避雷器三次諧波電流向量法帶電檢測原理、通用要求、在線監(jiān)測系統(tǒng)、帶電檢測案例

（資料性）

諧波電流向量反演法的避雷器帶電檢測原理A.1避雷器帶電檢測方法原理及存在的問題無間隙金屬氧化物避雷器是由電阻片串聯(lián)，外面封裝瓷外套或復合絕緣外套的絕緣材料的組合體，其等值電路可看成右圖的電容C（主要是對地分布電容）和非線性電阻R（主要是電阻片）的并聯(lián)，如圖A.1所示，其中，R為非線性元件，其伏安特性見圖2，原則上，伏安特性曲線可以用多項式表示：（i=1，3，5.....）（A.1）理論上，在系統(tǒng)正弦電壓下，只要避雷器電阻R存在非線性即i≥3，阻性電流中必然存在三次諧波分量。圖A.1無間隙金屬氧化物避雷器等值圖圖A.2非線性元件R的伏安特性曲線根據圖A.1，理論上，只要求得避雷器的容性電流分量，就可以通過持續(xù)電流進行向量相減，得到需要測量的避雷器阻性電流，這就是容性電流補償法的思想。容性電流補償法是避雷器阻性電流測量的主流方法，利用避雷器端部電壓（基波電壓）作為基準向量，超前移相90o得到電容電流相位，將持續(xù)電流減去電容電流，剩下的就是阻性電流分量。容性電流補償法，需要測量母線電壓作為基準，因此，容性電流補償法的基礎，是獲取基波電壓的相位?，F行的基波電壓相位采集方法主要有抽取電壓互感器二次電壓和空間電場的感應板法兩種途徑，最直接的方法是通過抽取與避雷器同一條母線的電壓互感器二次電壓，但測量較復雜，存在一定的安全風險；此外，空間電場的感應板法采用電場耦合原理，以感應電壓信號取代電壓互感器二次電壓信號，實際測量對感應板安裝位置較敏感，需要多次調整位置，檢測結果分散性大，應用不多。電壓互感器二次電壓參考法最為成熟，是避雷器帶電檢測的標準做法，通過電壓互感器二次側測得高壓母線的相位，如圖1，但這種做法，給現場測量帶來諸多不便，且存在二次設備運行安全風險。在強調安全的大背景下，部分基層單位轉而采用提取站用檢修電源電壓信號作為參考電壓的方法，或者完全不取參考電壓信號。對于抽取站用檢修電源電壓信號的做法，經過站用變繞組的低壓信號與運行電壓存在相角差，給檢測結果帶來原理性誤差。基于容性電流補償原理的避雷器阻性電流檢測儀器，最初是日本LCD-4型，國內已有商業(yè)化的成熟產品。對于完全不取參考電壓信號的需求，個別儀器廠家提供這種方式的檢測功能，其預設的功能是建立在默認避雷器狀態(tài)良好的前提之下。很顯然，提取站用電源電壓信號或者不取參考電壓信號的做法，因無法得到避雷器阻性電流準確值，自然無法對其早期缺陷進行診斷，在實踐中多轉而對三相避雷器檢測結果進行橫向比較，若出現較大偏差，則判定避雷器異常并進行告警，然后停電進行直流試驗確認。另一方面，容性電流補償法有效的前提是，避雷器持續(xù)電流種僅包含自身的電容電流，而實際變電站中，三相避雷器相互之間存在著相間耦合電容，當然，相鄰設備也與避雷器有耦合電容，實際耦合情況更加復雜?？梢?，避雷器持續(xù)電流里還包含其它相避雷器和其它設備耦合來的電容電流，實際電容電流的相位就非與其母線電壓相差90°，將母線電壓移相90°減去容性電流的處理，在實際現場環(huán)境下存在很大誤差。對于常見的一字排列的三相避雷器，A、C相對B相的耦合干擾大小相等，方向相反，其合成向量對B相的容性電流分量相位影響較小，如圖A.3所示。圖A.3避雷器相間干擾原理示意圖不考慮其它干擾影響時，容性電流補償法的結果為A相偏大，B相居中，C相偏?。欢唧w偏差多少，與現場的電容耦合干擾密切相關。避雷器相間干擾的存在，給現場帶電檢測帶來了很大的困難和困擾，三相避雷器阻性電流帶電檢測結果一致性較差，甚至出現C相阻性電流為負值的情況，而在測量實踐中，明明知道數據不可信，卻沒有解決方案。為此，主流儀器多采用“自動邊補”功能，即人為地把A、C兩相數據相加取平均值，這樣，大多數情況下數據就比較“平衡”了，但同時也把A、C相避雷器的真實狀態(tài)掩蓋了。