CN107688113A

CN107688113A - 一种避雷器泄露电流成分分析方法及系统

Info

Publication number: CN107688113A
Application number: CN201710701326.0A
Authority: CN
Inventors: 陈炯; 李佳颖; 高源�
Original assignee: Shanghai University of Electric Power
Current assignee: Shanghai University of Electric Power
Priority date: 2017-08-16
Filing date: 2017-08-16
Publication date: 2018-02-13

Abstract

本发明公开了一种避雷器泄露电流成分分析方法及系统，所述方法包括：计算分析避雷器泄漏电流中全泄漏电流、阻性基波分量和阻性三次谐波分量之间的关系；搭建电容补偿电路，提取避雷器泄露电流及参考容性电流；将提取的信号进行电流‑电压信号转换；从转换后的信号中提取阻性电压分量，基于阻性电压分量计算得到避雷器泄漏电流中的阻性电流分量，能够准确的对避雷器泄漏电流阻性分量进行测量。

Description

一种避雷器泄露电流成分分析方法及系统

技术领域

本发明涉及避雷器研究领域，具体地，涉及一种避雷器泄露电流成分分析方法及系统。

背景技术

金属氧化物避雷器作为系统电气设备过电压的保护装置，内部主要由氧化锌阀片串联而成，经长期运行内部的阀片电阻会因老化而失效，可见金属氧化物避雷器的运行状态直接影响着电力系统的安全运行。

工程中，常常以全泄露电流变化表征和判断避雷器的运行状态。但是由于氧化锌阀片表面的晶界层和固有电容的存在，金属氧化物避雷器阀片可等效为高压电容和具有压敏特性的电阻并联电路，其在电压的作用下流过阀片的泄漏电流可分为阻性电流和容性电流两部分，两者在相位上相差90o，阻性电流占全泄漏电流的10％～20％。随着运行时间的增加，避雷器阀片逐渐老化，其等值电阻也随之减少，此时流过避雷器阀片的阻性电流增大，而容性电流相对稳定，由于阻性电流在全泄漏电流中所占的比重较小，总体全泄漏电流变化不大。故全泄漏电流并不能够灵敏地判断避雷器的运行状态，而以测量避雷器阻性电流分量作为判断避雷器运行状态的依据则更加准确。目前，这针对于避雷器你阻性分量测量的方法主要有补偿法，然而该方法在应用过程中，受相邻线路线间干扰的影响，在实际中无法实现对避雷器泄漏电流阻性分量的测量。因此，准确地测量避雷器泄漏电流中的阻性分量，对于监测避雷器运行状态，保障电力系统的安全运行，有着十分重要的意义。

发明内容

本发明提供了一种避雷器泄露电流成分分析方法及系统，能够准确的对避雷器泄漏电流阻性分量进行测量。

为实现上述发明目的，请参考图1-图5，本申请提供了一种避雷器泄露电流成分分析方法及系统，系统包括由电流互感器构成的电流提取模块，该模块获得避雷器泄漏电流和容性参考电流信号，上述电流信号送入电流-电压信号转换模块，输出放大一定倍数的电压信号，最后经减法器构成的阻性电流分离模块，通过调节前级容性参考电流放大器的放大倍数，将泄漏电流中的容性电流分量去除，最终得到阻性电流分量，而后经计算得到避雷器泄漏电流中的阻性电流分量。上述系统能够准确测量阻性电流值并以此计算泄露电流中的其他分量，方法具体步骤如下：

步骤1：计算分析避雷器泄漏电流中全泄漏电流、阻性基波分量和阻性三次谐波分量相互之间的关系；

步骤2：搭建电容补偿电路，应用电流互感器耦合提取避雷器泄露电流及参考容性电流；

步骤3：通过运算放大器进行电流-电压信号转换；

步骤4：利用减法器电路提取信号中的阻性电流分量，计算分析避雷器泄漏电流中的阻性电流分量。

避雷器泄漏电流标准波形为：

I＝I_PR1sinωt+I_PR3sin(3ωt+π)+I_PC1sin(ωt+π/2) (1)

其中，避雷器泄漏电流分为阻性基波分量、阻性三次谐波分量、容性基波分量三个部分。式中，ω为基波角频率；I为全泄漏电流；I_PR1为阻性基波电流峰值；I_PR3为阻性三次波电流峰值；I_PC1为容性基波电流峰值。同时，阻性分量与电压呈三次方关系而容性分量与电压呈线性关系，当电压增大时阻性分量的变化远大于容性分量，避雷器正常运行时阻性基波分量峰值和阻性三次谐波分量峰值的比值为I_PR1/I_PR3＝3/1，带入式(1)得

