CN107561393A - 一种基于全电流谐波向量的避雷器早期缺陷带电测试系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量领域，尤其涉及一种基于全电流谐波向量的避雷器早期缺陷带电测试系统和方法，可实现对阻性电流和谐波电流分量的准确提取，实现避雷器状态的正确诊断，通过本发明可达到试验简便、安全的目的，且为避雷器运维提供一种安全、简便、高效和准确的解决方案。

Description

一种基于全电流谐波向量的避雷器早期缺陷带电测试系统和 方法

技术领域

本发明涉及测量领域，尤其涉及一种基于全电流谐波向量的避雷器早期缺陷带电测试系统和方法。

背景技术

带电测试与红外检测相结合已成为避雷器预试主要手段。在占主流的容性电流补偿法实践中，因安全理由，不取PT二次信号，或转而取站用变参考电压，带来较大的原理性误差，以及现场相间干扰和仪器等原因，不能准确地测量阻性电流值，甚至出现误判、漏判的问题，影响了带电测试技术对避雷器缺陷诊断的有效性。

容性电流补偿法是目前避雷器带电测试中原理上最为成熟的方法，通过取系统电压信号作为基准，对全电流中的容性部分进行补偿，得到反映避雷器有功损耗的阻性电流分量。系统电压信号的提取有PT二次电压和空间电场的感应板法两种途径。

PT二次电压抽取法是技术上最为成熟，是避雷器带电测试的标准做法。但是，此种方法容易受到相间干扰的影响，仪器制造厂家在相间干扰补偿和系统抗干扰能力方面经过多代改进，已经形成较为成熟的方法。但是，该种方法需要在生产现场取得电压互感器二次侧测量电压作为基准，在带电测试实践中带来了诸多不便，并且给现场二次设备运行带来一定的安全风险。在强调安全背景下，基层单位尝试提取站用交流电压信号作为参考电压的方法，站用变交流电压信号与运行电压信号存在相角差，无法起到抵消容性电流分量的作用，这种方法在原理上存在先天的缺陷，取得的参考电压无法达到取PT二次电压的测量精度。

空间电场的感应板法，感应板的感应电压信号取代电压互感器信号的方法，但是该种方法容易受到相间干扰，据了解，此种方法需要测试人员多次调整放置位置，与PT二次电压抽取法的测试结果无法吻合，测试结果分散性大，一致性很不理想。目前主流的避雷器带电测试生产厂家济南泛华仪器公司有感应板法测试功能，实际测试时，感应板同样会受到边相电场信号影响，只有放到B相避雷器底座上，边相对感应板的电流才不会对B相感应电流的角度产生影响。但其局限性在于，实际测量对感应板的安装位置比较敏感，特别是三相情况不对称，或者周围有横拉的母线时，测试结果越显得不准确，试验的重复性不强，在现场较少用到。

现场布置方式对避雷器带电测试带来了相间干扰的影响，尽管现有成熟的仪器均有相间补偿功能，但实际应用中效果不理想。现有的避雷器带电测试方法无法得出阻性电流的准确值，带电测试的结果并不追求测试数据的准确性，带电测试的有效性主要体现在测试数据的横向比较，个别出现劣化的避雷器可以在横向比较中发现出来，难以对出现批次性、家族性缺陷避雷器状态进行反映，并且难以发现避雷器早期缺陷。

带电测试也存在误判断的情况，在实际现场测试中，也存在带电测试发现问题，而停电后测试却无异常的情况。

避雷器电阻片的非线性特性，使得流过电阻片的电流产生畸变，产生三次谐波，三次谐波法通过测量全电流中三次谐波分量，成为检验避雷器电阻片老化状况的一种检测手段，出现了相应商业化的仪器在系统中得到应用。但是该方法有以下不足：①三次谐波电流值较小，准确采集存在困难；②三次谐波反映电阻片阻值的非线性，也就是说只能反映电阻片的劣化情况，并不能反映避雷器受潮的缺陷，限制了这种方法的应用。据了解，三次谐波法在系统中尚无大规模应用的报道，只是作为避雷器状态检测的一种辅助参考手段。