避雷器帶電檢測實踐中，不正確提取系統(tǒng)電壓信號、相間干擾和儀器準確度等原因，給阻性電流帶電檢測結果帶來或大或小的誤差，由于難以準確測量阻性電流，大多不追求測量準確值，而轉為通過對檢測結果進行橫向比較的間接方式，對異常的避雷器發(fā)出告警，再輔以紅外檢測，最終通過停電直流試驗確認。一方面，無法對避雷器早期缺陷進行診斷，對于成批次存在家族性缺陷的避雷器，也難以通過橫向比較來反映出缺陷的發(fā)展。另一方面，在避雷器帶電檢測實踐中，不乏出現誤判、漏判等問題，嚴重影響了帶電檢測技術對避雷器缺陷診斷的有效性。A.2諧波電流向量反演法的避雷器帶電檢測原理針對現行容性電流補償法在基波電壓相位采集中存在的風險和不足，本文件提出三次諧波電流向量法則通過避雷器持續(xù)電流，提取其中的諧波向量（三次諧波），通過三次諧波和基波的相位對齊關系進行反演，間接獲得避雷器端部基波電壓向量，不需提取電壓互感器二次電壓信號，操作更加簡單，安全風險低。1個50Hz基波對應3個三次諧波的波形，其中的1個三次諧波過零點與基波過零點重合，即“同相”，另兩個分別與基波相差120°和60°（或240°），亦即，通過測量三次諧波的相位，可以推算出基波的相角有3種可能結果，如圖A.4所示。而通?；妷号c持續(xù)電流相位差接近90°，則我們可以很容易的確定符合這個要求的基波電壓相位正確結果；得到基波電壓相位后，對持續(xù)電流進行傅立葉分解，可得到超前基波電壓90°的容性電流分量，再用持續(xù)電流減去容性電流即得到阻性電流。上述原理即為基于三次諧波電流向量反演避雷器阻性電流的避雷器帶電檢測思路，該思路的優(yōu)點，只需準確提取避雷器持續(xù)電流，即可實現阻性電流和三次諧波電流的準確提取。圖A.4三次諧波與基波的“相位對齊”關系具體步驟如下：（1）基于電流互感器的避雷器持續(xù)電流無接觸測量，通過帶通濾波器實現對持續(xù)電流信號的提取。（2）通過多種算法，濾除持續(xù)電流測量信號中的強干擾，得到避雷器電流的三次諧波分量。（3）根據基波與三次諧波波形的對應性，1個50Hz基波對應3個三次諧波的波形，其中，1個三次諧波過零點與基波過零點重合（即“同相”），另兩個與基波相差120°和60°。（4）從圖A.4的上圖看出，通過Step2得到的三次諧波相位，可以推算出基波的相角3種可能的結果。（5）根據基波電壓（即系統(tǒng)電壓）的相位與持續(xù)電流相位常相差接近90°，則很容易地確定符合這個要求的基波電壓相位的正確結果。（6）根據得到的基波電壓相位，對持續(xù)電流進行傅利葉分解，即得到容性電流向量。（7）最后用持續(xù)電流減去容性電流，即可得到阻性電流?；谌沃C波“相位對齊”特性的電流分離法，是基于三次諧波電流向量反演的避雷器阻性電流測量方法的核心。A.3電網三次諧波的影響低壓線路諧波含量大，而高壓線路上的諧波比較小，國標GB/T14549-93《電能質量公用電網諧波》規(guī)定：110kV系統(tǒng)電壓波形總畸變率控制在2%，電壓等級越高，諧波含量更低，所以，目前該方法更適用于高壓線路。以下分析電網三次諧波的影響。110kV避雷器運行電壓約為63.5kV，規(guī)程規(guī)定的三次諧波含量不超過1.5%（220kV和500kV更低），實測結果約為0.5%，考慮1.5%的最嚴重情形，三次諧波電壓約為950V。運行電壓下，避雷器的伏安特性位于線性區(qū)，電壓和電流成比例，以110kV避雷器為例（由35片電阻片串聯(lián)而成，220kV避雷器實際上看成兩節(jié)110kV避雷器），表A.1為現場測量推算和實驗室示波器測量結果，可以看出：三次諧波電壓產生的阻性電流（以三次諧波為主）較基波電壓產生阻性電流小兩個數量級，系統(tǒng)三次諧波電壓對測量結果的影響可忽略不計。圖A.1電網三次諧波的影響測量結果基波三次諧波（含量1.5%）運行電壓阻性電流（以基波為主）電壓分量阻性電流（以三次諧波為主）63.5kV（整節(jié)110kV避雷器）現場實測范圍30~50μA950V（整節(jié)110kV避雷器）0.45~0.75μA1.8kV（電阻片）實驗室測量36μA27V（電阻片）阻性電流太小，示波器幾乎測不到有效的值

