu s e dt o r e s t r a i n o v e r v o l t a g e i dt h ee l e c t r i c p o w e rs y s t e m ，t h e r e s e a r c h o fo n l i n e m o n i t o r i n g o fm o ai si m p o r t a n ta n d n e c e s s a r y a c c o r d i n g t os i m p l i f i e de q u i v a l e n tc i r c u i to fz n oe l e m e n t ，t h ec h a r a c t e r i s t i c o fl e a k a g ec u r r e n to fm o a a n ds o m ed i s t u r bf a c t o r sa r ed i s c u s s e d t h e nt h e p a p e rd e e p l ya n a l y z e d t h e e x i s t i n g m e t h o d su s e di nm o a m o n i t o r i n g o n a c c o u n to ft h er i c hh a r m o n i cv o l t a g ee x i s i t i n gi ne l e c t r i cr a i l w a ys y s t e m ，u s i n g b a s i cr e s i s t a n c ew a v ec u r r e n ta sam o n i t o r i n ge l e m e n ti sm o r er e l i a b l et h a n u s i n gt h i r dh a r m o n i c w a v ec u r r e n t w i t hd i g i t a lw a v e f o r ma n a l y s i sm e t h o dt h e b a s i cr e s i s t a n c ew a v ec u r r e n tc a nb e e a s i l yg o t a s f o r t h es t r u c t u r eo f m o n i t o r i n gs y s t e m ，t h ed i s t r i b u t e ds y s t e m i sm o r es u i t a l ef o rm o a m o n i t o r i n g t h a nc e n t r a l i z e d s y s t e m b a s e d o nt h ec o n c l u s i o nm e n t i o n e da b o v e ，a d i s t r i b u t e do n l i n e m o n i t o r i n gs c h e m eu s i n gc o n t r o la r e an e t w o r ka n dd i g i t a l s i g i n a lp r o c e s s o rt e c h n o l o g yi sd e s i g n e d c h o o s e i n gt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p a s t h e s y s t e mp r o c e s s o r ，t h eh a r d w a r ep l a t f o r m o ft h el o c a lm o n i t o r i n gu n i ti s d e s i g n e dc a r e f u l l y , e s p e c i a l l yt h el e a k a g e c u r r e n ts i g n a lg e t t i n gc i r c u i ta n dt h e p r i m a r y s e c o n d a r y i s o l a t i o nc i r c u i t a 1 s ot h e p r i n t e d c i r c u i tb o a r di s a c c o m p l i s h e da n dd e b u g g e d b a s e d o nt h eh a r d w a r e p l a t f o r m ，t h ef l o wc h a r to f t h em a i np r o g r a m m ea n dm o d u l ep r o g r a m m ea r eg i v e ni nt h ep a p e r u s i n g c a n 2 0 bp r o t o c o l ，t h ea p p l i c a t i o nl a y e