目前，带电测试仪器生产厂家众多，测试原理、抗干扰能力不同，设备质量良莠不齐，在实践中常常无法使用历史数据进行纵向对比，避雷器劣化的趋势难以从历史数据中反映出来。2013年4月25日， 500kV汕头站500kV汕榕甲线避雷器因雷击出现故障，事后，对健全相避雷器的直流试验测试，结果显示泄漏电流超标，确认电阻片劣化，故障的原因是分析电阻片出现劣化在承受多重雷击的累积冲击下，加速劣化，并在随后的运行电压下出现热崩溃。调取该避雷器近三年的带电测试数据，避雷器测试现场复杂的环境，也带来了现场高干扰的问题。测试数据容易受到环境的温度、湿度、雨量、避雷器表面污秽度、电磁环境等的影响，造成数据的不准确。

目前的另一个问题是安全问题。在现场取电压互感器信号时有诸多不便与安全隐患：①需要运行人员配合接入电压互感器信号，存在误操作风险；②需要额外增加隔离装置，防止仪器内信号串入电压互感器；③电压互感器信号存在着短路风险。不符合安全、简便的避雷器带电测试的技术发展方向。

由于现有避雷器带电测试技术存在上述缺点，因此，目前带电测试数据有效性存在不足。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明提出一种基于全电流谐波向量的避雷器早期缺陷带电测试系统和方法，可实现对阻性电流和谐波电流分量的准确提取，实现避雷器状态的正确诊断，通过本发明可达到试验简便、安全的目的，且为避雷器运维提供一种安全、简便、高效和准确的解决方案。

本发明的技术方案是：

一种基于全电流谐波向量的避雷器早期缺陷带电测试系统，其中该系统包括避雷器全电流测量装置和专家评价系统；

避雷器全电流测量装置包括弱电流互感器，输入端子，滤波单元，量程自动切换单元，放大单元，电平偏置电路，AD采样单元，CPU，存储单元、USB接口，所述弱电流互感器穿过避雷器接地线采样电流信号，其输出端与输入端子的输入端连接，输入端子的输出端与滤波单元的输入端连接，滤波单元的输出端与量程自动切换单元连接，量程自动切换单元的输出端连接到放大单元的输入端，放大单元的输出端连接到电平偏置电路的输入端，电平偏置电路的输出端连接到AD采样单元的输入端，AD采样单元的输出端连接到CPU的输入端，CPU的输出端分别连接存储单元、USB接口、量程自动切换单元的输入端，专家评价系统通过USB接口与避雷器全电流测量装置相连。

弱电流互感器从避雷器采集全电流信号后，再将全电流信号通过输入端子输送到滤波单元进行滤波，滤波后的全电流信号输入量程自动切换单元进行量程的判断，判断完后达到标准的全电流信号到达放大单元进行放大，放大后的全电流信号通过电平偏置电路进行校正，校正后的全电流信号输入到AD采样单元进行采样，采样后的全电流信号输入到CPU 进行计算得到阻性电流和容性电流，CPU将计算结果通过USB接口传送到专家评价系统进行分析对比判断避雷器的优劣，同时CPU的计算结果也输送到存储单元进行备份。

进一步，专家评价系统中建立有数据库，数据库中包含各种型号避雷器模型计算、产品特性数据、现场测量环境、历史测量结果等多种信息，所述避雷器全电流测量装置将测试结果通过USB接口上传到专家评价系统，专家评价系统将测试结果与数据库中的数据进行比对，结合人为评价参考，将难以解读的数据信息转换为直观的用户测试结论输出，判断该避雷器的劣化程度。

进一步，弱电流互感器为高精度互感器。由于避雷器中的泄漏电流都是毫安级的，其中三次谐波可能都是微安级的，这样要求采样的电流互感器能够准确的采样微安级的信号，提供准确测量的前提条件。

