CN101986164B - 一种金属氧化物避雷器阻性电流提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种金属氧化物避雷器阻性电流提取方法。技术方案是：获得施加于避雷器上的电压信号以及流过MOA中的泄漏电流，将电压信号进行快速傅立叶变换获得各次谐波幅值和相位，根据电容上电压信号和电流信号的相位关系以及获得的电压各次谐波幅值和相位获得与避雷器容性电流波形相同但幅值成比例的容性电流信号，再根据避雷器阻性电流与容性电流正交的原理获得避雷器的阻性电流。本方法原理上非常严谨，实现上较为方便，数字信号抗干扰能力强，因为采用傅里叶变换处理移相，理论上即使存在各次谐波均不会导致误差，实际应用中可有效提高阻性电流测量的准确性。

Description

一种金属氧化物避雷器阻性电流提取方法

技术领域

本发明属于电气设备测试领域，尤其涉及一种金属氧化物避雷器阻性电流提取方法。

背景技术

金属氧化物避雷器(Metal Oxide Arrester，MOA)由于具有体积小、造价低、保护性能优越、非线性特性好、通流量大、残压低等优点，是电力系统中重要的过电压保护设备。目前，不仅在高压、超高压电力系统中几乎全部采用MOA，而且在已投入运行的电力系统中也大量改用MOA。随着MOA在电力系统中的广泛应用，大大提高了电力系统的安全性，也降低了设备成本，产生了巨大的经济效益和社会效益。经过几十年的现场运行，MOA在充分显示优越性的同时，也暴露了其缺点和不足，MOA在现场运行时容易出现受潮、老化和冲击劣化等故障，严重时甚至会导致避雷器的爆炸，严重影响系统的正常运行。金属氧化物避雷器阻性电流反映了避雷器运行状况，根据阻性电流及其谐波分量的变化结果能判断MOA性能，所以对运行中的金属氧化物避雷器阻性电流进行检测非常有必要。通常情况下金属氧化物避雷器阻性电流仅占总泄漏电流的5％～20％，即使避雷器受潮和老化严重时总泄漏电流变化也不大，所以有必要从总泄漏电流中提取阻性电流的基波和三次谐波分量。

由于避雷器的非线性电阻和晶介电容无法准确获得，因此有必要研究阻性电流的获得方法。容性电流补偿法将电压信号移相90°后成为容性分量，从而可以补偿容性电流，但该方法没有考虑到谐波的存在，当谐波存在时该算法存在误差。改进容性电流补偿法考虑了谐波存在的影响，认为容抗随着谐波次数的增加成正比增大，但是该方法认为基波的阻性电流和容性电流是正交关系，而实际上根据非线性电阻的定义并不能推导出以上关系，算法理论上不够严谨，而且该算法的误差会随着3次谐波的增加而增大。变系数补偿法的原理与改进容性电流补偿法类似。POW(Point-on-Wave)法根据半周期内容性电流波形关于π/2原点对称，从而可以消去容性分量，但该方法没有考虑电压谐波的存在。谐波分析法将电压和电流信号用FFT分解为各次谐波，认为电压的各次谐波与阻性电流对应的各次谐波是同相位的，该特性对于线性电阻成立，但对于非线性电阻并没有以上的关系，因此方法也存在误差。

发明内容

为解决上述各种方法存在的不足，本发明提供了一种金属氧化物避雷器阻性电流提取方法。

本发明的技术方案是，通过互感器或电容分压器获得施加于金属氧化物避雷器上的电压信号u(t)，利用穿心式电流传感器或串入式电流传感器获得金属氧化物避雷器中流过的电流信号i(t)，然后根据电压信号利用傅里叶算法获得与容性电流波形一致但幅值成比例的电流信号i_C1(t)，根据正交原理获得晶介电容C，避雷器的容性电流i_C(t)＝Ci_C1(t)，从而获得避雷器的阻性电流i_R(t)＝i(t)-i_C1(t)。

