面向工厂过电保护的避雷器动态监测研究①

周庆华

(安徽工业职业技术学院电气工程系,安徽 铜陵244000)

0 引 言

近几年来,工厂电气设备尺寸逐渐减少,导致耐过电压能力较弱的现象,使得安全隐患增加,威胁供电系统的安全运行[1]。此外,雷电天气引起的瞬时性、大电流、高电压等现象,这加大过电保护避雷器的安装需求[2]。目前工厂供电网络最常使用的避雷器为氧化锌避雷器,但长期运行状态下容易出现损坏、受潮、老化等问题,但国内外还没有理想的避雷器动态监测方法[3]。有鉴于此,研究提出一种应用于工厂过电保护的避雷器动态监测方法,旨在保障工厂电网的稳定运转。

1 避雷器动态监测模型构建

1.1 避雷器动态监测平台

SPM型避雷器泄漏电流动态线监测平台如图1所示。现场监控模块主要涉及显示模块、报警模块、单片机[4]。

图1 避雷器泄漏电流动态线监测平台

温湿度传感器使用型号为DHT12的温湿度传感器,其是一种结合高分子材料于内部的湿敏元件,它的特点是简单便携、能耗低、站用空间小等特点。单片机控制模块中的单片机的型号为ATMEGA8L,它能综合分析信号并能做出控制命令。该电路为C1-C5电容、Y1晶振、L4电感、U1单片机组成。ATMEGA8L是主控芯片,它具备丰富功能的接口,且接线方式简单。多种功能包括滤波电路、复位电路、下载接口。报警模块在检测到的数据超过预置的阈值发挥作用。它主要是利用声音报警线路实现报警,工作原理单一。当检测值超出预先设置的阈值时,单片机首先会开始工作,分别经过控制模块和放大模块传输低电平信号和产生声音报警。报警装置使用蜂鸣报警设备,远程使用GSM短信报警。

1.2 避雷器动态监测模型

目前避雷器检测方法主要为动态监测,动态监测能够实现对避雷器阻性电流、全电流等重要参数的监测。动态监测方法又可分为硬件法和软件法。硬件法的监测精度测试精度和稳定性均不能满足要求,且成本开销较大。因此采用软件法作为监测方法,该方法是主流电流的优化算法。鉴于非线性特殊物质,在避雷器两端增加正弦电压过程中,电流泄漏阶段有包括谐波成分和基波成分的阻性成分。实际运行过程中,预先分析谐波量和阻性成分的关系,这样既可以获得避雷器阻性分量数值。当两端添加电压存在谐波的情况下,无法获取阻性成分数值。该分析方法的特点是利用傅里叶变换原理分析被测试的电流和电压,计算公式如式(1)所示。避雷器全电流i x和电压u均能分解为傅里叶级数。

式(1)中,电压分量和电流分量分别用U0和I0指代,k次电压谐波幅值用U km指代,第k次电流谐波相角、电流谐波幅值、电压谐波相角分别用βk、I km、αk指代。全电流的容性分量和阻性成分的计算公式为式(2)。

全电流的阻性成分和同次谐波电压同等相,I rk是指阻性分量在k次谐波幅值。利用三角函数的正交性可以获得阻性电流的各次谐波幅值,并获得容性成分和总电流。考虑相间干扰电容对全电流的影响,特别是容性成分,计算公式为式(3)。

式(3)中,干扰电容用C2、C3指代,被测设备电压用u1指代,隔壁设备电压用u2和u3指代,对地电容用C1指代,等效电路图如图2所示。

图2 避雷器对地电容和相间杂散电容等效电路图

鉴于三相电压对称性,研究通过可以求得,同时求得时频域变化后的容性成分。然后利用矩阵就可以求得,并求得容性电流。避雷器的阻性电流可用指数波拟合曲线,并进行拟合避雷器阻性电流。通过最小二乘法进行优化,求得满足误差要求的避雷器阻性电流。避雷器的泄漏电流、阻性电流、容性电流的取值范围分别为100u A～10m A、10u A～100u A、100u A～10m A。所有设备的测量精度变化范围为±0.5%～±2%。将数据信息根据输电设备状态的变化规律和幅值变化范围分为三种等级,主要为报警信息、预警信息、正常信息。阻性电流的正常值、预警值、报警值分别为低于1.5倍、1.5倍、超出2倍避雷器安装后的初始测量值。全电流的正常值、预警值、报警值分别为低于1.3倍、1.3倍、超出1.8倍避雷器安装后的初始测量值。

2 避雷器动态监测性能分析

2.1 受潮条件下性能分析

1000kv金属氧化物避雷器由5节构成,每节的高度为2100mm,内部嵌入48片氧化锌电阻片,尺寸大小为105mm×22.5mm,且每三片构成一组,组间通过金属铝垫片进行隔开,形状和电阻片完全一致,避雷器顶端具有复合外套金属氧化物避雷器均压环。