I＝I_PRsin³ωt+I_PC1cosωt (2)

图1为避雷器电路经典计算模型，R为金属氧化物避雷器阀片等效非线性电阻，C为金属氧化物避雷器阀片等效固有电容，U为系统电压，I₀为流过MOA的全电流，I_R为金属氧化物避雷器的阻性泄漏电流，I_c为金属氧化物避雷器的容性泄漏电流。

上述经典计算模型可得到全电流的表达式为：

其中，U_P为阀片峰值，D＝1/K为常数。C为避雷器等值电容，t为时间，β为非线性系数。

对比上述(2)、(3)式可知出β＝3，I_PC1＝ωCU_P，I_PR＝DU_P ³，通过中心频率150Hz的带通滤波器对波形进行处理，滤波后信号为：

i'(t)＝I_PR3sin(3ωt+π) (4)

滤波后信号的峰值为：

I'_p＝I_PR3＝1/4I_PR (5)

则阻性基波分量的峰值为：

I_PR1＝3I'_PR3 (6)

阻性电流的峰值为：

I_PR＝4I'_p (7)

阻性三次谐波分量占阻性分量的1/4，在全泄漏电流中占2.5％至5％。因此通过测量阻性三次谐波分量即全泄漏电流的大小能够对阻性分量进行预估。

上述测量系统的原理是利用标准电容进行补偿，其与避雷器并联在同一高压侧，从同一自耦变压器获得的参考容性电流与避雷器中泄漏电流容性分量大小相等，相位一致失真也一致。I和U_a、I_C’和U_b之间的转换比例是线性，通过控制原理图中转换模块的等效电阻R_a和R_b来改变。即U_a＝U_R+U_C,U_C＝U_b,且U_C’和U_C相位相同。调整R_a和R_b到适当比例使得数值上U_C＝U_C’，那么两个电阻之间的电压差即U_ab＝U_R。即实现参考容性电流信号完全补偿全泄漏电流信号中的容性电流分量，从而实现提取阻性分量的目的。

上述测量系统避包括功能模块和电源模块。功能模块又包括电流提取电路及减法器。

上述电流提取电路将泄漏电流信号通过互感器的一次侧感应到二次侧后转换成电压信号，采用放大器构成电流电压转换电路，同时为保护运行放大器不会因为浪涌电压的输入而被破坏，选用瞬态抑制二极管并联于放大器两端。最后，通过电容电阻补偿相位，调节电流信号转换电压信号的放大比例。将避雷器的泄漏电流和通过纯电容器的容性电流形成的电压信号输入到一个由放大器构建的减法器中，通过调节输入泄漏电流形成的电压幅值，使输入的容性电流电压信号和避雷器泄漏电流中的容性电流分量所形成的电压信号相同，从而将避雷器泄漏电流的容性电流分量消除，得到避雷器泄漏电流的阻性电流分量所形成的电压信号；减法器的递函数为：

通过调节个电阻阻值，调节输入与输出关系。

上述电源模块产生的电压由交流端输入至降压变压器，经整流后输出直流电压。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

在发明中，利用电流互感器和放大器所构成的电流电压转换电路对避雷器泄漏电流和纯电容的容性电流进行测量，并进行相应的信号放大，使输入到后级减法器的泄漏电流电压信号中的容性电流分量和纯电容器上的容性电流信号相等，最后利用减法器消去避雷器泄漏电流中的容性电流分量，从而得到避雷器泄漏电流的阻性电流分量波形。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1为避雷器电路经典计算模型；

图2标准电容补偿法的电路原理图；

图3测试电路示意图。

图4为电流信号提取电路图；

图5减法器电路示意图；

图6阻容电流和容性电流对应电压波形示意图；

图7容性电流和阻性电流对应电压波形示意图

图8阻容电流和阻性电流对应电压波形示意图

图9系统搭建连接图；

图10阻性电流和阻容性电流对应波形示意图；

图11加压后阻性电流和阻容性电流对应波形示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

具体实施方式一：

图4中选用DHP75AD系列的1:1电流型电压互感器采用高导磁铁芯环氧灌封，具有精度高、线性度好、安全可靠、体积小重量轻等优点。采用运算放大器LMC6022构成电流电压转换电路，其输入阻抗几乎为零。同时采用P6KE6.8C瞬态抑制二极管保护电路，通过调节C1、R2补偿来相位，通过调节R1改变转换电压信号的放大比例，最终实现对电流信号放大500倍。

