基于谐波分析法对金属氧化物避雷器阻性泄漏电流测量的验证.pdf

21第 5 期（总第 242期）2023 年 10 月山 西 电 力No.5（Ser.242）Oct.2023SHANXI ELECTRIC POWER基于谐波分析法对金属氧化物避雷器阻性泄漏电流测量的验证张耀文1，车传强1，王 磊1，张一帆2（1.内蒙古电力（集团）有限责任公司内蒙古电力科学研究院分公司，内蒙古 呼和浩特 010020；2.内蒙古电力（集团）有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010020）摘要：金属氧化物避雷器是电力系统中一种重要的过电压保护装置，其运行状态通常是通过带电检测其阻性泄漏电流来判断。然而，由于存在很多外界干扰因素，阻性泄漏电流很难被完全从全电流中干净地提取出来，它的大小很难被精确确定，测量结果通常需要反复验证。构建的220kV金属氧化物避雷器的仿真模型，通过模拟电网电压为零时提取的阻性泄漏电流，采用谐波分析法对其进行分析，证明了该方法能有效减小电力系统谐波电压和相间耦合电容的扰动，准确提取出阻性泄漏电流，很好地佐证了现场测试结果的准确性。关键词：金属氧化物避雷器；过电压保护装置；阻性漏泄电流；谐波分析法中图分类号：TM862 文献标志码：B 文章编号：1671-0320（2023）05-0021-040引言 金属氧化物避雷器MOA（metaloxidearrester）自问世以来以优越的保护性能，逐渐成为电力系统限制过电压、保证安全稳定运行的重要一环1。但由于运行过程中其长期处于过压过流状态，电流的有功分量会使阀片发热，引起伏安特性的变化，再加上自然条件恶劣等诸多因素影响，会导致内部阀片劣化、绝缘受潮等缺陷，引起泄漏电流激增，甚至最终引起热崩溃，严重威胁着区域电力系统的安全。为了防止这样的情况出现，一方面要求提高避雷器生产的可靠性，另一方面逐渐提升对MOA运行状态的监测也是势在必行2-3。现如今，对于MOA的监测主要分为停电的周期性预防性试验和带电检测，前一种方法检测结果较为准确，但停电检修会影响区域的正常经济民生工作，面对日益增长的避雷器投运需求，后一种带电检修的方式才是更符合现实情况的。MOA带电检测方法主要有全电流法、阻性电流法、温度法和相角差法等4。全电流法简单易行，非常适用于现场的大规模使用，但是对于严重受潮的情况表现很不明显，需要阻性电流的强烈激增，才能判别。温度法利用了红外测温的原理，需要预先在内放置温度传感器，对于已建成的设备，无法实现其作用，且探测温度的信号极易受到周围环境的影响，准确性有待提高5。相角差法的研究已经很深入，相较于出厂的相角差值，正常收稿日期：2022-09-10，修回日期：2023-05-22基金项目：青年科技人员支持计划项目（2021-QK-06）作者简介：张耀文（1996），男，山西忻州人，2019年毕业于伦 敦大学学院电力系统工程专业，硕士，工程师，从事 高电压绝缘试验工作；车传强（1976），男，山东德州人，2004年毕业于内 蒙古大学物理学专业，硕士，教授级高级工程师，从 事高电压试验技术及一次设备故障诊断等方面的研究 工作；王 磊（1994），男，山西朔州人，2019年毕业于华 北电力大学电力系统及其自动化专业，硕士，工程师，从事高电压绝缘试验工作；张一帆（1995），男，内蒙古锡林郭勒人，2019年毕 业于英国曼切斯特大学电气工程专业，硕士，工程师，从事电力系统调控及自动化研究工作。山 西 电 力2023 年第 5 期22运行的相角差为7585，实测经验表明，一旦低于75，则阻性电流会变化1倍以上，可以很准确、清晰地表明MOA的劣化状态，但为了获得相角差，还得通过测量阻性电流的谐波分析法，所以两者是相辅相成的关系。至于阻性电流法，大量研究表明这是目前最直接的探测方法，其包含瞬时法、谐波分析法和零序电流法，但是受限于电网谐波和相间耦合电容的影响，测量结果会出现不容忽视的偏差6。本文旨在通过搭建基于谐波分析法的模型来佐证220kVMOA现场带电测试试验的准确性。具体情况是先通过模拟电压过零点的情况，搭建的模型会成功削减电网电压谐波和相间耦合电容引起的电容电流的影响，准确提取MOA的三相阻性泄漏电流。然后利用谐波分析法对MOA的阻性泄漏电流信号进行快速傅里叶变换FFT（fastFouriertransform）后的结果进行运算处理，直接提取出阻性泄漏电流的基波和各次谐波分量7-12。结果与现场试验结果相比较，误差可以忽略不计，验证了现场MOA带电测试结果的准确性，为确保地区系统安全稳定提供了有力依据。1 仿真模型Simulink是由MathWorks公司开发的仿真工具，经过多次改版，在最新版本中，利用其中的Simscape中的Electrical模型库，可以轻松地拖拽相关电力模块，搭建想要的电力系统的模型，设定参数后进行模拟运行，得到相应的波形变化和数据结果。以现场220kV等级氧化锌避雷器为例，搭建的“三相组合”一字排列模型如图1所示。