特高压交流金属氧化物避雷器在线监测装置研制

时间：2024-07-28

钟丹田，高强，张军阳，李在林，刘齐，原峰

（1.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，沈阳 110006；2.沈阳科开电力技术有限公司，沈阳 110079）

0 引言

随着中国电力事业的发展，输电等级不断提高，对特高压输变电可靠性要求也越来越高。特高压交流系统用避雷器是特高压系统中重要设备之一，其安全运行直接影响特高压电网的安全性和可靠性，因此对特高压避雷器运行状态的监测是十分必要的。当前在6～500 kV等级系统中，避雷器监测器内部构造大都是由电阻片、电磁计数器、电流指针表和一些电子元件组成，这类传统的避雷器监测器已经沿用多年，只能测量避雷器的泄漏电流而无法获取能够灵敏反映避雷器运行状态的阻性电流值，并且此类监测装置若应用在特高压场合，对装置内部的电阻片性能要求非常高，即使采用电阻片多级并联方式也无法满足特高压用监测器的技术标准[1-3]。本文提出一种基于互感器取样方式的避雷器在线监测方法，能够有效测量特高压交流避雷器的状态参数和动作次数，利用此方法设计的在线监测装置在使用时可以完全与一次设备无电气连接，不会影响高压设备的运行安全，装置具有符合站内I0接口规范的数据远传功能，满足监测装置智能化的要求。

1 特高压交流避雷器绝缘状态测量方法及原理分析

1.1 互感器取样方法研究

以1000 kV特高压交流避雷器为例，在正常运行电压下，在避雷器接地线中流过的泄漏电流约在15 mA，当出现雷击或操作过电压时，电流值会突然增大至几百千安，所以监测设备既要保证避雷器泄漏电流和阻性电流测量精度，也要考虑避雷器释放的大电流对监测装置的冲击。JB/T 10492—2011《金属氧化物避雷器用监测器》标准规定：1000 kV避雷器监测器需要在2000 μs方波（峰值）8 kA通过后正常运行，而电阻片采样方式很难达到标准要求[2]。笔者提出利用互感器的采样方式能够解决上述问题，设计了一种双极性互感器。

采用坡莫合金为材料，两个尺寸一致，初始导磁率u≥100000的磁芯，通过双极绕制的方法，加工成高精度、低磁通精密电流互感器，变比为1000:1，测量电流范围10 μA～50 mA。通过设计磁芯的截面积和负载，互感器二次电流在100 A时趋近饱和，见图1。利用互感器饱和特性和电压瞬态抑制管（TVS）配合，使数字电路部分在放电电流冲击后仍能正常运行。

图1 互感器饱和曲线Fig.1 Transformer saturation curve

互感器二次侧负载端设计500 Ω的采样电阻，二次电流经过I/V变换和信号调理后，把互感器感应的完整的泄漏电流波形变换成可以进行模数变换的小信号，从而进行分析计算。特高压交流避雷器用监测器标准对动作电流要求见表1。

通过表1可见，监测器需在下限动作电流200 A（8/20 μs），最大应能承受400 kA（4/10 μs）电流冲击时能准确记录动作次数，因此利用电阻片采样方式设计特高压避雷器监测器难以满足所有技术参数。笔者设计采用高频互感器采样方式，可以有效地测量出避雷器本体的动作，经过对铁磁材料对比分析，高导磁率的铁氧体材料具有很高的初始磁导率和高截止频率，几千赫兹至几兆赫兹下工作，可以对4/10 μs放电电流完全响应，当互感器一次侧有大电流出现时，二次侧感应出一个暂态的脉冲信号，经过保护、整流电路变换成直流信号，然后通过储能释放环节把微妙级信号变换成毫秒级的脉冲信号，经过周期延长的信号可以通过比较器给出一个翻转电平，使MCU记录一次避雷器动作的发生。

表1 1000 kV氧化物避雷器动作电流Table 11000 kV oxide arrester current standard

综上所述，利用互感方式测量避雷器的阻性电流和动作次数，完全满足特高压交流避雷器用监测器的技术要求，不仅能够给电子测量电路准确的信号，而且利用互感器的饱和特性，减轻大电流对数字电路冲击的强度。装置与一次设备没有电气连接，达到无残压测量的目的，增加一次设备运行的安全性。

1.2 阻性电流测量方法研究

目前，避雷器在线监测装置测量阻性电流的方法主要是采用测量系统电压和泄漏电流夹角，计算出阻性电流值，此种方法需要把电压互感器（PT）二次线引入到监测装置内部，这样增加PT短路的可能性，容易引起PT故障的发生。