rc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e n l o c a lu n i t sa n dc e n t e ru n i ti sa l s od e s i g n e d i nt h ee n d ，s o m ec o n c l u s i o n sa n d e x p e c t a t i o n sa r e m a d e k e y w o r d s ：m e t a l - o x i d ea r r e s t o r s ；l e a k a g ec u r r e n t ；o n l i n em o n i t o r i n g d i g i t a ls i g i n a lp r o c e s s o r ；c o n t r o la r e a n e t w o r k 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 引言 电力系统是一个由众多发电、输电、变电、配电、用电设备连接而成 的大系统，这些设备的可靠性及运行状况直接决定整个系统的稳定和安全， 也决定着供电质量和供电可靠性。检修是保证电力设备健康运行的必要手 段，它关系着设备的利用率、事故率、使用寿命、人力、物力、财力的消 耗，以及电力企业的整体效益等诸多问题。所以，做好电气设备的检修工 作，及早发现事故隐患并及时予以排除，使其始终以良好的状态投入运行， 具有十分重要的意义。 随着电力工业的科技进步，电力系统中电气设备的检修体制和技术也 在不断的发展。但随着电力系统向高电压、大容量、互联网的发展，以及 用电部门对供电质量要求的提高，电力系统的安全可靠性指标的要求也越 来越高。传统的计划检修模式多是在设备停电的条件下进行，其科学性、 时效性差，检修具有一定的盲目性；设备停电次数多，测试周期长；无法 对运行中电力设备的绝缘进行跟踪测试，不能及时发现设备内部的故障隐 患；且停电作介质损耗、泄漏等预防性试验时，试验施加的电压远远低于 运行电压，对某些缺陷的反应也不够灵敏。计划检修体制具有严重的缺陷， 存在着维修不足或维修过剩以及盲目维修的现象，这使得国家每年在设备 维修方面耗资巨大，且不能满足电力工业发展的要求。 为了确保电力系统的安全运行，最大限度地降低事故率，提高经济效 益，迫切需要寻求新的更加行之有效的试验检测方法。近年来，随着自动 化技术的发展及自动化水平的提高，产生了状态维修( c o n d i t i o nb a s e d m a i n t e n a n c e ) 的概念。状态维修是针对传统的计划检修存在的各种弊端提 出的一种新的检修概念，是一种新的检修制度安排。“状态维修”基于设备 实际运行工况，根据其运行电压下各种特性参数的变化，通过比较诊断确 定电气设备是否需要检修以及需要检修的项目和内容，具有极强的针对性 和实时性。因此“状态维修”技术受到了广泛的关注。 在电力系统中推行状态维修是电气设备检修制度发展的必然选择。其 直接效益有：节省大量维修费用；延长设备使用寿命；提高供电可靠性；减 少检修风险。根据美国电力研究院诊断检修中心的统计表明，实施状态维 修可以提高设备利用率在5 以上，同时节约检修费用2 5 3 0 。 状态维修包括三个层次：绝缘在线监测是状态维修的基础和前提， 通过在线监测，可以在不影响设备运行的前提下提取各种实时状态参数信 息：为故障诊断提供依据；故障诊断是状态维修的核心，根据在线监测 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 的数据，诊断其绝缘状况，识别其故障种类和程度；维修策略，维修策 略的制订是状态维修的目标。随着状态维修概念的兴起，绝缘在线监测技 术已成为国内外高电压技术工作者关注的研究热点。现代科学技术的发展 突飞猛进，以计算机技术为基础，以信息技术、模式识别技术、神经网络 技术、多媒体技术、新材料技术等的发展为依托，电气设备在线监测技术 正在蓬勃发展。 1 ，2 氧化锌避雷器的特点及运行中存在的问题 1 2 1 氧化锌避雷器的主要特点 氧化锌避雷器( m e t a lo x i d es u r g e a r r e s t e r ) 是上世纪7 0 年代初期出 现的新型过电压保护电器。其关键元件是氧化锌阀片，与以前的碳化硅阀 片相比，氧化锌阀片具有更加优良的非线性特性，这使得其在正常工作电 压下接近绝缘状态，一般不再需要串联间隙将电源与阀片隔开，所以可以 制成无间隙氧化锌避雷器i l “1 3 】。自70 年代至今，在国内外电力系统中 m o a 已经在各电压等级电网中投入运行，它的优点是非常明显的。 一、保护特性好 由于m o a 具有很好的非线性特性，所以在正常运行电压下呈现很高 的阻值，正常工作时通过它的电流只是微安级；当施加在它上面的电压超 过参考电压时，其伏安特性渐呈平坦曲线，通过它的电流增加很快，从而 可以有效的抑制过电压，保护其他电气设备的安全运行。 二、通流能力大 氧化锌阀片的密度高，比热大，通流能力大约是碳化硅阀片的4 倍， 因此，在需要大通流能力的场合其优越性更加明显。 