雷击线路电磁暂态响应干扰下电缆避雷器故障传感检测

李敏，赵芳芳，孙山峰，洪焕华，陈敬

1.国网长沙供电公司，湖南长沙 410002 2.中科云谷科技有限公司，湖南长沙 410002

0 引言

我国高压交直流输电技术和智能电网快速发展，为了确保电力电缆的安全、可靠运行，必须对过电压进行有效地防护。输电电缆终端的避雷器是主网运行中防止雷电和系统过电压的核心装置，其在运行中会受到过电压和工作电压的双重影响而产生不同程度的绝缘电阻，引起设备性能下降，以及因内部受潮导致缺陷故障，从而影响到输电系统的安全、高效运行[1]。随着交流输电电缆进一步的发展和社会的需求量变大，雷击问题、运行稳定问题成为制约交流输电电缆发展的重要因素。近几年，为进一步提高电力系统和线路的抗雷击性能，在国内电网中广泛应用了金属氧化锌避雷器。金属氧化锌避雷器具有保护性能好、体积小、残压低等诸多优点，同时还能吸收能量大的过电压。在实际运行过程中，因避雷器的缺陷而导致的输电线路故障时有发生，极大地降低了供电网络的稳定性及可靠性，因此，对避雷器缺陷故障进行智能诊断具有重要意义。

这一领域相关研究一直在进行，文献[2]提出基于场路耦合的500 kV 氧化锌避雷器受潮缺陷分析，选择了500 kV 氧化锌避雷器作为研究对象，并建立了相应的阻容网络模型和有限元温度场计算模型，通过仿真分析，获取避雷器在不同运行状态下的泄漏电流和温度分布的数据，并进一步分析受潮等典型缺陷的特征和变化规律。文献[3]提出110 kV 金属氧化物避雷器故障带电检测诊断分析，经过停电试验、解体和故障诊断分析，得出了以下结论：由于避雷器装配环节的密封圈未能完全压缩到位，导致水气从顶部进入，并直接造成了内部阀片受潮，这一发现验证了带电检测技术的有效性。

但是，上述方法存在一定的问题，交流输电电缆终端的避雷器故障特征与雷击线路电磁暂态过响应过程的信号极其类似。当前，从单端行波信息中的检测方法很难区分雷击特征与真实故障行波的特征。本文在上述研究基础上，提出了一种优化的交流输电电缆避雷器缺陷故障诊断方法。

1 交流输电电缆避雷器缺陷故障诊断方法

1.1 基于传感器数据的避雷器干扰特征区分

将传感器布置在避雷器周围，避雷器的阀片拥有良好的非线性特征，在晶界处形成双重势垒，形成了阀门的非线性特征[4]。这种非线性特征会导致其真实故障特征与雷击线路电磁暂态过响应特征之间存在着一定的对应关系，其关联系数的计算公式如下：

式中，e表示电场强度；v表示常数；ηb表示晶体材料本构参数。由上述公式可知，根据避雷器的伏安特性，进行公式（1）中的关联系数的近似求解，其表达式为：

式中，I表示流过压敏电阻的电流数值；u表示材料相关常数；c表示压敏电阻两端的电压数值。

避雷器中，雷击线路电磁暂态过响应特征的伏安特性划分为4 个区域：预击穿区、上翘区、线性区、击穿区[5]。在线性区与非线性区中，电压与电流的关系接近线性关系。在工作电压下，避雷器阀片呈现出高电阻，极低的电流（毫安量级），为小电流区；而在击穿区及上翘区，阀片表现出极低的电阻，几乎是绝缘的。在电压作用下，电流值很大，电阻值极小，是大电流的区域。雷击线路电磁暂态过响应特征的伏安特性曲线如图1 所示。

由图1 可以看出，在交流输电线路正常运行电压下，其线性区域及预击穿区域的伏安特征曲线位于线性区，此时通过避雷器电阻的电流很少，当避雷器发生故障或老化时，其预击穿区与线性区的伏安特性曲线向右偏移，当故障等问题加深后，其伏安特性曲线就会越向右偏移[6-7]，与雷击线路电磁暂态过响应不同，其初始行波的波头下降沿存在转折、突变或者后续存在振荡过程。根据这一特征，可进行相应的特征提取，完成智能识别。

1.2 提取避雷器故障缺陷特征

在目前的避雷器故障检测中，测量的故障缺陷特征量为阻性电流三阶谐波成分、泄漏电流、功率损耗、阻性电流的基波成分等。通过对已有故障监测与识别方法的研究可以发现，每一种特征都可以反映出不同的缺陷，但只能反映出其中一种缺陷。因此，在实际识别分析中，需要结合多种特征进行综合判断。本文将深入开展多特征条件下的绝缘缺陷故障监测识别方法研究，建立一种新型的监测体系，为故障缺陷区的准确、简单、快速诊断提供重要的技术支撑[8-9]。

根据对避雷器故障程度的判断，主要依据的是初始行波的波头下降沿存在转折、突变或者后续存在振荡过程这一特点。这一点主要体现在阀片的功率损耗、泄漏电流的阻性电流分量，因此需要专门的一种用来测量该避雷器阻性电流分量的专用监测装置。本文设计了一种桥型电路，其电路如图2 所示。该装置的主要部件包括：测试变压器、变阻器、标准电容器以及电子示波器等。

