CN116068262B - 一种架空输电线路氧化锌避雷器阻性电流在线监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种架空输电线路氧化锌避雷器阻性电流在线监测方法，在线监测从110kV输电电缆外皮的屏蔽层上取出电流信号，为单纯的电容电流，保证了数据的准确性，利用此电容电流作为计算阻性电流的相位参考量，计算氧化锌避雷器全电流中的阻性电流，使架空输电线路在横跨高速、铁路、桥梁、河流等远离变电站的情况下，无电压互感器电压信号就能检测出避雷器的阻性电流，解决了输电线路上的氧化锌避雷器远离变电站时无法从电压互感器取得电压信号，无法通过泄漏电流与电压的相角差计算阻性电流的问题。本方案测试方法简单，工作量小，安全可靠，在线监测不需停电，大大节约了成本，性价比高。

Description

一种架空输电线路氧化锌避雷器阻性电流在线监测方法
技术领域
本发明涉及电力系统电气设备检测技术领域，具体为一种架空输电线路氧化锌避雷器阻性电流在线监测方法。
背景技术
当今，35kV至220kV输电线路是区域供电网络重要组成部分，城市建设高等级公路、铁路、重要河流时因技术要求，需用电缆进行穿越，特别是35kV至110kV输电线路在江苏电网明确需用电缆穿越。因电缆及电缆终端绝缘相对较弱，电缆终端两侧均设置氧化锌避雷器进行过电压保护。电缆正常运行时要确保这些避雷器安全运行，需定期停电做试验检测，但因可靠性要求，线路上氧化锌避雷器很难停电下来做试验，造成氧化锌避雷器超试验周期运行。工频电压作用于氧化锌避雷器时，避雷器相当于一台有损耗的电容器，容性电流的大小仅对电压分布有意义，并不发热，而阻性电流则是氧化锌避雷器老化呈现电阻态且持续发热的表象。良好的金属氧化物避雷器虽然在运行中长期承受运行电压，因流过的持续电流小(一般约为0.3至0.8mA)且基本为容性，热效应极微小几乎为0，不致引起避雷器性能的改变。避雷器内部出现异常时，如阀片严重劣化和内部受潮，此时避雷器阻性电流分量将明显增大，并可能导致热稳定破坏，造成避雷器损坏。测量全电流能监测避雷器是否受潮，但是避雷器阀片老化时阻性电流感受最灵敏，而阻性电流占全电流的比重比较小，反应不是很灵敏，因此需要监测避雷器的阻性电流；持续电流阻性分量的增大是要经过一个过程的，因此运行中定期监测金属氧化物避雷器的持续电流的阻性分量，是保证安全运行的有效措施。
在变电站内测量避雷器持续电流阻性分量时，一般在对应的母线压变上取电压信号作为参考相量，从而测量出阻性电流。电缆用避雷器所处环境多为户外，更容易出现阀片严重劣化和内壁受潮的情况，此时避雷器阻性电流分量将明显增大，并可能导致热稳定破坏，造成避雷器损坏，与之并联的电力设备将失去保护。与变电站有所不同的是35kV至110kV架空输电线路用高压电缆地埋穿越高速、铁路、高等级公路、桥梁、河流；也有220kV架空线路至变电站外数百米，因进站通道不够而用220kV高压电缆做进线。他们远离变电站，无法从电压互感器取得电压信号，找不到计算阻性电流的相位参考量，无法通过泄漏电流与电压的相角差计算阻性电流。
为了解决以上问题，如公开号为CN110780227A的中国专利公开了一种输电线路避雷器泄露电流在线监测装置及方法，由线路避雷器监测主板中的泄漏电流流入端与线路避雷器监测主板末屏相连接，线路避雷器监测主板中的泄漏电流流出端连接至杆塔地之间；电源管理模块的输出端与线路避雷器监测主板的输入端相连接，电源管理模块输入端与太阳能电池板的输出端相连接，电源管理模块与蓄电池双向连接。本发明实现了对线路避雷器的在线监测，通过获取线路避雷器的工作数据，使远端对避雷器性能评估更加可靠准确，为线路避雷器状态评估提供数据支撑，有效的减少了输电线路运维人员的工作强度，对提高输电线路运行的稳定性起到了积极作用。