三、结构简单，可靠性高 由于可以取消传统碳化硅避雷器的串联间隙，提高了可靠性，动作稳 定性好，同时新一代m o a 的抗污秽能力也得到了很大的改善。 1 2 2 氧化锌避雷器运行中存在的问题 虽然m o a 与碳化硅避雷器相比具有许多优点，各种性能也有了很大 的改善，但在电力系统运行，也存在这许多问题，归纳起来主要有以下几 个方面： 一、由于m o a 取消了串联间隙，在电网电压作用下，一定有泄漏电 流流过氧化锌阀片，电流中的有功分量将使阀片发热，从而引起m o a 伏 安特性的变化，这是一个正反馈的过程，长期作用的结果将导致氧化锌阀 片的老化，直至出现热击穿。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 二、m o a 受到冲击电压的作用，氧化锌阀片也会在冲击电压能量的 作用下发生老化。 三、m o a 内部受潮或内部绝缘支架绝缘性能不良，会使工频电流增 加，功耗加剧，严重时可导致内部放电。 四、m o a 时常受到雨、雪、凝露及灰尘的污染，由于m o a 内外电 位不同而使内部氧化锌阀片与外部瓷套之间产生较大的电位差，导致径向 放电现象的发生，严重时可能损坏避雷器。 根据统计u ”，我国电力系统八十年代中期应用m o a 以来，电压等级 在1 1 0 k v 以上的国产m o a 已达7 0 6 0 相，累计运行1 6 7 8 9 相年，其中有 4 8 相发生事故，占0 6 8 ；9 0 相退出运行，占1 3 。统计事故率占0 2 6 8 相百相年，其中受潮引起的事故占6 0 。1 9 8 5 年起，引进的电压等 级1 1 0 k v 以上的国外m o a 2 0 0 0 多相，主要是瑞典a e s a 、日本日立、 明电舍、三菱，瑞士b b c 和美国的g e 等多家产品。不完全统计有2 3 相 损坏，退出运行有三十多相，事故率为0 3 4 相百相年，事故率高于国 产避雷器的事故率，其主要故障是由于老化、直流1m a 参考电压过低， 阀片温度系数过大和电位分布不均匀等原因造成的。一旦m o a 发生故 障，避雷器本身将造成损坏甚至是爆炸，同时其他电气设备将失去过电压 保护，影响电力系统的安全运行。 为了保证m o a 安全运行，减少停电和事故造成的经济损失，电气设 备检修规定m o a 出厂前及设备投入运行前必须进行出厂试验和验收试 验，设备投入运行后必须定期进行预防性试验，停电检查m o a ，下面对 m o a 的验收试验和预防性试验做一介绍。 为了保证产品质量、防止不良产品混入、给用户提供原始资料，m o a 出厂前及设备投入运行前必须进行出厂试验和验收试验，主要包括以下几 个方面： ( 1 ) 在工频持续运行电压下的泄漏电流( 也称全电流) ， ( 2 ) 避雷器工频参考电压或直流参考电压试验； ( 3 ) 残压试验( 雷电冲击电流残压，陡波冲击残压和操作冲击残压) ； ( 4 ) 局部放电试验。 在目前的计划检修体制下m o a 在投入运行后还要定期做预防性实验， 预防性实验主要是为了发现避雷器在运行中可能会出现的问题，定期停电 检查m o a ，其主要内容为： ( 1 ) 绝缘电阻试验： ( 2 ) 运行电压下交流电流测量，包括：全电流、阻性电流、直流u l m a 电压和0 7 5 u l m a 下泄漏电流测量。 1 3 开展氧化锌避雷器在线监测的意义 d l t 5 9 6 1 9 9 6 电力设备预防性试验规程规定，每年或雷雨季节前 糟南交通大学硕士研究生攀位论文第4 页 要对氧化锌避雷器j 氇行预防性试验，其主要项目有测量绝缘电阻、直流 l m a 下的电压u 1 m a 及7 5 u l 。a 下麴电流1 7 5 n u m a j 运行魄压下妁交流波 潺电浚( 全电流及疆注亳流) 。鬻麓豹蓣跨性试验主要存在以下缺陷： ( 1 ) 需要停电。被测设备要退出运行状态，辩必影晌系统的正常的运行。 单母线接线方式下避雷器的停电予贝防性试验必须将母线及斌全部的馈线停 电，十分不方便，影响生产。 ( 2 ) 试验霞热款逛疆秘实舔运行逛压不一致，不麓囊实斡反获设备懿实际 绝缘状况。 ( 3 ) 一般预防性试验的时间间隔技长，而氧化镩避雷器的性能变化到一定 程度会加剧，造成攀放不可预测。对此在试验周期内发生的事故常规的预 防性试验无能为力，从两难戳避受事故的发生。 瓣m o a 开震农线釜溅，是电力设备狭态维修发震豹妊然要求。诗翔 检修实行“到期才修、到期必修”，可能致使姥需要检修的不能检修，不 需要检修的仍然要按周期检修，造成了盲目检修和过度检修，带来了人力 和物力的浪费。状态维修实行“该修必修，不该修不修”，从两使检修其农 较强鹣针对瞧亵走楚瞧，节终了羧骖蔽本，减少了箨毫时阑，挺高了设螽 利用率和可靠性。翻前国外的状态维修已经避入了具有益测、判断、寄警 专家慈统的高级阶段。开展m o a 在线监测技术，正是顺成了这发展趋 势，必将在电力设错实施状态维修种发挥重嚣作用。对m o a 的运行状态 速霉亍程线鉴测，主婺蹩铮对以下几个方耍： l 、m o a 老纯与发生热击穿酌情况。善致m o a 发鬣热击穿的躐终 原因魑发热功率大于散热功率，积蓄的热量使m o a 阀片漱度升高直到发 生热击穿。