CN109444637A - 一种考虑谐波影响的避雷器阻性电流计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统电气设备在线监测技术，具体涉及一种考虑谐波影响的避雷器阻性电流计算方法，包含以下步骤：对实际避雷器进行有限元建模，计算得出部分电容参数。搭建阻容网络路模型。对电压进行傅立叶分解，得出各次谐波含量。在基波电压下和各次谐波下进行仿真，各自滤除容性干扰后得到相应的阻性电流。将仿真得到的阻性电流进行叠加，最终得到谐波影响下的阻性电流。该计算方法以阻容网络方法为基础，考虑了电网谐波，并且可以滤除谐波干扰，准确计算出基波阻性电流和各次谐波下的阻性电流，有效提高了阻性电流计算的精度，能够准确计算避雷器阻性电流，随时掌握避雷器的运行状态。

Description

一种考虑谐波影响的避雷器阻性电流计算方法

技术领域

本发明属于电力系统电气设备在线监测技术领域，尤其涉及一种考虑谐波影响的避雷器阻性电流计算方法。

背景技术

随着我国电力系统网络的不断扩展，因为雷击而引起的事故数量也日益增多，对电力系统的安全稳定运行造成了巨大隐患。避雷器是目前防止雷击过电压最为有效的措施，已经全面应用到电力系统中的各关键部位，其中应用最为广泛的避雷器类型就是氧化锌避雷器。金属氧化物避雷器的性能随着运行时间的增长会慢慢变差。判断避雷器状态是否正常的重要方法是准确测定泄漏电流中的阻性电流分量，即确定阻性电流的增量。但是由于高压避雷器周围带电设备以及避雷器自身存在的部分电容电流干扰，以及电网谐波的影响、氧化锌避雷器自身的非线性特性，目前大规模使用的在线监测技术无法准确测得泄漏电流中的阻性分量。使得泄漏电流测量值难以真实反映避雷器的性能状况,尤其是难以发现设备的早期故障。

阻性电流在全电流中占比较小，一般不超全电流的10％，很难准确从全电流中将其分离出来，一方面避雷器结构复杂，周围带电体众多，相互之间电容干扰十分复杂，另一方面，电网电压并非完全标准的正弦波，其中夹杂着很多谐波干扰，其中三次谐波最多，其次为五次谐波，这些谐波干扰会对避雷器的阻性电流产生较大的影响，这些谐波源虽然对于电网端电压而言含量较少，但是却会对阻性电流产生很大的影响，使得阻性电流的波形产生很大的畸变，缺少对谐波的考虑难以准确计算阻性电流。所以，考虑谐波的影响对于避雷器的健康状态监测具有很大意义。

目前阻性电流的准确计算方法仍不完善，目前国内大规模采用的方法主要有泄露电流法、补偿法、三次谐波法(零序电流法)、基波阻性电流法。这些方法忽视了相间干扰和避雷器周围带电体干扰的影响，都没有对部分电容进行严谨地考虑，无法有效的将外界环境和三相避雷器自身的电流耦合干扰考虑进去，其中补偿法、基波法同时也缺乏对谐波的充分考虑，计算结果会产生较大误差，难以对避雷器的状态进行准确的判断。

发明内容

本发明的目的是提供一种同时对电容电流干扰和谐波干扰进行充分考虑的避雷器阻性电流计算方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种考虑谐波影响的避雷器阻性电流计算方法，包括以下步骤：

步骤1、根据避雷器的分节结构，排列方式，搭建避雷器结构模型，将每个法兰视为一个导体，仿真得到每两个导体之间的部分电容参数；

步骤2、将阀体视为一个电阻与一个电容并联，其数值通过试验获取，根据避雷器导体产生的电容分布，搭建阻容网络模型；

步骤3、分别施加电网基波电压源、一个三次谐波电压源、一个五次谐波电压源，其中三次谐波电压源和五次谐波电压源均源自电网谐波电压；

步骤4、在基波电压下和各次谐波下进行仿真，各自滤除容性干扰后得到相应的阻性电流；

步骤5、将仿真得到的阻性电流进行叠加，最终得到谐波影响下的阻性电流。

在上述的考虑谐波影响的避雷器阻性电流计算方法中，步骤3所述基波电压源为避雷器安装位置的电网基波电压，电网谐波电压包含三次谐波和五次谐波，谐波含量通过对电压信号进行傅立叶分解得到。

在上述的考虑谐波影响的避雷器阻性电流计算方法中，步骤4、步骤5的实现包括：电压源为电网基波时，仿真得到全电流，并通过阻容网络计算滤除容性电流得到阻性电流，将电压源换成谐波源重复仿真计算过程，最终将三次计算的阻性电流结果叠加，得到谐波影响下的阻性电流。