获得所述电流信号i_C1(t)的步骤为：通过对电压信号进行傅里叶变换获得各次谐波的幅值和相位，然后将各次谐波幅值乘以谐波次数、谐波相位移相90°并将得到的各次谐波累加。

所述真实容性电流根据晶介电容C以及与真实容性电流成比例的电流i_C1(t)的乘积获得。

本发明的有益效果包括：

(1)准确性高

因为小电流区MOA阻性电流与容性电流存在正交性，而本发明正是根据阻性电流和容性电流存在的正交性，通过FFT算法实现对电压信号的微分，避免了用移相电路时存在的误差，实际应用效果好。

(2)能准确获得晶界电容

MOA的晶界电容也是其一个重要的参数，获得该电容值有助于对MOA绝缘状态进行监测，以更好地维护它的运行。

附图说明

下面结合附图对本发明作详细说明：

图1为MOA在小电流区的等效电路图；

图2为本发明的流程图；

图3为实际验证时的MOA电压和泄漏电流接线图；

图4为实际测量得到的MOA电压和泄漏电流信号。

具体实施方式

当流过MOA泄漏电流小于1mA时，MOA处于小电流区，小电流区时MOA等值电路模型如附图1所示。

附图1中R为MOA的非线性电阻；C为晶介电容；i_R为阻性电流；i_C为容性电流；i为全电流；u为加在避雷器上的电压。

电压u、全电流i、阻性电流i_R和容性电流i_C满足如下关系：

i_R＝f(u)                  (1)

$i_C=C\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

i＝i_C+i_R                (3)

式中i_R＝f(u)为非线性电阻的电压电流关系，是代数关系。

设T为施加于MOA上电压信号周期，则容性电流i_C和阻性电流i_R乘积在一个周期内的积分为

$A={\∫}_0^T{i}_C\left(t\right)i_R\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(4\right)$

将式(1)、(2)带入式(4)，有

$A={\∫}_0^{T}C\frac{\mathrm{du}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}f\left(u\left(t\right)\right)\mathrm{dt}---\left(5\right)$

根据定积分的变量置换法，式(5)变为

$A={\∫}_{u\left(0\right)}^{u\left(T\right)}\mathrm{Cf}\left(u\right)\mathrm{du}---\left(6\right)$

因为u(T)＝u(0)，所以式(6)变为

$A={\∫}_{u\left(0\right)}^{u\left(T\right)}\mathrm{Cf}\left(u\right)\mathrm{du}={\∫}_{u\left(0\right)}^{u\left(0\right)}\mathrm{Cf}\left(u\right)\mathrm{du}=0---\left(7\right)$

从式(7)可以看出，MOA的阻性电流和容性电流满足正交关系。

设电容值为一个单位时容性电流记为i′_C，即

$i_C^{\′}\left(t\right)=\frac{\mathrm{du}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{i_C\left(t\right)}{C}---\left(8\right)$

泄漏电流i与容性电流i′_C乘积在一个周期内的积分为

$B={\∫}_0^T{i}_C^{\′}\left(t\right)i\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(9\right)$

将式(2)、(3)、(8)代入式(9)，有

$B={\∫}_0^T{i}_C^{\′}\left(t\right)(i_R\left(t\right)+C{i}_C^{\′}\left(t\right))\mathrm{dt}$

$={\∫}_0^T(\frac{i_C\left(t\right)i_R\left(t\right)}{C}+C{i}_C^{\′}{\left(t\right)}^2)\mathrm{dt}=C{\∫}_0^T{i}_C^{\′}{\left(t\right)}^2\mathrm{dt}---\left(10\right)$

结合式(9)、(10)可得避雷器的等效电容

$C=\frac{{\∫}_0^T{i}_C^{\′}\left(t\right)i\left(t\right)\mathrm{dt}}{{\∫}_0^T{i}_C^{\′}{\left(t\right)}^2\mathrm{dt}}---\left(11\right)$