本发明还提供一种基于全电流谐波向量的避雷器早期缺陷带电测试方法，其中所述方法包括以下步骤：

S1：避雷器一端连接电网，避雷器的接地线上接有避雷器全电流测量装置；

S2：避雷器全电流测量装置通过弱电流互感器采样避雷器中的全电流信号；

S3：弱电流互感器采样的全电流信号通过输出端子输送到滤波单元，滤波单元对全电流信号进行滤波处理；

S4：滤波处理后的全电流信号输出到放大单元进行放大；

S5：放大后的全电流信号输送到电平偏置电路进行校正；

S6：校正后的全电流信号输送到AD采样单元进行采样；

S7：采样后的全电流信号输送到CPU，CPU计算出全电流中的三次谐波的幅值和相位，再利用三次谐波的相位推算出基波电压相位，

最后将基波电压的相位带入全电流算出阻性电流和容性电流；

S8：避雷器全电流测量装置将CPU得到的结果通过USB接口上传给上位机的专家评价系统，同时结果输入存储单元进行存储备份；

S9：专家评价系统通过在其数据库中匹配被测避雷器的模型计算数据、产品特性数据、现场测量环境、历史测量结果等，判断该避雷器的劣化程度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）抗干扰能力强，可在千倍的容性电流干扰和其他杂散干扰下准确的测量三次谐波的向量。

（2）本发明只需采样避雷器全电流信号，无需PT二次信号，即可判断避雷器的劣化情况，可达到试验简便、安全的目的。

（3）智能化程度高，可自动切换量程，可保存结果，可导出测试波形，非常有利于进一步的技术分析。

（4）系统核心部分为CPU和软件算法，有利于保护知识产权。

附图说明

图1为一种基于全电流谐波向量的避雷器早期缺陷带电测试系统示意图。

图2为一种基于全电流谐波向量的避雷器早期缺陷带电测试方法流程图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

实施例1：

如图1所示，一种基于全电流谐波向量的避雷器早期缺陷带电测试系统，其中该系统包括避雷器全电流测量装置和专家评价系统；

避雷器全电流测量装置包括弱电流互感器，输入端子，滤波单元，量程自动切换单元，放大单元，电平偏置电路，AD采样单元，CPU，存储单元、USB接口，所述弱电流互感器穿过避雷器接地线采样电流信号，其输出端与输入端子的输入端连接，输入端子的输出端与滤波单元的输入端连接，滤波单元的输出端与量程自动切换单元连接，量程自动切换单元的输出端连接到放大单元的输入端，放大单元的输出端连接到电平偏置电路的输入端，电平偏置电路的输出端连接到AD采样单元的输入端，AD采样单元的输出端连接到CPU的输入端，CPU的输出端分别连接存储单元、USB接口、量程自动切换单元的输入端，专家评价系统通过USB接口与避雷器全电流测量装置相连。

弱电流互感器从避雷器采集全电流信号后，再将全电流信号通过输入端子输送到滤波单元进行滤波，滤波后的全电流信号输入量程自动切换单元进行量程的判断，判断完后达到标准的全电流信号到达放大单元进行放大，放大后的全电流信号通过电平偏置电路进行校正，校正后的全电流信号输入到AD采样单元进行采样，采样后的全电流信号输入到CPU 进行计算得到阻性电流和容性电流，CPU将计算结果通过USB接口传送到专家评价系统进行分析对比判断避雷器的优劣，同时CPU的计算结果也输送到存储单元进行备份。

其中，专家评价系统中建立有数据库，数据库中包含各种型号避雷器模型计算、产品特性数据、现场测量环境、历史测量结果等多种信息，所述避雷器全电流测量装置将测试结果通过USB接口上传到专家评价系统，专家评价系统将测试结果与数据库中的数据进行比对，结合人为评价参考，将难以解读的数据信息转换为直观的用户测试结论输出，判断该避雷器的劣化程度。