只要氧化锌阀片温度不超过稳定温腴闽值，就不会发生热击穿； 反之，阀片的温度越过不稳定阏俊，热击穿就不可避免。戴化锌阀片的发 熬功率激浃予淡过载纯锌阙冀邀濂静鸯殛分塞，散燕臻率淑凌于氧纯镑漓 片所处的环境温度、周围介质特性和m o a 的结构和尺寸。因此，蕊测 m o a 垒电流中的有功分量，就可以了解其发热功率的变化，只要发热功 率与散热功率之间肖足够的裕度，就不会发生热击穿。据此监测阻性电流 分量的变纯霹鼓对m o a 运行是凑安全进行疆攘。 2 、m o a 内郝爱潮。m o a 自身密封不严，会导致内部受潮，或程蜜 装时内部有水分侵入，那么在运行中，全电流将出现增大现象，如果受潮 严重，则在运行电臌作用下，会发生沿氧化锌阀片柱表面域避雷器瓷套内 壁表瑟的放电，严羹时可能g l 起避霉器爆炸，这是必须要注慧黪一个问题。 m o a 受灞雩| 莛懿全瞧浚懿瓒热，主要是壶予藏渡疆缝分爨罐热藏熬，簸 测基波阻性电流分煮的变化，并根据其变化的大小可以判断受潮的程度。 3 、氧化锌阀片与外瓷套之间局部放电现豫。当m o a 外瓷套受到污 秽作用时，外部瓷爨上电位分布发生变化，内部阀片与外部瓷套之间电位 差趣大，严重瓣可发生经楚蜀部敞迄，产生稼游电凌。魏象这耱黥净惫滤 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 很大，会使氧化锌阀片在电流聚集的地方被烧熔，损坏氧化锌阀片，导致 整个m o a 的损坏，这种情况对避雷器的危害很大，必须退出运行，以保 证设备的安全运行。资料【6 j 提出：在发生m o a 阀片与外部瓷套之间放电、 产生脉冲电流时，在避雷器阻性电流波形上会有脉冲电流尖峰出现，这个 现象可以作为一个判断依据，用以及时发现内部径向放电故障，并加以处 理保证m o a 的安全正常运行。 1 4 目前氧化锌避雷器在线监测的现状及问题 m o a 在线监测是近年来国内外同行研究的一个重要课题，根据大量的 有关文献和资料来看，在m o a 在线监测中的信号取样，信号调理和转换 等方面都已经做了大量的研究和实验，有力的推动了这一领域的发展。但 是，根据目前的现场应用结果来看，虽然监测装置种类很多，原理也不尽 相同，但仍存在不少问题。根据中国电力科学研究院1 9 9 8 年对全国部分省 市电力部门安装的5 7 套集中型在线绝缘监测系统的调查结果，确定不能正 常运行或处于瘫痪状态的要占总数的7 5 【1 】，主要表现为绝缘在线监测系 统运行不可靠，监测数据不准确，系统故障率高等。分析发现导致这种结 果的原因很多，如传感器性能差，工作不稳定：系统抗干扰能力差等。但 最主要的原因还是绝缘在线监测系统结构设计不太合理。 目前，m o a 在线监测系统多采用两种方式，一种是分散的全电流监测 方式，即每支避雷器下部都安装有漏电记数器，靠人工巡视的方式来监测 m o a 的运行状态，这种方式严格的讲，不能算是一种真正意义上的在线 监测。另一种为集中式处理方式，即通过屏蔽电缆将被测信号引入后台工 控机，然后由工控机进行集中循环姣测和数据处理。由于一次信号很小， 经传感器耦合后被测参数受模拟量传输过程中引入的干扰影响很大，测量 结果的有效性和稳定度不能保证。同时由于集中处理方式各个部分之间的 相互独立性差，一个环节出现问题，很容易导致整个系统无法正常运行时， 使得系统的故障率较高，此外系统的的可扩展性不强，灵活性也不足，当 有新的设备需要监测、或者增加新的监测量的时候，实现困难。而且m o a 在线监测多为独立系统，即没有和变电站中的其他电气设备的在线监测结 合起来统一考虑进行监测，如：变压器、p t 、c t 、耦合电容器、各类套管 等。难以和变电站综合自动化系统融合而产生所谓的“信息孤岛”问题。 1 5 本文主要内容 m o a 绝缘在线监测技术研究的内容十分广泛，本文着眼于研究在线 监测系统的体系结构的研究和改进，基于对目前m o a 在线监测系统现状 和问题的分析，在研制新的在线监测系统时，就要求改变集中式的监测方 式，采用面向对象的分层分布式的监测方式以求解决上述不足。随着计算 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 机技术、通信技术和网络技术的快速发展，为分布式结构的绝缘在线监测 系统的实现提供了可能。分布式监测系统基于现场总线技术，采用上位机 和下位机的模式，把信号采集、数据处理的任务下放到安装在被测设备上 的智能化前置监测单元上，所有前置监测单元挂接在一条现场总线上，把 各被监测设备需要监测的参数采集处理转化为数字信号后按约定的通信规 约上传给上层监控主机，供主机进行分析和存储，实现数据分析和故障诊 断。同时借助于i n t e r n e t 或i n t r a n e t 使绝缘在线监测系统与管理 信息系统( m i s ) 实现数据共享，真正实现了绝缘参数的分散式测量，集 中式处理、诊断，网络化查询管理的新一代绝缘在线监测系统。 