氧化锌避雷器泄漏电流在线检测方法研究

黄 锋

（国网山西省电力公司太原供电公司，山西 太原 030006）

21 世纪以来，我国居民日常生活与工作对电能的依赖性越来越强，为了保证电网稳定供电并防止电气设备受过电压的影响出现运行故障，采用以下方法。由于氧化锌避雷器具有良好的保护性能与通流能力，因此被广泛应用于电网中。与其他电气设备相似，氧化锌避雷器在长期运行期间也会出现绝缘老化等故障，这些故障通常是由于避雷器在室外环境中运行，受温度、湿度等因素的影响，导致其内部结构发生一系列化学变化，造成绝缘性能下降。此时，避雷器的泄漏电流会不断增大，导致热损耗，进一步出现老化故障。一旦避雷器失效，将会导致后续电气设备损坏，影响电网安全，给电力企业带来巨大的经济损失。因此，对氧化锌避雷器的泄漏电流进行检测，对于保障电网稳定运行具有重要意义。然后，由于泄漏电流信号非常微弱，且存在高次谐波等噪声信号，现有的检测方法很难在工频状态下精确测量泄漏电流。因此，需要研究氧化锌避雷器泄漏电流在线检测方法。

1 氧化锌避雷器泄漏电流信号采集

氧化锌避雷器在运行过程中，会因为受潮与老化情况导致电流泄漏，进而影响避雷器的绝缘性能[1]，该文设计一种氧化锌避雷器泄漏电流在线检测方法，旨在判断避雷器的故障状态。首先，需要采集氧化锌避雷器泄漏电流信号。在采集过程中，主要采用非接触式的互感器来采集电流信号，常见的电流互感器主要有霍尔式、磁调制式以及电磁式等类型。该文综合考虑了氧化锌避雷器泄漏电流的实际情况后，选择了抗干扰能力较强、测量精度较高且响应速度较快的电磁式互感器，来采集避雷器泄漏电流信号。在确定了电磁式电流互感器作为信号采集部件后，进一步设计了采样结构，如图1 所示。

图1 电磁式互感器采集泄漏电流信号示意图

电磁式电流互感器主要由铁芯、绕组等组件构成，如图1 所示，在氧化锌避雷器运行过程中，互感器输出侧就会出现感应电流[2]，该电流信号包括基波、谐波等分量，互感器输出电流信号经过信号调理模块后由ADC 采样电路进行采样，获取氧化锌避雷器泄漏电流信号。

2 氧化锌避雷器泄漏电流信号去噪

该文在利用电磁式互感器采集氧化锌避雷器泄漏电流信号的过程中，发现采集的信号中还存在一些高次谐波等噪声信号，影响了后续检测结果的精确性，因此，对采集的泄漏电流信号进行去噪处理[3]。为解决氧化锌避雷泄漏电流采集信号噪声信号过多的问题，该文采用经验模态分解（EMD）结合SG 滤波的去噪方法，首先通过EMD 将原始采集泄漏电流信号分解为n个本征模态分量，如公式（1）所示。

式中：X（t）为待分解的避雷器泄漏电流信号；Fi（t）为泄漏电流信号的第i个本征模态分量；S（t）为剩余信号。

其次，对分解后的泄漏电流模态分量进行自相关检测，从而找到包括噪声信号的模态分量[4]，如公式（2）所示。

式中：fX（t1，t2）为避雷器泄漏电流信号在t1与t2时刻的相关性函数值；E为泄漏电流信号的能量。

最后，通过SG 滤波器对含噪声的模态分量进行滤波去噪，再将滤波后的特征模态分量重构，可以得到无噪声干扰的氧化锌避雷器泄漏电流信号。

3 氧化锌避雷器泄漏电流信号检测

3.1 氧化锌避雷器泄漏电流检测算法

锁相放大算法是一种基于互相关原理和相敏技术的同步相干检测方法，已经广泛应用于各领域。通过利用参考信号与待测信号的频率相关性，将待测信号和参考信号进行互相关运算，从而有效地提取隐藏在噪声信号中的待测信号。这种算法的独特性和有效性使其成为许多应用场景中不可或缺的工具。在泄漏电流检测中，使用锁相放大算法来检测微弱信号，该算法主要应用于强噪声环境。首先，待测信号经过放大器放大后，通过滤波器去除噪声信号。其次，将处理过的信号输入A/D 转换器中，然后输入锁相放大算法中，进行进一步处理。锁相放大算法的作用是高效地检测微弱信号，并消除环境中的干扰噪声。它不仅可以提高信号的灵敏度，还能抑制噪声，可以更精确地测量泄漏电流水平。通过使用锁相放大算法，可以有效地提升泄漏电流检测的准确性和稳定性，从而更好地保障电气设备的运行安全。假设有两路信号，分别为f1（t）=x1（x）+y1（t）和f2（t）=x2（x）+y2（t）。其中，x1（t）和x2（t）为周期正弦信号，而y1（t）和y2（t）为其他噪声信号。对f1（t）和f2（t）进行互相关运算可得公式（3）。