其中，避雷器谐波电流向量与阻性电流间数学推导算法如下：

对避雷器施加电压为正弦电压，即U＝Umsin（ωt＋Ψ）,整理会出现3次谐波电流ir3＝K3Umsin（3ωt＋Ψ3）。只要避雷器电阻R存在非线性即i≥3，阻性电流中必然存在3次谐波分量。从K3表达式中看到：K3，K5越大，即非线性越强，3次谐波分量越大；就是说ir3与非线性系数K3，K5成正比。三次谐波电流相位Ψ3与电压相位Ψ成不变关系Ψ3＝3Ψ，故从Ir3的相角Ψ3可获得电压相角Ψ。1个50Hz基波对应3个三次谐波的波形，其中的1个三次谐波过零点与基波过零点重合，即“同相”，另两个分别与基波相差120°,240°。通过测量三次谐波的相位，可以推算出基波的相角有3种可能结果。而已知，基波的相位与全电流的相位相差接近90°，则可以确定符合这个要求的的基波电压相位正确结果。得到基波电压的相位后，通过全电流进行傅利叶分解，即可得到容性电流向量，再用全电流减去容性电流即可得到阻性电流。

由于避雷器的泄漏电流往往都是mA级，而阻性电流只占全电流的10%-20%，阻性电流中的三次谐波分量更是可能只有uA级，采用高精度弱电流互感器可以在上百甚至上千倍的容性电流干扰下，精确的分析谐波分量的幅度和相位特性。全电流采用高精度的弱电流互感器进行采样，将采集到的电流信号转换成电压信号并加以适当放大（放大1000倍，即后续所得输出数据/V对应/mA）以便后续进行三次谐波带通滤波。由于滤波的带宽小，上下限截止频率相对靠近，不宜采用为单独的低通与高通滤波器来实现，因此，采用中心频率为100 Hz的六阶多重负反馈带通滤波电路和峰值检测电路以及校正电路，实现避雷器泄漏电流的测量，最后通过DSP进行数字处理对所测数据进行分析。

该避雷器全电流测量装置采用自动量程切换技术， 量程自动切换单元由多个不同阻值的电阻串联而成，在不同的位置分出多个量程，分别对应100uA，1mA，10mA等量程。CPU程序识别并自动控制切换对应的继电器，使得信号幅值大小在最佳的测量范围内。

针对目前现场环境的常见干扰，设计对应的匹配滤波算法，针对不同频谱特征的干扰，根据SINR最大化准则，建立对应的干扰阻塞匹配滤波器，在不伤及所关注信号特性的墙体下，尽可能降低环境噪声。

除了对干扰使用干扰注射匹配滤波器技术之外，对于有用信号，考虑到信号中的容性成分和阻性成分之间混合的特点，采用分离算法。其中基于高阶统计量的信号分离算法分离效果好，对信号的要求低、算法运行速度快，因此拟作为干扰分离的书要技术手段。具体选用“盲分离”技术，这一技术依赖于非高斯型信号中的高阶统计量信息，区分不同的信号分量，相关的算法包括“独立分量分析”（ICA）和非线性“主分量分析”算法。利用混合信号最终不同信号成分的统计独立或者非相关特性进行分离。由于这一算法依赖于一定时间窗口内所有信号样本的统计特性，对短时的随机干扰和噪声有一定抑制能力，并能够通过长时间信号的能量累积，提高弱信号检出能力。相关的算法在生物电信号检测、音频信号分离、微弱无线信号探测等强干扰下的弱信号检测领域得到广泛应用，算法可行性有保证。

在谐波成分分析方面，传统的离散傅里叶变换由于受到信号长度、干扰和矩形窗口的频谱泄漏问题，这一问题虽然通过修改窗口的形状可以改善名，但从理论上频谱分辨能力受限于信号长度。为了提高谐波分辨能力，拟采用“现代谱估计”算法，通过信号子空间模型，直接估计其中的谐波向量特性参数，由于谱估计算法在短时信号频谱分辨力方面的优势，使得它非常适用于高精度谐波向量测量和分析。