本文的主要内容安排如下：第一章绪论，主要介绍m o a 在线监测的 意义、现状、及存在的问题与改进的思路：第二章m o a 在线监测的原理 及方法，分析m o a 泄露电流的特征，对现在的几种监测方法进行深入的 分析比较，并结合铁路供电系统的特点提出了监测阻性电流基波的方法： 第三章分布式m o a 在线监测系统的分析与方案设计，分析分布式在线监 测系统在绝缘在线监测应用中的优点，设计了一种基于c a n 总线的多d s p 分层分布式m o a 在线监测系统方案；第四章在线监测系统硬件电路的设 计与实现，设计了一种基于d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的硬件平台，完成 器件选择、原理图设计、p c b 制板及调试；第五章在线监测系统的软件设 计，设计了系统的主程序及子程序模块的软件流程图，给出了基于 c a n 2 0 b 协议的上位机和下位机之间的通信规约；最后对本文进行了总结 和展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章m o a 在线监测的原理及方法 2 1 氧化锌避雷器阀片电气特性及等效电路分析 目前采用的氧化锌避雷器一般都为不含间隙式，全由氧化锌阀片串联 而成。所以m o a 的性能，主要取决于其关键元件氧化锌阀片的特性。 氧化锌阀片主要成分是由氧化锌z n o 组成，掺有少量的c o o 、m n o 等其 他金属氧化物以改善阀片的性能。在电子显微镜下观察氧化锌阀片可以看 到在直径约十微米的z n o 颗粒的周围包以由掺杂物所形成的氧化膜，这层 极薄的晶界层的电阻率是变化的，在低电压下很大，而在高电压下将会突 然降至约1 欧姆每厘米。这使得阀片具有极好的非线性保护特性，同时此 晶界层的相对介电常数可达5 0 0 2 0 0 0 ，因此氧化锌阀片具有相当大的电 容量，在运行电压下经过阀片的电流将主要是容性电流归9 j 。 目前，有很多文献提出了多种氧化锌阀片的等值电路模型，其中一个 比较流行的考虑较全面的等值电路模型如图2 1 所示。 图2 1 氧化锌阀片等效电路 在该电路中，r o 表示由z n o 晶粒所贡献的线性电阻，r 表示氧化行阀 片的泄漏电阻，c 0 为氧化锌阀片的电荷电容及位移极化电容之和。c - r ，、 c 2 r 2 则分别描述两个有损极化过程的吸收支路，l 表示z n o 阀片的本体 电感。 在正常的运行电压下，氧化锌阀片只流过含有工频基波分量及谐波分 量的泄漏电流，处于小电流工作区，电感l 的作用可以忽略掉，c z r z 支 路只有在高频时作用才明显，低频时的作用也可以忽略掉。因此在交流小 电流范围内工程上常用简化的等效电路，如图2 1 所示。可以看作是线性 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 电容c 和非线性电阻r 相并联组成。 cr 图2 2 氧化锌阀片简化等值电路 典型的氧化锌阀片的伏安特性u i 曲线如图2 - - 3 所示，图中可以 看出其阀片的伏安特性可以划分为几个区域： y v 3 i ( a ) 图2 3 氧化锌阀片伏安特性曲线 区域1 ：伏安特性近似于线性关系，称为线性区。 区域2 ：伏安特性为弱非线性关系，称为预击穿区， 区域3 ：伏安特性呈极强非线性，称为击穿区。 区域4 ：伏安特性上翘，非线性减弱。 从图2 3 我们可以看到，在区域1 和区域2 ，氧化锌阀片呈现高阻 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 态，在运行电压作用下流过的电流很小，为小电流区；区域3 和区域4 ， 氧化锌阀片呈现小电阻，在电压作用下流过很大电流，为大电流区。由小 电流区域过渡到大电流区，氧化锌阀片性质起了剧烈变化。在电压变化很 小的范围内，氧化锌阀片的阻值由高电阻到低电阻变化。 氧化锌阀片在运行电压作用下，将出现老化，其伏安特性会向右飘移， 即相同电压作用下流过氧化锌阀片的电流增加，如图2 4 。 d 图2 - 4 氧化锌阀片老化前后伏安特性变化曲线 此外氧化行阀片的伏安特性还受温度的影响，阀片的温度升高时伏安 特性曲线也会向右漂移。随着电压和温度的上升，氧化锌阀片的老化将加 剧。通常将持续运行电压u c o n 与参考电压u r e f 之比称为氧化锌阀片的荷 电率k ：k = u c o n u r e f ，荷电率越大，氧化锌阀片老化越快。 2 2 氧化锌避雷器在线监测中各特征量的分析 在电力系统绝缘监测和诊断中，往往需要多种用于诊断的监测量。同 样m o a 在线监测中我们也可以得到全电流，阻性基波电流、阻性高次谐 波电流、容性电流等。监测参量的选择是和其所反映的物理意义相关的， 下面对于m o a 运行中的特征量作一下简要介绍。 m o a 运行中最基本的特征量是总泄漏电流i x ，又称全电流。总泄漏 电流可以分为阻性泄漏电流i r 和容性泄漏电流i c 两部分，图2 5 是m o a 氧化锌避雷器等效电路及其泄漏电流各电流分量相量关系图： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 工 ( a ) 等效电路 ( b ) 电滴分量关系闰 图2 5 氧化锌闷片等效电路及电滴分量关系 由于m o a 阀片等效电路中阻性分量的非线性，在标准的正弦电压作 用下泄漏电流的波形并不是标准的正弦波，而是含有丰富的谐波分量，主 要是阻性谐波分量。