又如公开号为CN107861009A的中国专利公开了一种基于输电线路避雷器在线监测系统的监测方法，监控中心发送请求监测输电线路避雷器状态请求信息到综合装置；综合装置收到请求命令后，将请求同步信号下发给线上装置；线上装置在收到请求命令后，将信号再次发送给综合装置；线上装置和综合装置对输电线路电流和避雷器漏电电流进行同步采样，分别得到输电线路参数，采集好的数据通过通讯及对时复用装置一发送给通讯及对时复用装置二，再次将转化后的数据发送到综合装置；综合装置将接受的数据进行计算分析，后判断线路避雷器的裂化状态；通过采集线路避雷器的接地线电流的参数，计算出其全电流、阻性电流、容性电流，来判断线路避雷器的劣化状况，实现了对线路避雷器的在线监测。
目前，现有输电线路避雷器监测技术还存在不足之处：两份专利虽然实现了输电线路避雷器的在线监测，但监测方法相对复杂，监测的稳定性和准确率有待进一步提升，对于在复杂的电力环境中输电线路避雷器的精确检测仍是当前亟需解决的技术问题，现有技术仍有待改进。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种架空输电线路氧化锌避雷器阻性电流在线监测方法，以解决上述问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：输电高压电缆一般为单芯电缆，电缆终端避雷器均为氧化锌避雷器，将绝缘杆钳形微安电流传感器钳夹在避雷器本体与计数器的连接引线上，引出待测避雷器运行全电流信号I1(简称“待测信号”，下同)；将绝缘杆钳形电流传感器钳夹在电缆屏蔽层的外皮引出至接地连接引线上，引出计算阻性电流的相位参考量的电容电流信号I2(简称“相位信号”，下同)。
将待测信号I1(较小)进行线性放大，然后和相位信号I2进入运算器模块进行运算，计算并还原出阻性电流大小和I1与I2相位信号的夹角。
相位信号只需一相，测量其他两侧时通过软件移相进行处理，减轻现场测试工作量，同时修正相邻避雷器分布电压引起的相位差；也可以采取同相测量，即待测信号与相位信号为同一相别。
电缆的绝缘层与屏蔽层之间存在的分布电容，则电缆外皮的屏蔽层上存在单纯的电容电流I2，这个电流较大，一般在0.5A至30A左右，此电流超前电压90°，将此电容电流信号取出，作为计算阻性电流的相位参考量。
进一步的，当避雷器内部正常时，I1与I2均为单纯的容性电流。
进一步的，当避雷器内部正常时，I1与I2两种电流相位相同，均超前U 90°，阻性电流为零。
进一步的，当避雷器内部正常时，阻性电流为零。
进一步的，避雷器内部出现异常情况时，I1中存在阻性分量即感性电流。
进一步的，避雷器内部出现异常情况时，I1与I2不是同电位，I1滞后I2夹角δ(介损角)。
进一步的，避雷器内部出现异常情况时，阻性电流基波峰值Ir1p＝I1*sinδ。
进一步的，放大器选用AD620系列仪表用放大器。
进一步的，将待测信号进行不失真线性放大20至500倍。
进一步的，运算器选用CS5463计量芯片。
相对于现有技术，本发明的有益效果在于：提供了一种架空输电线路氧化锌避雷器阻性电流在线监测方法，在线监测从110kV输电电缆外皮的屏蔽层上取出电流信号，为单纯的电容电流，保证了数据的准确性，利用此电容电流作为计算阻性电流的相位参考量，计算氧化锌避雷器全电流中的阻性电流，使架空输电线路在横跨高速、铁路、桥梁、河流等远离变电站的情况下，无电压互感器电压信号就能检测出避雷器的阻性电流，解决了输电线路上的氧化锌避雷器远离变电站时无法从电压互感器取得电压信号，无法通过泄漏电流与电压的相角差计算阻性电流的问题。本方案测试方法简单，工作量小，安全可靠，在线监测不需停电，大大节约了成本，性价比高。
附图说明
图1为本发明一种架空输电线路氧化锌避雷器阻性电流在线监测方法的阻性电流在线测试原理图；