如图2所示，本发明还提供一种基于全电流谐波向量的避雷器早期缺陷带电测试方法，其中所述方法包括以下步骤：

S1：避雷器一端连接电网，避雷器的接地线上接有避雷器全电流测量装置；

S2：避雷器全电流测量装置通过弱电流互感器采样避雷器中的全电流信号；

S3：弱电流互感器采样的全电流信号通过输出端子输送到滤波单元，滤波单元对全电流信号进行滤波处理；

S4：滤波处理后的全电流信号输出到放大单元进行放大；

S5：放大后的全电流信号输送到电平偏置电路进行校正；

S6：校正后的全电流信号输送到AD采样单元进行采样；

S7：采样后的全电流信号输送到CPU，CPU计算出全电流中的三次谐波的幅值和相位，再利用三次谐波的相位推算出基波电压相位，

最后将基波电压的相位带入全电流算出阻性电流和容性电流；

S8：避雷器全电流测量装置将CPU得到的结果通过USB接口上传给上位机的专家评价系统，同时结果输入存储单元进行存储备份；

S9：专家评价系统通过在其数据库中匹配被测避雷器的模型计算数据、产品特性数据、现场测量环境、历史测量结果等，判断该避雷器的劣化程度。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于全电流谐波向量的避雷器早期缺陷带电测试系统，其特征在于，该系统包括避雷器全电流测量装置和专家评价系统；

避雷器全电流测量装置包括弱电流互感器，输入端子，滤波单元，量程自动切换单元，放大单元，电平偏置电路，AD采样单元，CPU，存储单元、USB接口，所述弱电流互感器穿过避雷器接地线采样电流信号，其输出端与输入端子的输入端连接，输入端子的输出端与滤波单元的输入端连接，滤波单元的输出端与量程自动切换单元连接，量程自动切换单元的输出端连接到放大单元的输入端，放大单元的输出端连接到电平偏置电路的输入端，电平偏置电路的输出端连接到AD采样单元的输入端，AD采样单元的输出端连接到CPU的输入端，CPU的输出端分别连接存储单元、USB接口、量程自动切换单元的输入端，专家评价系统通过USB接口与避雷器全电流测量装置相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于全电流谐波向量的避雷器早期缺陷带电测试系统，其特征在于，所述专家评价系统中建立有数据库，数据库中包含各种型号避雷器模型计算、产品特性数据、现场测量环境、历史测量结果等多种信息，所述避雷器全电流测量装置将测试结果通过USB接口上传到专家评价系统，专家评价系统将测试结果与数据库中的数据进行比对，结合人为评价参考，将难以解读的数据信息转换为直观的用户测试结论输出，判断该避雷器的劣化程度。

3.根据权利要求1所述的一种基于全电流谐波向量的避雷器早期缺陷带电测试系统，其特征在于，所述弱电流互感器为高精度互感器。

4.一种基于全电流谐波向量的避雷器早期缺陷带电测试方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1：避雷器一端连接电网，避雷器的接地线上接有避雷器全电流测量装置；

S2：避雷器全电流测量装置通过弱电流互感器采样避雷器中的全电流信号；

S3：弱电流互感器采样的全电流信号通过输出端子输送到滤波单元，滤波单元对全电流信号进行滤波处理；

S4：滤波处理后的全电流信号输出到放大单元进行放大；

S5：放大后的全电流信号输送到电平偏置电路进行校正；

S6：校正后的全电流信号输送到AD采样单元进行采样；

S7：采样后的全电流信号输送到CPU，CPU计算出全电流中的三次谐波的幅值和相位，再利用三次谐波的相位推算出基波电压相位，

最后将基波电压的相位带入全电流算出阻性电流和容性电流；

S8：避雷器全电流测量装置将CPU得到的结果通过USB接口上传给上位机的专家评价系统，同时结果输入存储单元进行存储备份；

S9：专家评价系统通过在其数据库中匹配被测避雷器的模型计算数据、产品特性数据、现场测量环境、历史测量结果等，判断该避雷器的劣化程度。