其在标准正弦电压作用下的电压和泄漏电流波形图如 图2 6 示。 3 2 l 0 _ l 一2 3 流被形 把泄漏电流分解为阻性分量和容性分量可以看到，容性电流分量是标 准的正弦波，而阻性电流分量则是非正弦波。阻性电流分量不仅含有基波， 而且含有高次谐波。其分解波形如图( 2 7 ) 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 激汰肪 凡甲w 瞪 囹 在上述各电流分量中，容性电流只消耗无功功率，不会产生热量使阀 片发热，导致阀片发热的主要是阻性分量产生的有功功耗。在电网电压不 含谐波分量时阻性电流的谐波量就是总泄漏电流的谐波量，同时阻性电流 谐波分量和电网电压之间不产生有功分量，导致阀片发热的主要是阻性电 流分量中的阻性基波电流消耗的有功功耗。 上述的这些特征量在m o a 的运行状况发生变化时的表现时不同的， m o a 的运行状况变化主要有两种原因，一类是阀片老化导致绝缘性能下 降，引起泄漏电流增大；另一类是内部结构密封不严导致受潮，引起泄漏 电流增大。对于m o a 的老化一般可以分为老化早期、老化中期和老化后 期。在m o a 的老化早期主要是阀片电阻的非线性特性发生变化，反映为 阻性电流变大，其中阻性基波电流和阻性谐波电流都会变大，尤以阻性三 次谐波电流的变化最为明显。而由于阻性电流分量在总泄漏电流中所占的 比重只有5 2 0 左右，在早期老化发生时，通过m o a 的总泄漏电流只 有微小的变化。在m o a 发生老化的中后期，阀片电阻的特性变化导致阻 性电流很大，阻性电流在总泄漏电流中所占的比重明显明显变大，所以老 化中后期随着阻性电流的变大，总泄漏电流也发生明显的变化。对于m o a 内部受潮，参数的变化和老化时的变化存在差别。m o a 受潮过程也可分 为三个阶段：第一阶段，即受潮的初期，主要是阻性基波电流明显变大， 随之功耗和阻性总电流值也较快速度上升：而全电流、容性电流和全电流 的基波也呈上升趋势，但上升幅度相对较小；第二阶段，潮气的侵入渐趋 饱和，功耗和阻性电流值的上升势头逐渐变缓；此时全电流、容性电流和 5 2 5 l 5 o 5 l 5 2 5 2 夏 l m n l _ 乞囹 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 全电流的基波分量则趋于恒定且明显大于正常运行值：第三阶段，m o a 迅 速劣化。功耗、阻性电流、全电流及其各次谐波分量均有大幅度的上升， 其中功耗、阻性电流和三次谐波分量的上升幅度更为剧烈，而容性电流值 变化不大。 由此可见，表征m o a 运行情况的特征量主要有总泄漏电流峰峰值， 阻性电流峰峰值，阻性电流基波有效值( 功率损耗) 和阻性电流三次谐 波i r 3 峰值，容性电流i c 等。各个参数对于m o a 运行状况的不同变化有 不同的反映。 2 3 影响氧化锌避雷器在线监测结果的因素 在实际运行中，有些干扰因素会对上述的m o a 特征量的监测产生影 响。主要有以下几个方面的干扰需要考虑。 一、电网谐波电压对氧化锌避雷器在线监测的影响。 谐波电压在电网中不可避免，根据国标对于电能质量的规定，电力系 统中的谐波含量一般保持较低( 电力系统正常运行时，允许存在5 以内 的谐波) 。但是在电气化铁路供电系统中，由于电力机车是一个很大的非线 性负载，导致牵引供电系统的谐波含量是很高的。当系统电压含有谐波分 量时，将会产生两个方面的影响。其一是谐波电压作用产生的谐波电流和 由于基波电压作用在m o a 非线性阀片上产生的反映阀片非线性特性的谐 波电流将产生复杂的交叉关系，导致提取反映m o a 阀片劣化而引起的基 波电压作用下产生的谐波电流受到谐波电压做用产生的谐波电流的影响， 很难提取出理论上反映m o a 阀片非线性特性的阻性谐波电流。另一方面 系统谐波电压作用下泄漏电流中会产生容性谐波电流，使得分析的总泄漏 电流谐波分量不再等于阻性电流的谐波分量，而含有容性电流的谐波分量。 且容性分量所占比重较大。如果不考虑容性谐波分量得到的监测结果将会 出现误判。 二、相间干扰对氧化锌避雷器在线监测的影响 当三相m o a 按一字行排列同时带电运行时，各相m o a 之间存在杂 散电容，通过相间杂散电容各相m o a 之间就有了电气联系，即各相 m o a 不仅受到自身相电压的作用，同时还通过相间杂散电容而受到邻相 电压的作用，他们之间的距离和电压等级决定了这种作用的大小。这使 m o a 底部泄漏电流与单独一相运行时相比会发生幅值和相位变化。下图2 8 为a 相泄漏电流受相间干扰的示的示意图。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 u b 图2 8 相问电压对避雷嚣泄漏电流影响示意圈 i x l 、i c l 、i n 分别为只受u a 作用时a 相避雷器的总泄漏电流基波分 量、容性基波电流和阻性基波电流。