通过电路分析，能够得出泄漏电流、阀片的功耗计算公式，其表达式为：

式中，ur(n)表示元件参数值；R表示线绕电阻值；ΔT表示采样的间隔时间；N表示工频周期中的采集数据点数。

避雷器的故障缺陷识别函数是与避雷器两端的参考数据和实测数据相关联的，相关系数是衡量两个变数之间关联性强弱的指标，通过两个离差相乘来反映两个变量之间的相关程度，关联系数以各自平均值和两个变量的离差为代表[10]。上一章节的关联系数是用来刻画变量x、y的紧密程度和关系的一种重要指标，提取避雷器故障缺陷特征的表达式为：

式中，sxy表示x、y之间的避雷器故障缺陷特征相关程度；φx φy表示x、y波动量的数学期待值；cxy表示x、y的均方差值。

通过以上公式得出了每一次谐波时，端部测量值与基准数据之间的相差值。当实测数据与参考数据中的一个组别的相关系数函数值最大时，那么该相关系数的故障程度就与该避雷器所对应的故障缺陷程度最接近。一般情况下，在交流输电线路上避雷器的布设通常为一字型，一般会受杂散电容的影响，且杂散电容的影响大小与避雷器中的任意二者之间的距离成正比，即距离越近，影响越大，因此，流经两边的避雷器的总电流大小就会有一定变化，这也是需要注意的问题。

1.3 交流输电电缆的故障识别方法设计

本文设计的避雷器故障缺陷辨识方法不是简单的基波和三次谐波的振幅大小，而是通过对有无缺陷、故障状态和老化程度的对比来进行的。通过对各判别函数的综合极大值进行分析，得出了各判别函数的最大值，并给出了各判别函数的计算公式。这个判别函数的值就是公式（5）中测量数据与基准数据之间的相关值，其中，基准数据需要从绝缘老化、受潮等故障（包括正常状态）的运行数据中提取出来，形成一个用于判断故障缺损状态的识别数据库。该数据库的详细参数如表1 所示，根据该数据库可以实现交流输电电缆的故障识别。

表1 故障状况类型

2 实验测试与分析

为证明本文提出的交流输电电缆避雷器缺陷故障诊断方法的有效性，现进行实验测试，测试现场如图3 所示。避雷器型号为HY5WS-17/50；传感器型号为PT100；实验参数：电缆长度为1 km，电缆截面积为120 mm²，额定电压为10 kV；避雷器安装在电缆中段，在避雷器两端各安装一个PT100 温度传感器，用于监测避雷器运行时的温度变化；实验雷电模拟：用雷电模拟器产生模拟雷电波形，波峰电压为17 kV，波形为8/20 μs 标准雷电波。

测试现场选用真实雷击环境，传感器的安装位置如图4 所示。

2.1 实验准备

此次实验需要在工业软件环境中进行测试分析。将本文提出的交流输电电缆避雷器缺陷故障诊断方法与文献[2]的基于场路耦合的500 kV氧化锌避雷器受潮缺陷检测方法、文献[3]的110 kV 金属氧化物避雷器故障带电检测方法进行对比。实验所需的主要设备以及参数如表2 所示。

表2 主要设备以及参数表

在对交流输电线路上避雷器的泄漏电流进行试验时，将电容分压器的地线连接到测试使用的避雷器的基座上，并将带有屏蔽的高压导线连接到避雷器的顶法兰上。图5 为本次实验所设置的设备布设示意图。

根据实际测试中所需的避雷器对放电动作要完全核查的要求，因此，需要对该参与测试的避雷器进行测试选择，避雷器放电次数代表其性能的优越性。避雷器放电计数器动作次数的结果如表3 所示。

表3 避雷器放电计数器动作次数

经现场验算，此故障避雷器放电计数器运行170 次，为其他3 个并联避雷器放电计数器运行的5 倍。根据上述数据，本次实验选择#4 避雷器进行实验测试。

2.2 实验结果与分析

根据上述实验准备，以交流输电电缆避雷器运行电流作为实验对象，其原始电流如图6 所示。

由图6 可知，该交流输电电缆避雷器运行电流随着时间的增加呈现波动趋势，当电流内部存在噪声时，其波动区间较大，为-20～20 A 之间。使用本文方法提取避雷器故障缺陷特征，对其进行去噪处理，得到测试结果如图7 所示。

由图7 可知，使用本文方法对交流输电电缆避雷器的运行电流进行去噪处理后，其电流波动区间降低为固定频率区间，有效去除了电流内含有的干扰噪声。由此说明，本文方法对交流输电电缆避雷器的运行电流进行去噪处理的效果显著，能够实现有效的去噪。

将3 种方法带入到测试环境中，测试的时间周期为10 d，实验设定的泄漏电流故障为5 mA，进行此次实验的操作，其泄漏电流的监测实验结果如表4 所示。

表4 泄漏电流监测实验结果

根据表4 泄漏电流监测结果可以看出，交流输电电缆避雷器缺陷故障诊断方法的识别结果基本正确，其误差监测数值最大为0.148 mA，对交流电路发生故障的状态下出现泄漏电流可以做出较为正确的诊断，而其他方法的误差值都较大。由此证明了本文提出的交流输电电缆避雷器缺陷故障诊断方法具有较好的可行性和灵敏度，不容易产生误判。

3 结束语

采用的交流电缆避雷器缺陷故障诊断技术能够对变压器的内部绝缘情况进行实时、精确的测试。和传统停电测试比较，该交流输电电缆避雷器运行电流随着时间的增加呈现波动趋势，其电流波动区间降低为固定频率区间，有效去除了电流内含有的干扰噪声；其缺陷故障诊断方法的识别结果基本正确，其误差监测数值最大为 0.148 mA，具有较好的可行性和灵敏度。同时，该技术具备带电状态的特性，可以灵活地掌握测试周期，以便对避雷器的问题做出有效地跟踪与解决。