实验环境为高压大厅,温度为14.3℃,湿度为62%。测量方式为光纤电流传感器,氧化锌避雷器轴线距离建筑物距离大于10m,试品顶端距离构架的高度为4.04m。施加的工频电压为638k V,持续时间为2h。实验首先进行第一节全部一般的受潮、第二节全部严重受潮两种情况下泄漏电流的测量。第一节被试受潮直流2m A参考电压为209k V,0.75倍参考电压下的泄漏电流为30u A。相比较于原有避雷器,直流参考电压降低8.3%,整体避雷器直流参考电压降低1.7%,交流参考电压为153k V,单节和整体避雷器参考电压下降为8.1%和1.6%。每间隔一段时间进行测量每节避雷器测点的电流值,结果如图3所示。测试点54-46表示第一节,测试点36-1表示第二、三、四节。

图3 第一节受潮整体避雷器泄漏电流值

通过RCD-8阻性电流测试仪完成阻性电流和全电流的测试,第一节受潮情形下避雷器泄漏电流值如表1所示。全电流有效值约为2m A,全电流峰值约为2.8m A,阻性电流峰值约为0.3m A, 电压基波和全电流基波相角差为83°。

表1 第一节受潮情形下避雷器泄漏电流值

第二节受潮避雷器直流2m A参考电压为195.8k V,0.75倍下的泄漏电流为151u A.。相比于第二节单节,直流参考电压和整体直流参考电压下降分别为14.1%和2.8%,交流参考电压为14k V,单节和整体交流参考电压下降分别为14.1%和2.8%。实验加压2.5h。测量次数为8次。第二节全部受潮各节避雷器测点电流值如图4所示。测试点54-46为第一节,第二节为55-63,第三、四、五节为27-1。

图4 第二节受潮整体避雷器泄漏电流值

通过RCD-8阻性电流测试仪完成阻性电流和全电流的测试,第二节受潮情形下避雷器泄漏电流值如表2所示。全电流有效值范围波动较大,在1.987m A-2.401m A,全电流峰值波动范围为2.809m A-3.394m A,阻性电流峰值波动范围为0.322-0.637m A,电压基波和全电流基波相角差为79.3°-83.7°。

表2 第一节受潮情形下避雷器泄漏电流值

2.2 内部短路条件下性能分析

实验对第一节全部短路、第二节上部1/3短路两种情况进行分析。第一节全部短路的实验加压时间35min,测量次数为9次。测点36-1表示第二、三、四、五节。第一节短路没有电流经过。整体避雷器测点电流值如图5所示。随着时间的增加,每节测点的电流整体呈现逐渐下降的趋势,但仍然有轻微的波动。测点35的波动范围最小,而测点18的波动范围最大。全电流有效值范围波动较大,在2.534-2.592m A,全电流峰值波动范围为2.583-3.666m A,阻性电流峰值波动范围为1.269-1.403m A,电压基波和全电流基波相角差为66.8°-68.7°。

图5 第一节短路整体避雷器测点电流值

第二节上部1/3短路的加压时间为1h,测试次数为8次。测点36-28表示第一节,测点45-42表示第二节,测点27-1表示第三、四节。第二节部分测点短路没有电流经过。随着时间的推移,各测点的电流值逐渐下降,但波动范围并不是特别大。测点4的波动范围最小,而测点26的波动范围最大。全电流有效值范围波动较大,在2.069-2.314m A,全电流峰值波动范围为2.926-3.272m A,阻性电流峰值波动范围为0.395-0.577m A,电压基波和全电流基波相角差为79.8°-82.2°。

图6 第一节短路整体避雷器泄漏电流值

3 结 语

通过比对数据分析法和纵横比分析方法对避雷器动态监测方法进行数据分析。结果证明,该方法对绝缘性避雷器故障具有显著得效果。在第一节全部一般受潮的情形下,相比较于原有避雷器,第一节和的整体避雷器直流参考电压降低8.3%,直流参考电压降低1.7%,第一节和整体避雷器参考电压下降为8.1%和1.6%。在第二节严重受潮情况下,第二节和整体直流参考电压下降分别为14.1%和2.8%,单节和整体交流参考电压下降分别为14.1%和2.8%。在第一节避雷器内部全部短路情形下,第二、三、四、五节的测点电流均随着时间的推移逐渐下降,但变化电流最大值和最小值分别为0.756m A和0.121m A。第二节上部1/3短路时测点4和26的的波动范围分别为最小和最大,数值分别为0.206m A和1.063m A。由于本人的时间和精力有限,未对避雷器动态监测数据的影响因素进行分析,这在后续研究需要完善。