9 u i 为i x l 和u 一之间的相角，a 相 避雷器除受本相电压作用外，通过杂散电容还受b 相电压的作用。i b a 即 为u b 在a 相上产生的容性电流( u b 在a 相上产生的阻性电流极小，可以 忽略) ，于是a 相的实际容性电流为： i c l = i c i + i b a ( 2 1 ) 总实际泄漏电流为： i x l = i c l + l 1 ( 2 2 ) 显然，在i b 的影响下，和单相运行时相比，k 1 的相位i ) ( 移后了一 个角度，此时a 相氧化锌避雷器的容性电流i c ，和a 相电压u a 之间的相 差也不在是9 0 度了。因此若再按前面的电流投影法来分解计算阻性电流， 则得到的数据将会比真实值偏大。同理c 相氧化锌避雷器受b 相相间杂散 电容的干扰情况和a 相相似，只是电流相角是向前移了一个相等的角度， 所以测得的值要比实际值偏小，而b 相由于在a 、c 相之间，由于对称作 用的原理，i r l 的不发生变化。 这种相间的杂散电容对三相测量值的影响在外界因素，如系统电压等 级、自身尺寸、安装位置等不发生变化的情况下一般不会发生变化。可以 对这种稳定的影响因素作一种修正后作为相应的判据。 三、表面污秽泄漏电流对m o a 阀片泄漏电流监测的影响。 在m o a 表面存在污秽时，无间隙氧化锌避雷器的等效电路可以看作 是在非线性电阻旁并联了一个分流电阻一一表面污层电阻，此时在避雷器 的接地下引线上测得的泄漏电流将包含有避雷器表面因污层电阻产生的沿 面泄漏电流，使得m o a 阀片的泄漏电流的测量受到影响。对于这种干扰 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 因素，可以采用在避雷器底座上安装屏蔽回流环使得沿面电流不经过下引 线入地，而不会产生对阀片泄漏电流监测的影响。 四、电压波动对m o a 在线监测的影响。 在电力系统运行中电压波动也是不可避免的，国标关于电能质量中电 压波动的范围也有相应的规定，根据电压等级，负荷性质各不相同。在电 压波动时，m o a 的泄漏电流将会相应产生波动。导致监测到的趋势曲线 发生波动。对于这种情况，可以利用各相m o a 同一时刻的监测值进行横向 的比较排除这种干扰，如果同一时刻全站或同一母线下的或同一线路上的 三相m o a 的监测数据同时出现同向变化，且这种变化在是随着电压的波 动而波动的，在电压正常时监测到的电流量也会很快恢复正常，这和阀片 老化或是受潮时泄漏电流持续性变大趋势是不一样的。所以可以在做故障 诊断时把这种变化作为一种系统干扰因素考虑，而不作为m o a 故障看待。 五、环境温度、湿度的影响。 氧化锌避雷器运行的环境条件每天都会有周期性的变化，这些将会导 致泄漏电流也随之发生周期性的波动，即使在m o a 阀片正常条件下监测 到的特征量也会发生周期性的波动。对于这种波动可以采用数据综合比较 法排除这种干扰对于利用在线监测数据进行绝缘诊断时的影响。即一方面 进行横向比较，通过对处于统一环境中，同一母线下的其它避雷器的同一 时间段的监测数据的横向相互比较来判断是否是发生故障，另一方面采用 趋势分析法对由历史监测数据描绘的曲线的变化趋势进行比较，如果曲线 在整体上呈现出缓慢而持续性的增长趋势时，则避雷器可能存在潜伏性故 障，否则，则可以认为时由于干扰引起的曲线变化。 2 4 氧化锌避雷器在线监测方法的分析与选取 根据对m o a 的老化机理及等效电路的研究，目前m o a 在线监测的 方法有许多种，从对采样信号的分析原理分类主要有下面几种方法1 1 11 6 】： 总泄漏电流法、补偿法、零序电流法、阻性电流基波法、阻性电流三次谐 波法等。本节将对这些方法进行深入分析，并选取一种。 2 4 1 氧化锌避雷器在线监测的方法的分析 一、全电流法或称总泄漏电流法 全电流法根据m o a 老化或受潮时，阻性电流增加，从而全电流随之 增加这一特征来判断m o a 的运行状况。监测全电流的方法可用图2 9 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 的原理表示 被电计 图2 9 监测全电流i i 的原理图 在电网电压不变的条件，由于m o a 的晶界电容c 近似为常数，所以 m o a 全电流的容性分量变化不大，全电流的增加主要是由于阻性电流增 加造成的。监测全电流的变化在一定程度上可以判断阻性电流的变化。这 种方法简单，且实现方便。但在正常的情况下，m o a 全电流的阻性分量 只占容性分量1 0 左右，且两者基波相位差9 0 度，这使得监测到的全电 流的有效值或平均值主要取决于容性电流分量，即便是阻性电流增加一倍， 全电流的变化也不是太明显，因此采用监测m o a 全电流的方法灵敏度很 低，只有在严重受潮或老化严重的情况下才能表现出明显的变化，这不利 于对于监测m o a 的早期性故障的监测。 二、补偿法监测阻性泄漏电流法 氧化锌避雷器的劣化主要反映为阻性电流增大，因此，将流经避雷器的 总电流中的容性电流平衡掉，直接检测其阻性电流的变化从而反映m o a 的劣化可以较全电流法更灵敏。用容性电流补偿法测量阻性电流的原理清 楚，方法简便，目前实际使用较多。