式中：τ为两路信号之间的时间延迟。

信号和噪声是2 个互不相关的概念，噪声与噪声之间也是相互独立的。因此，当信号x1（t）和x2（t）之间具有共同的特征时，通过长时间的互相关运算，可以消除噪声的影响，使公式（3）中后三项表示的噪声信号为零。这样做的目的是为了达到消除噪声的效果。以上为锁相放大器的基本原理，假设带有噪声信号的待测信号为正弦信号sin（t）=Asin（2πf1t+φ1）+n1（t） 和与待测信号互相关的参考信号sref（t）=Bsin（2πf2t+φ2）+n2（t），以此来说明锁相放大器消除噪声信号的具体过程。将两者相乘，结果如公式（4）所示。

对此结果通过低通滤波器将噪声进行滤波后，得到其输出，如公式（5）所示。

式中：nLPF（t）为残留噪声信号。

当参考信号和待测信号频率相同并且低通滤波器的带宽非常窄时，可以假设残余噪声接近于零，这说明所有的噪声信号都从待测信号中被过滤掉了。因此，锁相放大器的输出与待测信号的振幅之间存在公式（6）。在这种情况下，可以视作锁相放大器完全滤除了待测信号中的噪声信号，只保留了纯净的信号，如公式（6）所示。

从公式（6）可以得出结论，当待测信号与参考信号处于相同相位时，最高精度的输出将由锁相放大器提供。传统的锁相放大器在计算过程中需要频繁进行移相操作，以确保待测信号与参考信号达到相位一致，并保证测量结果的精确性。为了节省计算时间并避免冗长的移相操作，正交矢量型锁相放大器被采用。其结构如图2 所示。

图2 正交矢量型锁相放大器

在模拟电路中，实现正交锁相型锁相放大器的移相过程是非常困难的。然而，在数字化平台上却可以相对容易地实现，并且计算时间更快，误差也更小。此外，数字化平台内部可以通过大量乘法器集成硬件电路，而锁相放大算法则需要进行大量乘法运算。因此，采用DSP 来实现锁相放大算法不仅能提高精度、降低硬件成本，还能提高运算速度。

经过互相关运算，待测信号与两路正交参考信号在狭窄带宽滤波器的作用下进行处理。假设这两路信号的频率完全相同且滤波器的带宽足够窄，可以近似认为残留的噪声信号趋近于零。两路相关调节器的输出分别为公式（7）和公式（8）。

通过对两路输出信号进行互相关运算，可以获得一种与外部待测调制信号幅值成正比的输出信号。该输出信号可用公式（9）来表示。

锁相放大器主要是通过以下3 步在强噪声环境下提取信号的：1）为了避免被不同频率的噪声干扰，可以对低频信号进行频率迁移处理，然后将信号放大，以消除微弱信号对于检测精度的影响。这样做能提高信号的清晰度和准确性。2）通过利用相敏检测技术的原理，可以在已知待测信号的频率的情况下，选择一个与待测信号频率相同且没有噪声的信号作为参考信号。然后，将这个参考信号与含有噪声的待测信号进行相关运算，从而得到所需的结果。此后，还可以对经过调制的信号进行一系列处理，以获得更准确的结果。3）最后，在这项研究中，采用带通滤波器来消除宽带噪声，以获得工频下氧化锌避雷器泄漏电流信号。与传统的低通滤波器不同，带通滤波器更适用于研究对象。选择合适的滤波器带宽对于提高测量结果的准确性至关重要。如果选择的滤波器带宽足够窄，那么测量结果将更接近实际值。

当应用锁相环放大器时，常常需要通过低通滤波器来滤除相敏输出的频率，从而只保留直流分量。由于只有在适当的相位条件下才能输出最大幅度的信号，因此需要及时进行相位调整。整体来说，锁相放大器适用于在高噪声环境下检测微弱信号，这与提取泄漏电流的问题是一致的。考虑到测量精度和复杂程度两方面的角度，锁相放大器非常适合用于检测氧化锌避雷器的泄漏电流。