图2为一种架空输电线路氧化锌避雷器阻性电流在线监测方法的流程图；
图3为本发明一种架空输电线路氧化锌避雷器阻性电流在线监测方法待测信号电流测量点；
图4为本发明一种架空输电线路氧化锌避雷器阻性电流在线监测方法相位信号相位参考量取样点；
图5为本发明一种架空输电线路氧化锌避雷器阻性电流在线监测方法电压参考相位投影示意图；
图6为本发明一种架空输电线路氧化锌避雷器阻性电流在线监测方法AD62系列放大器放大原理图；
图7为本发明一种架空输电线路氧化锌避雷器阻性电流在线监测方法电流参考相位阻性电流波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本发明提供一种技术方案：一种架空输电线路氧化锌避雷器阻性电流在线监测方法，包括以下步骤：
S1：将绝缘杆钳形微安电流传感器钳夹在避雷器本体与计数器的连接引线上，引出待测信号I1(待测避雷器运行全电流信号),参考图3。
S2：将绝缘杆钳形电流传感器钳夹在电缆屏蔽层的外皮引出至接地连接引线上，引出相位信号I2(计算阻性电流的相位参考量的电容电流信号)，参考图4。
图5为电压参考相位投影示意图，介质损耗角简称介损角，用δ表示，表征绝缘特性重要指标,δ＝90°-Φ，直接用Φ评价MOA：没有“相间干扰”时，Φ大多在81°～86°之间。按“阻性电流不能超过总电流的25％”要求，Φ不能小于75.5°，对MOA性能分段评价参考表1：
表1
φ <75° 75°～77° 78°～80° 81°～83° 84°～86° >86°
性能 劣 差 中 良 优 有干扰
S3：待测信号较小，将待测信号线性放大20至500倍(增益G＝20-500)。由于氧化锌避雷器运行电流太小，只有几百个微安，通过钳形电流传感器取样后的信号更微弱，小于运算器输入电平，选用AD620系列仪表用放大器对信号进行不失真线性放大，从而达到运算器理想分辨率。AD620是一款低成本、高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至10000，具有高精度、低噪声、低功耗、零点飘移小等特点，是传感器接口等精密数据采集系统的理想之选。
S4：放大后的待测信号和相位信号进入运算器模块进行乘法运算，计算输出放大后的阻性电流，再经除法计算并还原出阻性电流大小和I1与I2相位信号的夹角。通过以下两种办法实现：
方法一是利用单片机及其外围电路进行计算：由公式Ir1＝I1Sinω(t+Δt)得,随着时间的推移，角度变化ωΔt(ω为角速度，ω＝2πf＝314,f是频率，这里为工频50Hz)。由单片机先检测参考信号过零点时刻t1，然后先检测测试信号过零点时刻t2，两个信号过零间隔时间Δt＝t2-t1(单位:秒，Δt最大为0.05秒)。Ir1为运算后的阻性电流。
Ir＝Ir1/G,Ir为实际阻性电流，G为增益(放大倍数)
δ＝ωΔt,ω＝2πf,
Φ＝90°-δ,
由图7波形上看出测试电流I1过零滞后I2(参考相位)Δt＝0.3毫秒,右上角显示相位相关差300uS，即0.3mS)，δ＝2πf*Δt＝100π*0.3/1000(毫秒到秒)＝3π/100(弧度)＝5.4度。阻性电流基波峰值Ir1p＝I1*sinδ＝0.094I1，Φ＝84.6度。
方法二是使用专用硬件CS5463计量芯片，CS5463是一款高精度(0.1％)24位单相专用计量芯片，其内部有两路差分模拟量通道(电压/电流)，包含两个可编程增益放大器，两个∑－△模数转换器，高速滤波器，功率、电能和功率因数等计算功能，计算结果送至专用寄存器，通过串行spi接口访问相应寄存器输出电压有效值，电流有效值，有功电能，功率因数，无功电能，频率，瞬时电压，瞬时电流，瞬时功率等数据。参考相位I2作电压通道信号，待测信号I1作为电流通道信号，由CS5463计算，输出有功功率P1、无功功率Q1、待测信号电流I1、电压U1和功率因数λ。由