（規(guī)范性）

帶電檢測儀器通用要求B.1避雷器帶電檢測儀器包括硬件和軟件兩部分，一般由：（1）持續(xù)電流采集單元；（2）信號轉換和放大單元；（3）帶通濾波單元；（4）控制和數據運算單元；（5）人機交互單元等5個部分組成，其中主機應包括后4個單元。B.2持續(xù)電流采集單元有旁路監(jiān)測裝置采集單元和高精度電流互感器采集單元兩種模式，前者接到監(jiān)測裝置兩端后，應能將其完好地旁路，避雷器持續(xù)電流全部經過采集單元，監(jiān)測裝置顯示歸零；后者可實現持續(xù)電流的無接觸式獲取，適合不帶監(jiān)測裝置的35kV以下避雷器帶電檢測，但對電流互感器精度的要求很高。B.3信號轉換和放大單元將采集的持續(xù)電流信號進行帶通濾波和數字信號處理，采用抗干擾算法，分離出持續(xù)電流中基波和三次諧波電流分量。B.4控制和數據運算單元利用三次諧波與基波波形的“相位對齊”關系，以及持續(xù)電流與基波電壓相位相差接近90°的關系，確定符合要求的基波電壓相位；將精確測量得到的避雷器相間電容引入避雷器阻性電流相間干擾補償校正算法中，得到準確的容性電流相位；進一步對持續(xù)電流進行向量分解，即得到容性電流向量；用持續(xù)電流減去容性電流，即可得到阻性電流。B.5由于所提取的參數特性對測量誤差和檢測結果的不確定性有很大的影響，基于三次諧波電流向量反演的避雷器阻性電流測量技術對算法的性能有較高的要求，帶電檢測儀器的軟件一般由5個模塊組成：（1）三次諧波電流抗干擾提取算法；（2）相間電容影響補償算法；（3）三次諧波電流反演算法；（4）容性電流補償計算模塊；（5）人機交互模塊。B.6避雷器帶電檢測儀器的主要性能指標：（1）持續(xù)電流測量范圍：至少包含0～5mARMS；（2）準確度：±（2%讀數+5μA）；（3）阻性電流基波測量準確度：±（2%讀數+5μA）。B.7避雷器持續(xù)電流、阻性電流（或阻性電流與持續(xù)電流的相角差），以及功率損耗等結果通過人機交互單元輸出顯示和打印。