3.2 氧化锌避雷器泄漏电流信号的检测

氧化锌避雷器的电阻片流经电流就是泄漏电流，泄漏电流包括阻性与容性两种类型，该文为实现氧化锌避雷器总泄漏电流检测，引入谐波分析法[5]，通过获取电流信号中基波与谐波分量，来判断避雷器绝缘故障状态。如果电流较小，那么避雷器等效电路中电容变化较小，此时，总泄漏电流中的容性电流I1如公式（10）所示。

式中：m为电流中第m次谐波；ω为电流信号频率；t为时间；ϕ为谐波相角；M为电流谐波总次数。

已知避雷器容性泄漏电流和阻性泄漏电流在同次谐波下的相角差为π/2，那么可以根据公式（11）获取避雷器总泄漏电流中的阻性电流I2，如公式（11）所示。

根据式（10）与式（11）可计算氧化锌避雷器的总泄漏电流I3，如公式（12）所示。

一般来说，氧化锌避雷器泄漏电流信号是关于时间的连续函数。因此，为了将模拟电流信号转换为数字量，该文引入傅里叶变换（FFT 分析）来获取泄漏电流序列的数字量，假设原泄漏电流时间序列L3（t）长度为L，可以将其分解成长度为L/2 的序列I31（t）、I32（t），如果该文用F1（i）与F2（i）表示序列I31（t）、I32（t）的傅里叶变换值，那么傅里叶变换公式如公式（13）所示。

式中：F（i）为总泄漏电流序列的傅里叶变换值；e为指数函数。

在对氧化锌避雷器泄漏电流信号进行采样后，通过式（13）所示的FFT 对总泄漏电流做频谱分析，得到电流信号中基波与谐波分量，如果避雷器受潮，泄漏电流的基波分量发生增长，那么谐波无明显变化；如果避雷器老化，谐波分量会明显增长，那么根据泄漏电流中基波与谐波分量即可判断氧化锌避雷器的工作状态，因此，该文完成氧化锌避雷器泄漏电流的在线检测工作。

4 仿真试验

4.1 试验准备

为验证该文设计检测方法的有效性与合理性，该文根据氧化锌避雷器泄漏电流各频率成分的特点进行仿真试验，从而对设计方法进行试验。首先，在某变电站内采集氧化锌避雷器检测数据，如图3 所示。

图3 避雷器检测数据采集示意图

按照图2 所示进行检测仪器的布置，当避雷器泄漏电流为80.1Hz、采样频率为2400Hz、频谱分析点数为156 时，获取氧化锌避雷器设定泄漏电流的参数真实值，见表1。

表1 避雷器泄漏电流参数真实值

表1 中测试数据是在该氧化锌避雷器投运后第一次带电测试下获取，该文以给定信号形式的泄漏电流为试验数据，并在添加噪声信号的情况下，进行避雷器泄漏电流检测试验。

4.2 结果分析

在本次试验中，以该文设计的谐波分析检测法为试验组，选择西林电桥检测法与容性电流补偿检测法为对照组，一起对上述给定信号形式的避雷器泄漏电流进行检测。同时，为避免加噪情况下检测结果的偶然性，该文进行100 次的检测试验，并求取检测数据的平均值作为试验结果，见表2。

表2 避雷器泄漏电流检测结果

从表2 中可以看出，在氧化锌避雷器泄漏电流中存在噪声信号的情况下，该文设计检测方法中泄漏电流信号的幅值、频率及相位的分析精度均高于对照组方法。其中，泄漏电流信号幅值检测结果与真实数据之间的偏差为0.020mA，与对照组方法相比降低了0.022mA、0.009mA，频率检测结果的偏差为0.058Hz，与对照组方法相比降低了0.104Hz、0.083Hz，相位检测结果的偏差为0.049°，与对照组方法相比降低了0.134°、0.130°。由此说明，该文基于谐波分析设计的泄漏电流在线检测方法是有效的，且准确率较高。

5 结语

氧化锌避雷器是我国电力系统结构中重要的保护设备，可以避免电气设备被过电压影响发生故障，该文针对氧化锌避雷器在长期运行过程中发生的老化问题设计一种泄漏电流在线检测方法，通过互感器采集流经避雷器的电流信号，并对电流信号做FFT 频谱分析，从而获取信号中基波与谐波分量，完成泄漏电流检测，最后，该文通过仿真试验对设计检测方法的有效性与精确性进行验证，可以运用于实际的氧化锌避雷器泄漏电流带电检测中。