基于谐波分析法对金属氧化物避雷器阻性泄漏电流测量的验证

张耀文，车传强，王 磊，张一帆

（1.内蒙古电力（集团）有限责任公司内蒙古电力科学研究院分公司，内蒙古 呼和浩特 010020；2.内蒙古电力（集团）有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010020）

0 引言

金属氧化物避雷器MOA（metal oxide arrester）自问世以来以优越的保护性能，逐渐成为电力系统限制过电压、保证安全稳定运行的重要一环[1]。但由于运行过程中其长期处于过压过流状态，电流的有功分量会使阀片发热，引起伏安特性的变化，再加上自然条件恶劣等诸多因素影响，会导致内部阀片劣化、绝缘受潮等缺陷，引起泄漏电流激增，甚至最终引起热崩溃，严重威胁着区域电力系统的安全。为了防止这样的情况出现，一方面要求提高避雷器生产的可靠性，另一方面逐渐提升对MOA运行状态的监测也是势在必行[2-3]。

现如今，对于MOA的监测主要分为停电的周期性预防性试验和带电检测，前一种方法检测结果较为准确，但停电检修会影响区域的正常经济民生工作，面对日益增长的避雷器投运需求，后一种带电检修的方式才是更符合现实情况的。MOA带电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[4]。全电流法简单易行，非常适用于现场的大规模使用，但是对于严重受潮的情况表现很不明显，需要阻性电流的强烈激增，才能判别。温度法利用了红外测温的原理，需要预先在内放置温度传感器，对于已建成的设备，无法实现其作用，且探测温度的信号极易受到周围环境的影响，准确性有待提高[5]。相角差法的研究已经很深入，相较于出厂的相角差值，正常运行的相角差为75°～85°，实测经验表明，一旦低于75°，则阻性电流会变化1倍以上，可以很准确、清晰地表明MOA的劣化状态，但为了获得相角差，还得通过测量阻性电流的谐波分析法，所以两者是相辅相成的关系。至于阻性电流法，大量研究表明这是目前最直接的探测方法，其包含瞬时法、谐波分析法和零序电流法，但是受限于电网谐波和相间耦合电容的影响，测量结果会出现不容忽视的偏差[6]。本文旨在通过搭建基于谐波分析法的模型来佐证220 kV MOA现场带电测试试验的准确性。具体情况是先通过模拟电压过零点的情况，搭建的模型会成功削减电网电压谐波和相间耦合电容引起的电容电流的影响，准确提取MOA的三相阻性泄漏电流。然后利用谐波分析法对MOA的阻性泄漏电流信号进行快速傅里叶变换FFT（fast Fourier transform）后的结果进行运算处理，直接提取出阻性泄漏电流的基波和各次谐波分量[7-12]。结果与现场试验结果相比较，误差可以忽略不计，验证了现场MOA带电测试结果的准确性，为确保地区系统安全稳定提供了有力依据。

1 仿真模型

Simulink是由MathWorks公司开发的仿真工具，经过多次改版，在最新版本中，利用其中的Simscape中的Electrical模型库，可以轻松地拖拽相关电力模块，搭建想要的电力系统的模型，设定参数后进行模拟运行，得到相应的波形变化和数据结果。

2 仿真结果及分析

2.1 不考虑电网谐波分量的影响

在不考虑电网谐波影响下，单纯考虑自身和相间容性电流的影响，在X=0.004 985，Y=0.000 409 733情况下三相阻性泄漏电流的波形如图2所示，阻性泄漏电流的峰值为0.409 mA。

对阻性泄漏电流的结果进行FFT变换处理，提取其基波和3次谐波分量，结果如表1所示。

通过对图2和表1的分析，可得出以下结论：

a）三相MOA阻性泄漏电流波形稳定，具有周期和对称的特征，符合实际运行工况。

b）不考虑电网谐波的影响，考虑相间耦合电容电流的影响，利用谐波分析法提取的三相阻性泄漏电流的仿真数据与现场的实际数据对比，相对误差可以忽略不记，这说明谐波分析法可以较好地得到准确的MOA阻性泄漏电流的大小。

2.2 考虑电网谐波分量的影响

在模型图1中加入电网的谐波分量后，分2种情况。首先，仅考虑电网3次谐波，在X=0.004 985，Y=0.000 373情况下且电网3次谐波分量占比为基波的5，三相阻性泄漏电流的波形如图3所示，阻性泄漏电流的峰值为0.373 mA。其次，再增加5次谐波，在X=0.004 985，Y=0.000 341情况下其占电网基波百分比分别为3，三相阻性泄漏电流的波形如图4所示，阻性泄漏电流的峰值为0.341 mA。

图1 220 kV系统中MOA等效电路仿真模型

图2 不含电网电压谐波时三相阻性泄漏电流波形图

图3 电网电压含有53次谐波后三相阻性泄漏电流波形图

图4 电网电压含有53次谐波和35次谐波后三相阻性泄漏电流波形图

将2次MOA三相阻性泄漏电流的仿真数据和现场实际数据经过FFT处理，结果如表2、表3所示。

表2 电网电压含5% 3次谐波后阻性泄漏电流谐波提取值和真实值对比

表3 电网电压含5% 3次谐波和3% 5次谐波后阻性泄漏电流谐波提取值和真实值对比

结合表2、表3和图3、图4，以及2.1节的分析结果，可以得出如下结论：

a）考虑谐波的影响，同时考虑相间耦合电容的影响后，阻性泄漏电流峰值为0.341 mA，与现场带电检测结果一致。再利用谐波分析法提取的阻性泄漏电流的基波、3次谐波分量的仿真数据与现场的实际数据对比，相对误差趋于零，可以忽略不记，说明可以通过精确高次谐波的参与度，进而提升仿真模型的精确性。

3 结论

若要对大规模运行的MOA状态进行优劣化评价，首先得确保检测结果的准确性，在众多的方法中，阻性电流法中的谐波分析法脱颖而出。本文基于谐波分析法，通过对220 kV MOA模型的仿真测试表明，利用电网电压过零点时的计算，可以很好地消除相间耦合电容电流和电网电压谐波的影响，在获取现场相关的参数后，可以有力地佐证现场带电测试试验的准确性。

至于存在的相对误差，可能与现场的电网电压波动以及检测仪器的误差有关，且现场位于污染较为严重的化工产业园区，后续的仿真模拟研究还需要多方面考虑。

综上所述，谐波分析法对于提升区域内MOA带电检测试验的准确性提供了保障，基于此方法构建的相关模型既可以用来对现场数据进行快速有效的验证，也确保了继续构建坚强型电力系统的需求。