图5中选用LMC6022运算放大器，令R₁＝R₂＝R₃＝R₄，则U₂＝U₀-U₁此时减法器的输出电压即为两输入电压的差值。

电源模块中，选用LM7805和LM7905稳压芯片，输出正负5V的直流电压。

具体实施方式二：

通过调压器串联电容电阻形成测试回路，标准电容和电阻组成两路信号，一路由1uF电容、36KΩ电阻并联输出阻容电流，一路4.7uF串联电容输出纯容性电流。

将两路电流信号分别通过电流互感器提取出，将示波器的两个通道分别接在图3中P3的1、2接口即可以显示转换为电压信号并且放大后的阻容性电流信号以及容性电流信号所对应的波形，如图6所示。

将P3的3接口输入示波器，显示的波形为阻容性电流对应的电压信号与容性电流对应的电压信号相减后的波形，调节电流转电压放大倍数之前的波形一般不是完全的阻性电压波形，需要调节R5使得容性电流的放大倍数正好和阻容性电流中的容性分量相等。

首先使R5置零，此时减法器输出为阻容性电流峰值最大，慢慢增大R5，3接口输出的波形峰值开始减小，2接口输出的容性电流对应电压波形开始增大。调节R5至3接口输出的波形峰值最小为止。此时输出波形如图7及图8所示，即为纯阻性电流对应的电压分量。

上述结果分析得出，阻性电流和阻容电流相位相差小于90°，和容性电流相比相位相差90°，符合理论分析，本测试电路可以测量纯阻性电流对应的电压分量。

具体实施方式三：

利用上述测试电路搭建补偿法测量避雷器阻性电流的系统并进行试验，系统连接如图9所示。试验中全泄漏电流信号由试验变压器串联避雷器产生，参考容性电流由3个10kV100PF高压标准电容与试验升压变压器串联产生。

试验中首先避雷器加压至1.8万伏，调节参考容性电流的大小使得减法器输出的波形幅值至最小，输出波形如图10所示。该波形即为阻性泄漏电流波形。继续增大避雷器两端电压，输出波形如图11所示。

上述结果表明，本专利搭建的补偿法提取系统能够将避雷器泄漏电流的阻性分量，经分析可得阻性基波分量和阻性三次谐波分量的总和约占全泄漏电流的10％～20％，而阻性基波分量是阻性三次谐波分量的3倍左右，因而阻性三次谐波分量约占全泄漏电流的2.5％～5％，整体试验结果基本符合理论分析。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种避雷器泄漏电流成分分析方法，其特征在于，所述方法包括：

计算分析避雷器泄漏电流中全泄漏电流、阻性基波分量和阻性三次谐波分量之间的关系；

搭建电容补偿电路，提取避雷器泄露电流及参考容性电流；

将提取的信号进行电流-电压信号转换；

从转换后的信号中提取阻性电压分量，基于阻性电压分量计算得到避雷器泄漏电流中的阻性电流分量。

2.根据权利要求1所述的避雷器泄露电流成分分析方法，其特征在于，阻性三次谐波分量占整个阻性电流的1/4，阻性三次谐波分量在全泄漏电流中占2.5％至5％。

3.根据权利要求1所述的避雷器泄露电流成分分析方法，其特征在于，避雷器泄漏电流中全泄漏电流为：

<mrow> <mi>I</mi> <mo>=</mo> <mi>C</mi> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mi>u</mi> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <msup> <mi>Du</mi> <mi>&beta;</mi> </msup> <mo>=</mo> <msub> <mi>&omega;CU</mi> <mi>p</mi> </msub> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&omega;</mi> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msup> <msub> <mi>DU</mi> <mi>p</mi> </msub> <mi>&beta;</mi> </msup> <msup> <mi>sin</mi> <mi>&beta;</mi> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&omega;</mi> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，ω为基波角频率；I为全泄漏电流；C为避雷器等值电容，t为时间，U_P为阀片峰值，D＝1/K为常数，β为非线性系数。

4.根据权利要求1所述的避雷器泄露电流成分分析方法，其特征在于，计算分析避雷器泄漏电流中全泄漏电流、阻性基波分量和阻性三次谐波分量关系，具体包括：

避雷器泄漏电流标准波形为：

I＝I_PR1sinωt+I_PR3sin(3ωt+π)+I_PC1sin(ωt+π/2) (1)

