基于泄漏电流三次谐波分析的高压设备在线监测方法*

2018-12-17靖文毛凯王丽丽

电测与仪表 2018年23期

靖文，毛凯，王丽丽

(1.盐城工业职业技术学院机电学院，江苏盐城 224000；2.国网重庆市电力公司永川供电分公司，重庆 402160)

0 引言

避雷器(Surge Arresters,SAs)是一种用于吸收由内部操作和外部雷击引起的过电压的电力系统设备，将过电压的幅值限制到电力系统可接受的安全范围内，避免系统断电和设备故障停运[1-2]。使用SAs可以提高电力系统的安全、可靠性，研究发现SAs的故障可能与突然断电有关，而SAs故障之后又会进一步影响变电站中其他设备的安全[3-4]，因此SAs在线监测是自动化变电站远程状态识别的一项重要内容[2,5-7]。

现在的避雷器在线监测方法主要是对正常运行时的避雷器泄漏电流进行分解检测，测得波形和幅值的明显改变通常与泄漏电流阻性分量(尤其是三次谐波)有关[8]。工程中由于高压工况安全性以及复杂性(例如在高压侧使用电压互感器进行测量)的原因，避雷器泄漏电流检测常常会受到限制。文献[9]提出了一种使用电磁场探头测量感应电流的方法，但这种测量方法得出的其结果有较大误差，误差主要来源于场探头的放置位置和周围电磁场活动带来的影响。

本文的主要工作是提出了一种新型避雷器在线监测方法，该方法基于Prony -希尔伯特变换法，使用MATLAB编程对干燥、污染两种情况下提取到的总泄露电流或内部、外部泄漏电流信号进行分析。本文研究了电压谐波畸变程度对提取泄露电流信号的影响，发现染污情况下测量得到的泄漏电流三次谐波数值偏大。

1 基于PRONY-HILBERT变换法进行谐波分析的原理

在正常运行条件下，流过避雷器的泄漏电流只有mA级别，可以通过如图1所示的等效电路来建模[5,8]。该电路中C是等效电容，R是非线性电阻，it是总泄漏，电流iC和iR分别是泄露电流的容性分量和阻性分量，v是加在避雷器SA上的外加电压。

图1 避雷器简化等效电路Fig.1 Simplified equivalent circuit of SA

相比于快速傅里叶变换法误判、信号遗漏的缺陷[3]，Prony-Hilbert变换法在建模重现均匀采样的复指数信号的线性叠加上体现出较强适应性。通过应用最小平方差的方法PRONY-HILBERT变换可以实现实测信号的最佳拟合，这种方法相比于其他各种方法也有很多优势，比如谐波分析较准确、处理非稳恒信号能力强、使用简单以及所需的样本较少等。因此，本文通过对PRONY-HILBERT方法进行一定改进之后将其用于小电流区域的实测信号特征提取以及谐波分析。

2 试验平台以及试验样品

如图2所示是避雷器试验平台的示意图，其中包含有一个连接到200 kVA，240 V/400 kV的高压变压器。该高压变压器的套管(图2中并未展示)处安装了一个连接到交流电压表的电容式探头。受测避雷器直接与变压器高压侧相连，测试信号通过分压比为7的容性分压器输入到数字滤波器进行记录。通过测量流过1 kΩ和100 kΩ两个分流电阻上的电压，可以分别获得避雷器外部和内部泄漏电流。避雷器染污使用溶液电导率为88 mS/cm的NaCl的盐雾。如图2所示，为了分离外部和内部泄露电流，实验时在避雷器基部图上一层润滑层。为了研究避雷器构件材料的影响(氧化锌ZnO和金刚砂SiC)，以及染污、清洁两种情况下套管材料对避雷器整体性能的影响，本文对三种不同的避雷器进行了测试，表1所示是避雷器的具体参数。

图2 内、外部泄漏电流测量平台Fig.2 Test setup for the measurement of both internal and external leakage currents

表1 受测避雷器参数Tab.1 Ratings of tested surge arresters

3 避雷器电信号的测量

3.1 外部和内部泄漏电流测量

如图3所示是受测避雷器在染污和清洁两种情况下，所加的外加电压波形和外部、内部泄露电流示意图。观察图像可知外部泄漏电流反映出除了避雷器瓷套之外的容性电流分量。以避雷器的瓷套为例，其外部泄漏电流可以清晰的区分出泄露电流的容性和阻性分量。结果显示硅橡胶ZnO避雷器上的外部泄漏电流比聚合物ZnO避雷器的外部泄漏电流小，虽然硅橡胶ZnO避雷器的爬距比较短，但由于硅橡胶避雷器的的疏水性比较强，因此明显减小了套管表面电阻。