Ir1＝P1/U1，Ir＝Ir1/G，
Ir1为CS5463运算后的阻性电流；Ir为实际阻性电流，G为增益(放大倍数)
δ＝ArcCos(λ)
Φ＝90°-δ；
若两组电流信号均超前U 90°，此时两种电流电位相同，阻性电流为零。
若两组电流信号不是同电位，而是滞后，即两者产生夹角δ即为介质损耗角，得到阻性电流基波峰值Ir1p＝I1*sinδ。
运行状态下的氧化锌避雷器，在运行电压下的总泄漏电流包括阻性电流和容性电流，正常情况下流过金属氧化物避雷器的主要为容性电流，阻性电流只占小的一部分。
常规的避雷器带电测试，总电流基波峰值Ix1p在电压基波U1方向投影为阻性电流基波峰值Ir1p,在垂直方向投影为容性电流基波峰值Ic1 p,利用电流基波和电压基波的相位差φ，得出Ir1p与Ix1p的关系为：Ir1p＝Ix1p*cosφ。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种架空输电线路氧化锌避雷器阻性电流在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1:将绝缘杆钳形微安电流传感器钳夹在避雷器本体与计数器的连接引线上，引出待测避雷器运行全电流信号I1；
S2:将绝缘杆钳形电流传感器钳夹在电缆屏蔽层的外皮引出至接地连接引线上，引出计算阻性电流的相位参考量的电容电流信号I2；
S3:将待测避雷器运行全电流信号线性放大；
S4:将放大后的待测信号和相位信号进入运算器模块进行运算，计算并还原出阻性电流大小及I1与I2相位信号的夹角δ：
方法一利用单片机及外围电路实现，由公式Ir1＝I1Sinω(t+Δt),角度变化ωΔt，其中ω为角速度，ω＝2πf＝314，f是频率，先检测参考信号过零点时刻t1，然后先检测测试信号过零点时刻t2，两个信号过零间隔时间Δt＝t2-t1，Ir＝Ir1/G,Ir为实际阻性电流，Ir1为运算后的阻性电流，G为放大倍数；δ＝ωΔt,ω＝2πf,Φ＝90°-δ；
方法二利用专用芯片CS5463计量芯片实现，输出有功功率P1、无功功率Q1、待测信号电流I1、电压U1和功率因数λ，由Ir1＝P1/U1，Ir＝Ir1/G，Ir1为专用芯片运算后的阻性电流；Ir为实际阻性电流，G为放大器的放大倍数，
δ＝ArcCos(λ)，
Φ＝90°-δ。
2.根据权利要求1所述的一种架空输电线路氧化锌避雷器阻性电流在线监测方法，其特征在于：当避雷器内部正常时，I1与I2均为单纯的容性电流。
3.如权利要求2中所述的一种架空输电线路氧化锌避雷器阻性电流在线监测方法，其特征在于：当避雷器内部正常时，I1与I2两种电流相位相同，均超前U 90°。
4.如权利要求3中所述的一种架空输电线路氧化锌避雷器阻性电流在线监测方法，其特征在于：当避雷器内部正常时，阻性电流为零。
5.根据权利要求4所述的一种架空输电线路氧化锌避雷器阻性电流在线监测方法，其特征在于：避雷器内部出现异常情况时，I1中存在阻性分量即感性电流。
6.根据权利要求5所述的一种架空输电线路氧化锌避雷器阻性电流在线监测方法，其特征在于：避雷器内部出现异常情况时，I1与I2不是同相位，I1滞后I2夹角δ。
7.根据权利要求6所述的一种架空输电线路氧化锌避雷器阻性电流在线监测方法，其特征在于：避雷器内部出现异常情况时，阻性电流基波峰值Ir1p＝I1*sinδ。
8.根据权利要求7所述的一种架空输电线路氧化锌避雷器阻性电流在线监测方法，其特征在于：放大器选用AD620系列仪表用放大器。
9.根据权利要求8所述的一种架空输电线路氧化锌避雷器阻性电流在线监测方法，其特征在于：将待测信号进行不失真线性放大20至500倍。
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