（資料性）

諧波電流向量反演法避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)C.1避雷器在線監(jiān)測主要測量避雷器在運行電壓下的以下參數：（1）避雷器持續(xù)電流；（2）避雷器阻性電流（或用阻性電流與持續(xù)電流的相角差表示）；C.2避雷器在線監(jiān)測與帶電檢測的原理相同。C.3避雷器在線監(jiān)測單元安裝在待測避雷器監(jiān)測裝置旁，主要功能是實現持續(xù)電流的采集，可以三相避雷器共用一個在線監(jiān)測單元（需要布置測量線），也可以每只避雷器獨立安裝一個在線監(jiān)測單元（兩個邊相的單元通過無線連接中間相的主單元，優(yōu)點是免布置測量線）?；芈肥疽鈭D如圖C.1所示。圖C.1諧波電流向量反演法避雷器在線監(jiān)測回路示意圖C.4采用旁路監(jiān)測裝置測取法或電流互感器直接測取法測量持續(xù)電流，在線監(jiān)測單元接線預先接在監(jiān)測裝置兩端或在避雷器接地引下線上預先安裝高精度電流互感器，C.5在線監(jiān)測系統(tǒng)可設置每天測量次數和測量時間，采用旁路監(jiān)測裝置測取法測量時短暫喚醒系統(tǒng)并啟動持續(xù)電流測量，臨時短接監(jiān)測裝置，其余時間處于休眠狀態(tài)，不影響避雷器監(jiān)測裝置正常工作。C.6避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。C.7在線監(jiān)測系統(tǒng)一般包括以下功能單元：取能單元；信號轉換和放大單元；帶通濾波單元；控制和數據運算單元；通信系統(tǒng)；人機交互單元等部分組成。C.8在線監(jiān)測單元電源可從避雷器持續(xù)電流取能，或通過交流供電，太陽能供電等方式取能。C.9實時采集的避雷器持續(xù)電流經過與6.1.5~6.1.9相同的處理后，得到阻性電流經過無線傳輸或專用通信通道傳送到后臺顯示終端。C.10其余部分功能和技術參數與附錄B相關部分相同。C.11在線監(jiān)測系統(tǒng)一般由生產廠家負責安裝及調試，并保證其穩(wěn)定可靠工作。C.12敞開式變電站的避雷器阻性電流測量易受相間干擾的影響，在線監(jiān)測系統(tǒng)安裝和調試過程中應注意相間干擾的影響，應通過補償等方式排除。C.13在線監(jiān)測系統(tǒng)安裝后調試時，持續(xù)電流采用旁路監(jiān)測裝置進行測量時系統(tǒng)喚醒時應對監(jiān)測裝置兩端進行可靠臨時短接，三相監(jiān)測裝置讀數全部歸零。采用高精度電流互感器直接測量持續(xù)電流時，鉗口應完全閉合，盡量讓避雷器接地引下線垂直穿過鉗口平面，并使測量值保持穩(wěn)定。C.14在線監(jiān)測系統(tǒng)初運行時，應人工測量與待測避雷器同一母線的電壓互感器二次電壓信號，輸入在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過算法對預設的避雷器相間電容對阻性電流影響的補償度進行校正，并儲存校正結果作為原始參數。C.15在線監(jiān)測系統(tǒng)實時檢測結果的判據可參照第7部分的帶電檢測。

（資料性）

諧波電流向量反演法避雷器導則帶電檢測案例試品情況利用人工加壓測量避雷器阻性電流作為基準，選擇有代表性的廣東電網公司惠州供電局220kV和110kV變壓器避雷器和線路側避雷器進行諧波電流向量反演法避雷器帶電檢測驗證，試品分別為：（1）220kV東澎變電站新安裝的220kV變壓器高壓側避雷器和中壓側避雷器各一組；（2）500kV惠州變電站變電站新安裝的兩組220kV線路側避雷器；（3）110kV新墟變電站新安裝的一組110kV線路側避雷器。D.2測量方案采用三次諧波電流向量反演法，測量結果與待測避雷器投產前采用試驗變壓器加壓方法逐相測量的避雷器運行電壓下的阻性電流測量（采用容性電流補償法的傳統(tǒng)主流儀器，基波電壓信號取自試驗變壓器的二次側）的結果比對。考慮到避雷器投產前周圍電磁干擾較小，單相試驗變壓器高低壓繞組的相位偏差可不計，試驗變壓器二次側電壓可以正確反映避雷器端部基波電壓的相位，且單相加壓測量可以避免敞開式安裝的避雷器相間干擾的影響，因此，避雷器阻性電流測量結果反映避雷器阻性電流真實的初始值，可作為帶電檢測結果的比對標準。D.3檢測結果及分析測量結果如表D.1~表D.5所示，可以看出，三次諧波電流向量反演法測量結果與逐項加壓的容性電流補償法測量結果一致，帶電檢測可以準確地反映避雷器的阻性電流狀況。表D.1惠州局220kV東澎站3號變中避雷器測試方法測試方法阻性電流峰值全電流RMS/阻性電流峰值Peak(uA)A相全電流RMS/阻性電流峰值Peak(uA)B相全電流RMS/阻性電流峰值Peak(uA)C相停電諧波向量法儀器逐相加壓測試510/80512/82515/82帶電諧波向量法儀器三相帶電測試564/75505/80522/79表D.2惠州局220kV東澎站3號變高避雷器測試方法測試方法阻性電流峰值全電流RMS/阻性電流峰值Peak(uA)A相全電流RMS/阻性電流峰值Peak(uA)B相全電流RMS/阻性電流峰值Peak(uA)C相停電諧波向量法儀器逐