由于氧化锌材料具有较高的非线性性质，因此ZnO聚合物避雷器和ZnO硅橡胶避雷器中内部泄漏电流主要是容性。SiC瓷避雷器中同时包含有容性和阻性分量是因为绝缘子使用时间长(15年)以及SiC材料本身的非线性性质就较低[1]，由图3可以看出，由于硅橡胶避雷器外罩的长度小于氧化锌避雷器的外罩长度，因此硅橡胶的内部泄漏电流相比氧化锌聚合材料的内部泄漏电流小.从而SiC避雷器瓷罩内部由于热集聚程度相比其他两种避雷器明显较高，使得SiC避雷器在长期运行时热负荷较重。

图3 三种受测样品在清洁情况下的外部、内部电流典型波形(外加电压29 kV (rms))Fig.3 Typical waveforms of internal and external current (Ii and Ie) for the three tested samples of SAs with dry condition at 29 kV (rms)

前文避雷器的试验条件是干燥状态，测出的避雷器各项性能参数与标称状态的相同，如图4所示针对染污的情况本文只研究了硅橡胶ZnO避雷器。试验结果显示外部和内部电流受到污秽的较大影响，这是因为误会导致避雷器出现放电，从而造成了原始电压信号的波形失真。上述放电现象很可能就是闪络的前兆，除此以外污秽显著降低了外罩的表面电阻，从而引起了流通电流的升高与以及内部有源元件的电压不均匀分布。由于不断变化的避雷器外罩表面电阻，电压信号的非均匀性上升并由此造成了内部泄漏电流的显示改变。

图4 ZnO硅橡胶避雷器在人工染污条件下的内、外部电流典型波形(外加电压29 kV(rms))Fig.4 Typical waveforms of external and internal currents for ZnO silicon rubber under artificial pollution condition at 29 kV (rms)

基于MATLAD 软件平台，本文使用PRONY-HILBERT变换法从测得的电压、电流信号中提取谐波分量。如图5所示是染污和干燥两种条件下的谐波频谱图，从图中可以看出避雷器表面状态决定了泄露电流的大小，而泄露电流的一次和三次谐波分量显著影响着泄漏电流的幅值。

图5 清洁和染污条件下谐波次数与泄漏电流关系Fig.5 Relationship of harmonic frequency and leakage current under dry and pollution conditions for ZnO silicon rubber SA

3.2 总泄漏电流测量

实验室中测试结果如图6所示。研究表明相位角与避雷器状态的特征信号关联不大，因此本文没有分析相位角的变化。当不考虑避雷器老化且电压较低时，泄露电流主要为容性，当避雷器表现出某些老化行为时，泄露电流的阻性分量会明显上升并畸变总泄漏电流的波形。

图6 三种受测样品的总电流和特征信号典型波形(外加电压29 kV(rms)).Fig.6 Typical waveforms of measured total current with extracted features for the three tested samples of SAs at 29 kV (rms)

观察图7中的泄漏电流信号可知，避雷器的老化程度以及老化种类主要取决于其内部和外罩材料的活性，以及避雷器的历史运行状态。避雷器总泄露电流中都包含着容性和阻性分量，碳化硅型瓷罩的避雷器中阻性分量占主导地位。阻性电流分量越大，氧化锌或碳化硅阀片的发热越严重，从而加速了避雷器老化过程，因此如图7所示由于碳化硅瓷避雷器的泄漏电流阻性分量幅值最高处占比最大，该避雷器的老化程度比其他避雷器更严重。观察图中结果可知总泄露电流的阻性分量可以很好的反应避雷器老化程度，因此在辨识受测避雷器的老化过程时不再需要分离泄漏电流的外部和内部分量。

图7 总泄漏电流、外部、内部泄漏电流的高次谐波阻性分量.Fig.7 Odd harmonic comparison of the resistive component for measured total, external and internal leakage currents

3.3 功率损耗和能量指标

由于连续运行电压下设备温度会上升，因此功率损耗主要决定了避雷器的热稳定性。同时功率损耗也反应了由于老化对避雷器电气特性带来的改变。

如图8所示是根据图6的电流波形计算的三种受测避雷器的平均功率比，计算时将平均功率归一化至避雷器泄漏电流为1 mA时的参考功率，此处的电流为阻性电流分量的幅值。相比于其他两种避雷器，碳化硅瓷罩避雷器的功率损耗率很高，这也证实了之前观测到的碳化硅避雷器老化程度更高的现象。因此功率损耗可以反应出由于避雷器先前运行环境以及电气应力造成的不同程度和种类的老化。