基本原理是在监测设备中对监测到的 全电流中采用硬件电路补偿去除容性电流，以得到阻性电流i r 的方法。其 原理可以用下式表示： f ”( t g 1 ) d ( 缸) 一0 ( 2 - 3 ) 式中“矿是外加电压u ( t ) 移相9 0 。所得，即与容性电流i c 同相位。当容性 电流被完全补偿掉时( 一g 一) 就等于i r 。利用上式可求得补偿系数g 1 ， 然后即可利用下式得阻性电流分量。 一t f c 一x g 1 “，( 2 4 ) 这种方法最主要的缺点是当电网电压含有谐波时，难以克服容性谐波电流 对测量的影响。该种方法的监测原理如图2 1 0 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 6 页 图2 1 0 电容电流补偿法原理图 监测时只要调节补偿装置使u 1 = u 2 ( 补偿条件) ，则输出即为ir 。在现场测 量时，补偿法用c t 探头直接钳在避雷器的接地线上，而u 2 取自电压互感器 或者其它地方( 来自电网即可) 。早期日本研制的l c d 一4 型氧化锌避雷器泄 漏电流阻性分量检测仪即采用的是这种原理，其工作原理图如下图2 1 1 所 示。 圈2 1 1l e d - i 型难叠嚣泄电温舅试倪曩理田 p - - 光电隔离暑lc t - - 馏型电潍互感嚣lm 泵法曩id f 一差动放大嚣， i - - 积分疆lg c a 一可控增益放大器ld f - - 簟分嵇捐电路lp v n 一蟪值翟量电菇 三、利用零序电流监测阻性三次谐波电流法 这种方法是从三相的总全电流中监测阻性三次谐波电流i r 3 ，监测原理 如图2 1 2 所示。阻性三次谐波电流i t 3 通过三相接地线上的小c t 测取。 麟南交通大学硕士研究生举位论文第1 7 页 这种方法的优点是利用零序电流浏最到阻性三次谐波电流，不需要电压参 考量，测擐方便、操作简便、易于实现。但是缺点也是明显的。主要缺点肖 以下几个方面： ( 1 ) 、三次谐波逶避三程揍蟪线上夔枣c 翻l 彀。当系统邃添不含谐波分 量时，三相电流中的蒸波容性电流1 c 和基波戳性电流i r 置相抵消，接嫩线 中主簧照阻性三次谐波电流，它等于三相的阻性三次谐波电流之和，即i o = 3 i t 3 。根据m o a 总的阻性电流i r 与三次谐波隰性电流b 3 之间在大小上 有定魄铡关系i r = f ( i r 3 ) ，还可以褥逡总的隰瞧电滚款大小( 峰毽) 。毽是， 警电潮魄压含有港波藏傍薅，该溯试方法无法籍 除容洼三次谐波电流对测 量结果的影响，因而测量误差较大。 ( 2 ) 、在三相均正常时，m o a 在线监测中的i r 3 数值较小。当一相或三 相避雷器出现问题时，三相电流的不平衡导致躺增大，因此越在定程发 上发璜敬障。毽是娄簸涎受蠹3 发生交琵鼓我袋缀难鬟瑟莛秘一穗窭褒了溺 题。 四、谐波分析法蛾数字波形分析法 谐波法主要是采用对全电流及其分量进行谶波分析得出相应的特征爨 戆方法。主要戆特髹爨是疆性毫滚势量及其蒸波秘三次谐波，由于该秘方 法一般怒采建微楚懋器季l 蠲数字髂号处理技术遂彳亍的分析，所以氇称为数 字波形分析法。根据前文相关的分析可知，在m o a 的运行参数中，阻性电 流基波朔阻性电流三次谐波对阀片的老化和受湖反映最为灵敏。所以谐波 分析法中主要是分柝鼬泄漏电流中的阻性电流三次谐波i t 3 和隰性电流基波 蠹i 。下覆分割霹疆穗亳滚三次谐波秘隈莲毫流麓渡懿方法遴行分褥。 ( 1 ) 、阻性电流三次谐波法。 由于氧化锌避鬻器的非线性，泄漏电流中的3 次谐波ir 3 是一个特征 量，它可以很敏感地反映避雷器的旱期老化故障。是氧化镣避雷器在线监 溅中一个瑾惩数孛誊餐爨。毽莛奁滚网毫压含剪溪渡夔对候，这秘方法姆受 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 到谐波电压作用产生的谐波电流的影响，使得通过谐波分析得到的ir 3 不 能真实的反映m o a 阀片的老化状况。此外，不同类型的m o a 老化后的 非线性特征曲线变化前后都不完全相同，所以导致阻性电流高次谐波分量 的变化规律也不相同。难以制定统一的标准来判断m o a 的老化。阻性三 次谐波电流在反映氧化锌避雷器出现早期受潮、污秽的情况是也不很敏感， 而这些情况也是造成避雷器故障的常见因素。简单的利用数字波形分析得 到的i r 3 进行判断m o a 的老化状况的依据将会出现误判。 ( 2 ) 、阻性电流基波法 基波法是利用测量阻性基波电流的变化来判断氧化锌避雷器的运行状 况的，前面讨论过阻性基波电流是m o a 的一个重要的特征参数，虽然阻 性基波电流在总泄漏电流中所占的比重很小，但是却跟m o a 的绝缘性能 及运行情况有着密切的关系，无论是阀片老化还是内部受潮，都会引起阻 性基波电流的发生变化。通过监测m o a 的阻性基波电流可以较灵敏的在 早期预先发现m o a 的老化及受潮趋势。基波法的思路是采用数字谐波分 析技术从总泄漏电流中分离出阻性电流的基波值，该方法还称为投影法， 其工作原理是由电流互感器c t 和电压互感器p t 分别提取全电流k 和母 线电压