本发明的有益效果：以阻容网络方法为基础，考虑电网谐波，并且滤除谐波干扰，准确计算出基波阻性电流和各次谐波下的阻性电流，有效提高了阻性电流计算的精度，利用此方法可以有效地对避雷器阻性电流进行准确计算，随时掌握避雷器的运行状态。

附图说明

图1为本发明一个实施例计算流程图；

图2(a)为本发明一个实施例500kV避雷器A相导体示意图，图2(b)为本发明一个实施例500kV避雷器B相导体示意图，图2(c)为本发明一个实施例500kV避雷器C相导体示意图；

图3为本发明一个实施例500kV避雷器的阻容网络路模型；

图4(a)为本发明一个实施例A相阻性电流基波波形图，图4(b)为本发明一个实施例A相阻性电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

本实施例提出了一种考虑谐波影响的避雷器阻性电流计算方法，采用阻容网络的方法来滤除避雷器全电流中的容性分量，并对各种谐波干扰分别考虑，避雷器阀片在工作电压下电阻基本不变，可以认为是线性电阻，经过验证，在三次、五次谐波下此结论仍然成立，所以可以对其采用叠加定理进行计算，对各种谐波下避雷器泄漏电流所造成的影响分别计算，进而得到各个频率下的阻性电流，叠加得到谐波影响下的阻性电流。

本实施例通过以下技术方案来实现，如图1所示，一种考虑谐波影响的避雷器阻性电流计算方法，包括以下步骤：

步骤⑴、对避雷器结构进行分析，根据500kV避雷器的分节结构，排列方式等信息，搭建避雷器结构模型，将每个法兰视为一个导体，仿真得到每两个导体之间的部分电容参数。

步骤⑵、将阀体视为一个电阻与一个电容并联，其数值可以由试验获取，根据避雷器导体产生的电容分布，搭建阻容网络模型。

步骤⑶、分别施加电网基波电压源、一个三次谐波电压源、一个五次谐波电压源，其中三次谐波电压源和五次谐波电压源都是由电网谐波电压引起。

步骤⑷、在基波电压下和各次谐波下进行仿真，各自滤除容性干扰后得到相应的阻性电流。

步骤⑸、将仿真得到的阻性电流进行叠加，最终得到谐波影响下的阻性电流。

而且，在步骤⑶所述的三种电压源中，基波电压源为避雷器安装位置的电网基波电压，电网谐波电压考虑三次谐波和五次谐波，谐波含量由对电压信号进行傅立叶分解得到。

而且，电压源为电网基波时，仿真得到全电流，并通过阻容网络计算滤除容性电流得到阻性电流，将电压源换成谐波源重复此仿真计算过程，最终将三次计算的阻性电流结果叠加，可以得到考虑谐波影响下的阻性电流。

谐波对避雷器阻性电流的计算具有极大影响，但是若考虑谐波之后，全电流中就含有谐波，全电流波形发生畸变，波形不再是严格的正弦波。即使不考虑谐波时，从全电流中滤除容性电流干扰，得到阻性电流就已经十分困难。而在全电流波形发生畸变后从中把容性干扰滤除就更加困难。本实施例所提出的方法，将各次谐波分别考虑，就可以解决这个问题，把从畸变的全电流波形中滤除容性电流这一问题转化为了从正弦波形的全电流波中滤除容性电流。可以快速有效的得到考虑谐波影响的阻性电流。

具体实施时，一种考虑谐波影响的避雷器阻性电流计算方法，以500kV避雷器为例，包括以下步骤：

①对避雷器结构进行分析，根据500kV避雷器的分节结构，排列方式等信息，搭建避雷器结构模型，将每个法兰视为一个导体，考虑到500kV避雷器分三节的结构，并且最下端接地，简化后每相有三个导体，如图2(a)所示，A相从上到下依次记为导体1、导体2、导体3，如图2(b)所示，B相从上到下依次记为导体4、导体5、导体6，如图2(c)所示，C相从上到下依次记为导体7、导体8、导体9，仿真得到每两个导体之间的部分电容参数。

②将阀体视为一个电阻与一个电容并联，其数值可以由试验获取，根据避雷器导体产生的电容分布，搭建阻容网络模型。

③分别施加电网基波电压源、一个三次谐波源、一个五次谐波源，其中三次谐波电压源和五次谐波电压源都是由电网谐波电压引起。对电网电压进行傅立叶分解，可以得到三次谐波和五次谐波的谐波含量。