由于避雷器具有非线性特性，其泄漏电流是非正弦波，其中含有高次谐波。3次谐波对温度变化很灵敏，早期老化期阻性电流的变化又主要表现为阻性电流的3次谐波分量的上升[4-9]。通过对低电压等级避雷器监测方法分析比较，可以利用谐波分析法测量出避雷器泄漏电流中的3次谐波电流，利用老化后和无老化时的3次谐波电流的曲线来判断MOA的运行工况。软件计算公式如下：

考虑信号中包含有高次谐波及噪声的情况，可将信号X（t）表示为

根据三角函数的正交性，得：

以上是针对时间连续信号，对于采样后的离散信号，可以将积分表示成离散形式：

式中，N是一个周期中的采样点数。

考虑到系统中的高次谐波含量较小，几乎没有偶次谐波。通过以上公式，DFT变换只分解奇次谐波，且在频域内硬件电路已经滤除大于7次的奇次谐波。由此可以计算出电流基波和3次谐波的幅值。进行如此处理后，使计算方法符合IEC 60099-5标准，保证了阻性电流提取算法的精度[10-11]。

2 装置整体设计

2.1 总体设计

基于笔者提出的特高压交流避雷器状态测量方法，研制了适用于特高压交流避雷器在线监测装置，装置具有能够在线监测避雷器全电流、阻性电流、动作次数及动作时间等功能，并能够本地显示、远程通讯、数据存储1年以上[12]。总体设计框图见图2。

2.2 采样电路设计

避雷器泄漏电流经互感器后，互感器感应出的二次电流经过I/V变换后，变换成峰值在-1.2 V～+1.2 V之间的电压信号，C39作为高频滤波电容，滤除高次谐波后，进入到第二级放大器，经过跟随电路后进行正电压抬升，电压信号调理成0～2.4 V信号，最后进入MCU中内部A/D进行分析计算。电流测量电路见图3。

图2 装置总体设计框图Fig.2 Design of the devicediagram

图3 电流测量电路图Fig.3 Current measurement circuit diagram

2.3 动作次数测量电路设计

当避雷器动作时，大电流从避雷器接地线中流入大地，高频互感器感应的大电流在二次侧输出一个短暂的脉冲信号。见图4，经过整流桥整流后变成直流信号，通过L1和C2进行延时，变换成比较器LM311能够接收的毫秒级周期信号。LM311在正常状态下输出高电平，当检测到3脚电平高于2脚电平时，输出低电平进入到MCU中断引脚，MCU记录动作发生一次，并读取当前动作发生的时间，然后把全部数据存储在FLASH芯片中。

图4 避雷器动作次数测量电路图Fig.4 Measure of surge arrester actioncircuit diagram

3 抗干扰特性设计

装置在应用过程中会受到很多复杂的电磁干扰的影响，包括装置的电源系统，通信系统，采样系统都会由于电磁干扰的影响而出现异常或者停止工作。该装置在设计中通过加强采样、通信和电源3部分系统的抗干扰特性，保证系统在强干扰条件下能够正常地工作和运行。

首先采样部分通过对差分输入信号线间接入瞬态抑制二极管和稳压管，保证在有雷击信号或者高电压感应信号输入时，将瞬态抑制二极管瞬间导通，将能量通过二极管释放掉，从而阻止其进入后续电路中。

电源电路部分要求的抗干扰能力需要达到4级要求，属于目前电磁干扰防护的最高要求，在电路设计中主要通过在电源的入口处添加压敏电阻来对高压放电进行泻放，同时通过高性能的滤波电路，将较大的脉冲限制在电源电路外侧，从而保护电源，具体的电路设计见图5。

图5 电源抗干扰电路Fig.5 Power supply anti-interference circuit

通信电路部分主要通过485总线将控制信息和监测信息进行传输，485总线的抗干扰防护包括差模干扰的防护和共模干扰的防护两个方面。在485总线差分信号线的前段接入高能放电管，将差分信号线上的电流导入大地，消除能量较大的干扰，后端通过瞬态抑制二极管，将低能高频干扰通过差分防护导回到装置外侧或者通过共模防护泻放到地电路中，通信电路设计见图6。

图6 通信抗干扰电路Fig.6 Communication anti-interference circuit

4 性能测试及误差分析

装置精度标定测试方法如下：采用美国力科1104标准源给出标准信号，使用MATLAB软件对采样结果进行计算，与装置实测数据进行对比并计算误差。如标准源输出总电流0.48 mA，3次谐波电流0.01 mA，，装置每个周波采集128点，经过全波形数据输出后经Matlab计算得Xa=0.471143 mA，Xa3=0.010853 mA，d=0.023035（d为3次谐波占基波的比例），见图7。装置显示的测量结果为总电流0.47 mA，阻性电流0.01 mA。

图7 采集电流数据波形Fig.7 Waveform of current measure data

按照装置的测量范围进行精度实验，装置对避雷器泄漏电流和阻性电流的测量误差均≤1%，完全满足Q/GDW 537—2010规范要求的测量精度。