基于新感应法的金属氧化锌避雷器带电测试系统

高 翔，吕 滔，赵 博，邓拓夫

（国网新源控股有限公司技术中心，北京市 100161）

0 引言

目前国内的避雷器带电检测方法主要分为感应法和PT二次法[1]。PT二次法因需并接运行电压互感器（PT）的二次端子，会对运行设备的安全性造成极大威胁，一般被运行单位禁用[2]。而现有的感应法因其容易受相间干扰[3]，所测数据既不稳定更不准确，一般仅作参考。本文介绍了一种基于感应法的改进型金属氧化锌避雷器带电测试系统。

1 工作原理

目前所有具备感应法功能的金属氧化锌避雷器带电测试设备均采用感应板测量避雷器电压，其核心工作原理是利用一个平行电板电极测量空间电位梯度矢量场来获取电压信号。与之不同，本系统通过测量流经电场感应器的空间感应电流来获取无角偏的避雷器电压信息。在一个交变的电场环境中，任何金属体都会与高压电极形成纯容性的空间电容，当金属体接地且高压电极一端接地（如在中性点接地系统中）时，在金属体中就会流过空间感应电流，该电流的相位超前电压相位90°。因此，可以通过测量空间感应电流并移相90°推算出一个电压信号，该电压信号虽然在幅值上与高压电极电压相差很大，但其相位却完全一致，而这正是计算避雷器电流所必需的要素。

现有典型的变电站（或开关站）通常采用平行出线，而避雷器就在这些出线正下方。理论计算可以得出，采用两只感应球并将其分别放置在两边最外侧出线回路的B相避雷器下方，两处测得的电压信号具有干扰互补性，即将两路信号算术叠加即可获得B相电压的无角偏信号。以典型的双回线电场环境为例，将两个感应板分别置于两个B相导线的正下方，其等值电路如图1所示。

其中：

基于线路布置相对对称的实际，可以认为，

将I1和I2相加，再对叠加电流I0进行基波和三次谐波分析，可以得到：

图1 感应器等值电路图Fig.1 Equivalant circuit of the sensor

从式（3）可以看出，叠加电流的基波和三次谐波超前电网电压的基波和三次谐波90°，通过90°移相计算，即可得到具有准确相位信息的电压信号。

对于A、C相电压信号，虽然不能直接测取，但通过将B相信号数字移相也能准确得到。如此一来，通过常规的计算软件即可获取准确的避雷器电流信息，包括其各次容性电流分量和阻性分量。

2 系统设计及实现

本系统是在某公司现有的HCYB-20B型氧化锌避雷器检测仪的基础上改造而成的。HCYB-20B型氧化锌避雷器检测仪可离线或带电测试避雷器电流（包括避雷器全电流、阻性电流的各次谐波分量、容性电流的各次谐波分量），带电测试功能的模式又分为PT二次式和感应板式。该仪器的系统功能框图如图2所示。

图2中，电流采集调理是避雷器电流的采样单元，通过短接放电计数器两端，泄漏电流流过穿心零磁通电流互感器进行转换采集；避雷器电压采用有两种方式，一是通过母线的PT二次侧直接测量电网电压，即图2中的电压采集调理单元，二是通过感应板采集空间电场的梯度电势，即图2中的感应板采集调理单元。

通过AD转换将避雷器电压、电流数据采集完毕后，数字信号送入微控制器进行数据处理及运算。通过傅里叶变换，计算出基波电流的相角φ，由公式Ir1=I1×cosφ即可得出避雷器阻性电流的基波分量，由Ic1=I1×sinφ即可得出避雷器容性电流的基波分量，再由公式C=Ic1/（U1×ω）算出避雷器的电容量。在计算避雷器阻性电流的谐波分量时，若采用上述方法直接计算，会因为当电压的谐波成分接近0而导致谐波的相角信息φn无法确定，进而无法计算避雷器阻性电流的各次谐波分量，因此需采用其他方法计算阻性电流的谐波分量。

图2 原型机功能图Fig.2 Diagram of the prototype machine

通过各次谐波电压和避雷器电容，可以计算出避雷器容性电流的各次谐波分量，再用各次谐波总电流与容性谐波电流算术平方相减即可得出各次阻性谐波电流，即由公式Icn=3×Un×Ic1/U1算出容性谐波电流，再通过公式Irn=√（In2-Icn

2）即算出阻性电流的个次谐波分量。根据避雷器阻性电流的特性，阻性电流各次谐波分量的初始相位φn=φ（Un），φ（Un）为各次谐波电压的采样时刻初始相位，可通过电压采样值经过傅立叶正变换得到。

本系统对图2中“感应板采集调理”单元进行改造，采用如图3所示的“感应球采集调理”单元。

图3 感应球采集调理单元结构图Fig.3 Diagram of the acquisition and modulation unit based on inductive ball

图3中，IB1和IB2为铜质金属球，R1和R2为无感电阻。IB1、IB2的作用是利用空间电容原理使高压电极对其产生空间感应电流，之所以采用球状金属体而不采用金属板，主要为了消除平板电极布置角度差异产生的测量误差；R1、R2的作用是将空间感应电流转换为电压信号，以便于分析、处理。

3 系统测试

在实验室中模拟双回线现场环境，对35kV金属氧化锌避雷器进行运行电压下的带电检测。为了验证本系统的性能，本次检测为对比测试，参照量为通过PT二次法测得的数据。为了排除因A/D采样单元、PLC处理器及计算软件产生的差异，特选择本系统的PT二次式带电测量功能模块进行测试。

通过PT二次法测得的数据如表1所示。

通过感应球法测得的数据如表2所示。

表1、表2中，Ux为避雷器端电压有效值，U1为避雷器端电压基波有效值，U3为避雷器端电压三次谐波有效值，Ix为避雷器全电流有效值，Irp为避雷器阻性电流峰值，Ir1p为避雷器阻性电流基波峰值，Ir3p为避雷器阻性电流三次谐波峰值，φ为避雷器基波电压和基波电流的角差。

通过对比表1、表2的实测数据，可以发现：

（1）通过感应球测得的避雷器电压信号其相位非常稳定；

表2 感应球法测试记录表Tab.2 Test record by using signal from inductive ball

（2）通过两种方法测得的避雷器电压信号基本没有角偏，φ偏差最大为0.15°；

（3）通过两种方法解析出的避雷器电流数据基本完全一致。

4 结束语

综上所述，基于感应法的改进型金属氧化锌避雷器带电测试系统很好地解决了在复杂电场环境下的相间干扰问题，实现了一种既安全又准确的金属氧化锌避雷器带电测试技术，具有较高的推广应用价值。

[1]蔡伟贤，陈蓓. 提高氧化物避雷器带电测试准确性的探讨. 电瓷避雷器，2011（4）.

CAI Weixian，CHEN Pei. Discussion on improving accuracy of moa live testing. Insulators and Surge Arrestors，2011（4）.

[2]袁海燕，庄燕飞，等. 改进的特高压金属氧化物避雷器带电测试方法. 电瓷避雷器，2011（4）.

YUAN Haiyan，ZHUANG Yanfei，etc. Improved live test method for UHV MOA，Insulators and Surge Arrestors，2011（4）.

[3]李进扬. 金属氧化物避雷器带电测试标准改进的建议. 湖北电力，2006，30（6）.

LI Jinyang. Suggestions for the modification of testing standard for the energized metallic oxide arrestor. Hubei Electric Power，2006，30（6）.

高 翔（1977—），男，高级工程师，主要研究方向：高电压绝缘。E-mail：35040685@qq.com