容性电流i′_C是电压信号通过求导获得，由于离散信号不能求导，所提i′_C是通过对电压信号FFT后对各次谐波信号分别处理获得容性电流。

设电压信号可以表示为

$u\left(t\right)=U_0+\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{U}_k\sin (\mathrm{k\ωt}+{\mathrm{\α}}_k)---\left(12\right)$

式中U_k和α_k通过对电压信号进行FFT计算获得。

则假设电容为单位值时的容性电流i′_C可以表示如下

$i_C^{\′}\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{k\ω}{U}_k\sin (\mathrm{k\ωt}+{\mathrm{\α}}_k+\frac{\mathrm{\π}}{2})---\left(13\right)$

实际应用中电压信号u和电容信号i为已知量，根据式(13)可以获得i′_C，将i′_C和i带入式(11)即可获得晶介电容C。

将式(2)带入式(3)，有阻性电流

$i_R=i-C\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}}---\left(14\right)$

根据泄漏电流i、晶介电容C、电压u和式(14)，即可获得阻性电流。

如附图2所示，本发明的步骤包括：

(1)通过电压互感器或电容分压器获得施加于MOA上的电压信号，通过穿心式电流传感器或串入式电流传感器获得流过MOA的泄漏电流信号；

(2)通过采集卡将电压和泄漏电流信号存储为数字化离散信号；

(3)根据式(11)～(14)获得阻性电流。

实验验证

避雷器选用型号为HY₅WS-17/50的合成绝缘金属氧化物避雷器，对试品施加有效值为10kV的交流电压，用电容分压器和无感电阻分别取出电压和泄漏电流信号后接入示波器显示和存储，试验电路如附图3所示。

T1-自耦调压器；T2-YDJ5/50型工频试验变压器；R1-保护电阻；C1、C2-电容分压器，变比为5000；R2-无感取样电阻，20kΩ。

采样频率为25kHz，采样时间长度为0.1s，重复测量12组电压和电流信号。选择典型的电压和电流信号如附图4所示。

3种方法计算所得阻性电流的基波和三次谐波的统计情况如表1、2所示。

表1阻性电流基波计算结果/mA

表2阻性电流3次谐波计算结果/mA

从表1可见，针对阻性电流基波的测量，谐波分析法和本发明提供方法的稳定性都非常高，二者均值、最大值、最小值都非常接近，而且标准差均小于均值的1％，这在一定程度上验证了2种算法获得结果的可靠性。谐波分析法测量结果准确性高的原因初步分析是因为实际的电压和非线性电阻特性综合导致阻性电流的基波和容性电流的基波相位差刚好为90°，故谐波分析法精确度较高。POW法误差相对较大，标准差为均值的10％左右，这是因为电压信号中存在谐波分量，导致算法误差增加。

从表2可见，虽然针对的是同样的信号，三种方法计算得到的阻性电流三次谐波存在较大的差别，因此，方法的选择要谨慎。其中，谐波分析法得到的阻性电流三次谐波幅值最小，但多次测量结果的标准差却与本发明提供方法接近，POW法得到的阻性电流三次谐波幅值与本发明提供方法相近，但标准差却是本发明提供方法的4倍左右。因此，本发明提供方法具有最高的稳定性，这与同一个避雷器在承受同一电压源情况下阻性电流相同吻合，从而验证了本发明的有效性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种金属氧化物避雷器阻性电流提取方法，其特征在于，通过互感器或电容分压器获得施加于金属氧化物避雷器上的电压信号u(t)，利用穿心式电流传感器或串入式电流传感器获得金属氧化物避雷器中流过的电流信号i(t)，然后根据电压信号利用傅里叶算法获得与容性电流波形一致但幅值成比例的电流信号i_C1(t)，根据正交原理获得晶界电容C，避雷器的容性电流i_C(t)＝Ci_C1(t)，从而获得避雷器的阻性电流i_R(t)＝i(t)-i_C(t)。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，获得所述电流信号i_C1(t)的步骤为：通过对电压信号进行傅里叶变换获得各次谐波的幅值和相位，然后将各次谐波幅值乘以谐波次数、谐波相位移相90°并将得到的各次谐波累加。

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