图8 1 mA参考电流下的受测避雷器平均功率比.Fig.8 Calculated average power ratio for the tested SAs at 1 mA reference leakage current

3.4 避雷器参考电压的测量

避雷器的老化程度可以通过监测I-V特性，或者监测压敏电阻处的参考电压来实现，参考电压是指当流过避雷器的电流阻性分量为Iref=1 mA时，避雷器上的电压Vref。多级单元的参考电压则是每一级参考电压之和，参考电压的范围位于避雷器I-V特性曲线的膝点，此时泄露电流的阻性分量占比最大。在膝点附近，压敏电阻的传导功率在电流由泄漏电流转变为传导电流时损耗较大。同时当避雷器运行在最大连续工作电压(maximum continuous operating voltage,MCOV)条件下时泄露电流的容性分量会上升至主导地位。

如图9所示是碳化硅瓷避雷器外罩和硅橡胶氧化锌避雷器的Vref和MCOV的磁滞回曲线。由图中可以很明显的发现磁滞回曲线的正负连段之间有一定的对称关系。观察图像可以发现碳化硅瓷避雷器的磁滞回曲线较窄并且MCOV的曲线与Vref非常贴近，此时的电流峰值大约为0.6 mA。硅橡胶氧化锌避雷器在清洁和人工染污两种条件下的磁滞回曲线都较宽，同时MCOV和Vref曲线距离较远，在清洁和染污两种条件下避雷器运行在最高电压下时电流峰值分别为0.35 mA和0.4 mA。

避雷器过载时内部会有放电电流，过电压作用下避雷器I-V特性也会发生变化，因此电导率的变化可以作为避雷器老化的一个特征信号。避雷器的老化程度越高，产生大于1 mA参考电流所需的电压就越低。将测量参考电压与MCOV磁滞回曲线进行比较就可以准确判断避雷器是否能满足正常运行要求。

图9 SiC陶瓷避雷器和ZnO硅橡胶避雷器的MCOV和Vref的磁滞回曲线.Fig.9 Hysteresis loop for MCOV and Vref measurements for SiC porcelain and ZnO silicon rubber SAs

4 电压谐波对泄漏电流三次谐波测量值的影响

避雷器的I-V特性决定了阻性电流的三次谐波分量[2,10]。因此三次谐波常被用于避雷器状态诊断以及辨识由过载和运行环境引起的避雷器老化程度。三次谐波主要取决于外加电压的大小和谐波的含量。测量三次谐波时由于电压波形畸变有可能遇到测量不确定度超过±100%的情况。这种情况应当极力避免，因此基于PSCAD软件仿真平台本文对泄漏电流阻性分量的三次谐波进行校正。

如图10所示是一种基于PSCAD软件平台的分段线性电阻避雷器模型，其I-V特性可调，A0和A1分别代表两个被R-L电路隔离的非线性电阻C是避雷器电容，L0代表避雷器附近导线上的电感。由于非线性电阻A0在任意电流下的电压敏感性都比A1更高，当该模型处于高频冲击作用时，R-L滤波器的阻抗效应变得非常明显，从而使得电流在两个电阻元件上的分布。

将如图6所示的泄漏电流实测波形输入PSCAD软件中进行重新缩放并按所有信号频率分解出谐波、相位角之后，带入到图12所示的避雷器模型中分析计算，当连续最大加压为Vmax时，调整三次谐波的频率为h3至3h3。如图11所示是每三种外加电压下得到的泄漏电流三次谐波分量随频率变化的关系示意图。

图10 避雷器频变电路模型Fig.10 Frequency dependent circuit model of SA

图11 三种不同加压下的电压三次谐波与泄漏电流百分比Fig.11 Percentage ratio of third harmonic leakage current versus the voltage third harmonic for three voltage values, Vmax±10%

当Vmax=244.38 kV，三次谐波V3的占比为基波的1.3%，在相同频率和电压波形下，由此导致的泄漏电流三次分量跃升至总泄露电流的140%。将电压三次谐波频率增大到300%时，电压三次谐波占比为基波的3.9%，此时的泄漏电流三次分量将跃升至总泄露电流的306.6%。因此由于电压波形的畸变，泄漏电流三次谐波分量的不确定度有可能达到300%，从而对于V3=1.3%V1和V3=3.9%V1两种情况，泄漏电流三次谐波校正之后应当分别下降40%和206.6%。利用相同校正流程可以对任意正弦型外加波形的谐波畸变进行校正。