④在基波电压下和三次谐波、五次谐波下分别进行仿真，各自滤除容性干扰后得到相应的阻性电流。将三次仿真得到的阻性电流进行叠加，最终得到谐波影响下的阻性电流。

下面以一组500kV避雷器为实施例，该避雷器每相分为3节。

绝缘子片为80MΩ，每节避雷器的电阻值为1200MΩ，每节避雷器的自电容为45pF。

以电网三次谐波谐波含量为5％，五次谐波谐波含量为3％为例，进行仿真计算。

根据实际避雷器参数，在ANSYS中建立模型如图2所示。将大地设为导体0，通过有限元仿真可以得到各部分电容参数。

表1 各相自身部分电容(pF)

表2 A相与B相之间的互电容及B相对地电容(pF)

表3 B相与C相之间的互电容及C相对地电容(pF)

表4 C相与A相之间的互电容及A相对地电容(pF)

将电阻电容参数带入到阻容网络路模型如图3所示，在不同电压源下分别进行计算，计算结果如下：

A相计算结果：

本实施例计算方法：基波下，全电流有效值为0.977mA，避雷器相角为84.42°，阻性电流为0.134mA。各次谐波影响下的阻性电流峰值0.128mA。

不考虑谐波的计算方法：全电流有效值为0.954mA，避雷器相角为74.05°，阻性电流为0.371mA。如图4(a)、图4(b)所示。

B相计算结果：

本实施例计算方法：基波下,全电流有效值为0.960mA，避雷器相角为85.95°，阻性电流为0.0958mA。各次谐波影响下的阻性电流峰值0.103mA。

不考虑谐波的计算方法：全电流有效值为1.245mA，避雷器相角为86.94°，阻性电流为0.094mA。

C相计算结果：

本实施例计算方法：基波下，全电流有效值为0.975mA，避雷器相角为87.57°，阻性电流为0.0585mA。各次谐波影响下的阻性电流峰值0.0345mA。

不考虑谐波的计算方法：全电流有效值为1.034mA，避雷器相角为101.23°，阻性电流为-0.285mA。

可以看到谐波影响之下波形出现畸变，不考虑谐波计算时避雷器三相相角差别极大，并且会产生相角大于90°的情况，这些问题都是现有的避雷器在线监测设备及便携式测量设备经常遇到的问题，不对谐波进行考虑，将电网电压预设为正弦波进行计算会产生非常大的计算误差。而利用本实施例的方法进行计算可以解决这个问题，准确计算出阻性电流分量。

本实施例根据避雷器运行的实际情况，充分考虑了空间电容的影响，建立了严谨的部分电容网络，可以有效的滤除容性电流部分。同时，还将电网所包含的谐波加入计算，充分考虑了谐波对避雷器泄露电流带来的影响，能够对避雷器阻性电流进行准确计算。弥补了以往计算方法中要么无法准确滤除电容电流、要么无法准确考虑谐波的缺陷。能够准确计算得到谐波影响下的避雷器阻性电流，计算结果比传统的阻性电流计算方法更加地准确可靠，亦可用来对避雷器进行在线监测，有效提高避雷器在线监测的准确性。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (3)

1.一种考虑谐波影响的避雷器阻性电流计算方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1、根据避雷器的分节结构，排列方式，搭建避雷器结构模型，将每个法兰视为一个导体，仿真得到每两个导体之间的部分电容参数；

步骤2、将阀体视为一个电阻与一个电容并联，其数值通过试验获取，根据避雷器导体产生的电容分布，搭建阻容网络模型；

步骤3、分别施加电网基波电压源、一个三次谐波电压源、一个五次谐波电压源，其中三次谐波电压源和五次谐波电压源均源自电网谐波电压；

步骤4、在基波电压下和各次谐波下进行仿真，各自滤除容性干扰后得到相应的阻性电流；

步骤5、将仿真得到的阻性电流进行叠加，最终得到谐波影响下的阻性电流。

2.如权利要求1所述的考虑谐波影响的避雷器阻性电流计算方法，其特征是，步骤3所述基波电压源为避雷器安装位置的电网基波电压，电网谐波电压包含三次谐波和五次谐波，谐波含量通过对电压信号进行傅立叶分解得到。

3.如权利要求1所述的考虑谐波影响的避雷器阻性电流计算方法，其特征是，步骤4、步骤5的实现包括：电压源为电网基波时，仿真得到全电流，并通过阻容网络计算滤除容性电流得到阻性电流，将电压源换成谐波源重复仿真计算过程，最终将三次计算的阻性电流结果叠加，得到谐波影响下的阻性电流。