其中，ω为基波角频率；I为全泄漏电流；I_PR1为阻性基波电流峰值；I_PR3为阻性三次波电流峰值；I_PC1为容性基波电流峰值；

阻性基波分量与所施加电压呈三次方关系，避雷器泄漏电流的容性分量与所施加电压呈线性关系，避雷器正常运行时阻性基波分量峰值和阻性三次谐波分量峰值的比值为I_PR1/I_PR3＝3/1，带入式(1)得：

I＝I_PRsin³ωt+I_PC1cosωt (2)

避雷器泄漏电流中全泄漏电流的表达式为：

ω为基波角频率；I为全泄漏电流；C为避雷器等值电容，t为时间，U_P为阀片峰值，D＝1/K为常数，β为非线性系数；

对比上述(2)、(3)式可知出β＝3，I_PC1＝ωCU_P，I_PR＝DU_P ³，滤波后信号为：

i'(t)＝I_PR3sin(3ωt+π) (4)

滤波后信号的峰值为：

I'_p＝I_PR3＝1/4I_PR (5)

则阻性基波分量的峰值为：

I_PR1＝3I'_PR3 (6)

阻性电流的峰值为：

I_PR＝4I′_p (7)

阻性三次谐波分量占整个阻性电流的1/4，阻性三次谐波分量在全泄漏电流中占2.5％至5％。

5.一种避雷器泄露电流成分分析系统，其特征在于，所述系统包括：

第一计算模块，用于计算分析避雷器泄漏电流中全泄漏电流、阻性基波分量和阻性三次谐波分量之间的关系；

电流提取模块，用于获得避雷器泄漏电流和容性参考电流信号；

电流-电压信号转换模块，用于将电流提取模块提取的电流信号转换为电压信号；

阻性电流分离模块，用于将泄漏电流中的容性电流分量去除，获得阻性电流分量；

第二计算模块，用于基于阻性电流分离模块获得的阻性电流分量和第一计算模块获得的关系，计算得到避雷器泄漏电流中的阻性电流分量。

6.根据权利要求5所述的避雷器泄露电流成分分析系统，其特征在于，第一计算模块获得的关系为：阻性三次谐波分量占阻性分量的1/4，阻性三次谐波分量在全泄漏电流中占2.5％至5％。

7.根据权利要求5所述的避雷器泄露电流成分分析系统，其特征在于，将避雷器的泄漏电流和通过纯电容器的容性电流形成的电压信号输入到一个由放大器构建的减法器中，通过调节输入泄漏电流形成的电压幅值，使输入的容性电流电压信号和避雷器泄漏电流中的容性电流分量所形成的电压信号相同，从而将避雷器泄漏电流的容性电流分量消除，得到避雷器泄漏电流的阻性电流分量所形成的电压信号；减法器的递函数为：

其中，U₂为阻性电流形成的输出电压，U₁为纯容性电流的电压信号，U₀为避雷器泄漏电流的电压信号，R₁为纯容性电流电压信号的输入电阻，R₂为反馈电阻，R₃为泄漏电流电压信号的输入电阻，R₄为分压电阻。

8.根据权利要求5所述的避雷器泄露电流成分分析系统，其特征在于，计算分析避雷器泄漏电流中全泄漏电流、阻性基波分量和阻性三次谐波分量关系，具体包括：

避雷器泄漏电流标准波形为：

I＝I_PR1sinωt+I_PR3sin(3ωt+π)+I_PC1sin(ωt+π/2) (1)

阻性基波分量与电压呈三次方关系，容性分量与电压呈线性关系，避雷器正常运行时阻性基波分量峰值和阻性三次谐波分量峰值的比值为I_PR1/I_PR3＝3/1，带入式(1)得

I＝I_PRsin³ωt+I_PC1cosωt (2)

避雷器泄漏电流中全泄漏电流的表达式为：

i'(t)＝I_PR3sin(3ωt+π) (4)

滤波后信号的峰值为：

I'_p＝I_PR3＝1/4I_PR (5)

则阻性基波分量的峰值为：

I_PR1＝3I'_PR3 (6)

阻性电流的峰值为：

I_PR＝4I′_p (7)

阻性三次谐波分量占阻性分量的1/4，阻性三次谐波分量在全泄漏电流中占2.5％至5％。