模型分别考虑无谐波的理想模型，以及考虑电网电压3次和3次、5次谐波共同参与的模型。Ca、Cb、Cc分别表示三相避雷器的阀片电容，均为0.49 pF，Aa、Ab、Ac分别表示三相避雷器的非线性电阻，Cab、Cba、Cbc以及Ccb分别表示三相等效的相间耦合电容，均为0.12pF。输出显示的是三相的电压电流，当A、B、C三相避雷器两端的电压分别为零时，即电压过零点时，分别读取全电流数值绝对值，记作、和，通过数学运算求解，即可获得阻性泄漏电流的幅值相位参数，再重新输入模型中搭建的模块中，运算排除谐波电流、相间耦合电容电流的影响，最后即可获得较为精确的阻性泄漏电流的仿真结果。需要注意的是，、是每一相自身阀片的电容电流的基波，、是相间耦合电容电流的基波。另单独设子系统，包含3次谐波和5次谐波的阀片电容电流和相间耦合电容电流之和记作（*指代ABC三相），同样记录电压过零点时的相关数值，通过FFT获取3次、5次谐波的幅值和相位，输入子系统，再通过模型的运算输出相关阻性泄漏电流的波形图。图1 220kV系统中MOA等效电路仿真模型2 仿真结果及分析2.1 不考虑电网谐波分量的影响 在不考虑电网谐波影响下，单纯考虑自身和相间容性电流的影响，在X=0.004985，Y=0.000409733情况下三相阻性泄漏电流的波形如图2所示，阻性泄漏电流的峰值为0.409mA。图2 不含电网电压谐波时三相阻性泄漏电流波形图 对阻性泄漏电流的结果进行FFT变换处理，提取其基波和3次谐波分量，结果如表1所示。表1 三相阻性泄漏电流谐波提取仿真值与真实值对比谐波三相阻性泄漏电流平均值/mA相对误差/仿真值真实值基波0.07560.07600.533次谐波0.00810.00801.25?张耀文，等：基于谐波分析法对金属氧化物避雷器阻性泄漏电流测量的验证2023 年 10 月23 通过对图2和表1的分析，可得出以下结论：a）三相MOA阻性泄漏电流波形稳定，具有周期和对称的特征，符合实际运行工况。b）不考虑电网谐波的影响，考虑相间耦合电容电流的影响，利用谐波分析法提取的三相阻性泄漏电流的仿真数据与现场的实际数据对比，相对误差可以忽略不记，这说明谐波分析法可以较好地得到准确的MOA阻性泄漏电流的大小。2.2 考虑电网谐波分量的影响 在模型图1中加入电网的谐波分量后，分2种情况。首先，仅考虑电网3次谐波，在X=0.004985，Y=0.000373情况下且电网3次谐波分量占比为基波的5，三相阻性泄漏电流的波形如图3所示，阻性泄漏电流的峰值为0.373mA。其次，再增加5次谐波，在X=0.004985，Y=0.000341情况下其占电网基波百分比分别为3，三相阻性泄漏电流的波形如图4所示，阻性泄漏电流的峰值为0.341mA。图3 电网电压含有5 3次谐波后三相阻性泄漏电流波形图图4 电网电压含有5 3次谐波和3 5次谐波后三相阻性泄漏电流波形图 将2次MOA三相阻性泄漏电流的仿真数据和现场实际数据经过FFT处理，结果如表2、表3所示。表2 电网电压含5%3次谐波后阻性泄漏电流谐波提取值和真实值对比谐波三相阻性泄漏电流平均值/mA相对误差/仿真值真实值基波0.07580.07600.263次谐波0.00800.00800.00表3 电网电压含5%3次谐波和3%5次谐波后阻性泄漏电流谐波提取值和真实值对比谐波三相阻性泄漏电流平均值/mA相对误差/仿真值真实值基波0.07600.07600.003次谐波0.00800.00800.00 结合表2、表3和图3、图4，以及2.1节的分析结果，可以得出如下结论：a）考虑谐波的影响，同时考虑相间耦合电容的影响后，阻性泄漏电流峰值为0.341mA，与现场带电检测结果一致。再利用谐波分析法提取的阻性泄漏电流的基波、3次谐波分量的仿真数据与现场的实际数据对比，相对误差趋于零，可以忽略不记，说明可以通过精确高次谐波的参与度，进而提升仿真模型的精确性。b）电网含有5 3次谐波的情况下，阻性泄漏电流的基波分量峰值会升高，3次谐波分量峰值会降低，相对误差趋于零，考虑3 5次谐波后，结果与现场的真实数据比较，相对误差在精确位数计算条件下变为零，这说明对于现实情况，本文中基于谐波分析法的模型有着很好的匹配性，能够很好地在计算中消除相间耦合电容电流和系统谐波分量引起的电容电流的影响，得到准确的MOA阻性泄漏电流提取值。3 结论 若要对大规模运行的MOA状态进行优劣化评价，首先得确保检测结果的准确性，在众多的方法中，阻性电流法中的谐波分析法脱颖而出。本文基于谐波分析法，通过对220kVMOA模型的仿真测试表明，利用电网电压过零点时的计算，可以很好地消除相间耦合电容电流和电网电压谐波的影响，在获取现场相关的参数后，可以有力地佐证现场带电测试试验的准确性。至于存在的相对误差，可能与现场的电网电压波动以及检测仪器的误差有关，且现场位于污染较为严重的化工产业园区，后续的仿真模拟研究还需要多方面考虑。综上所述，谐波分析法对于提升区域内MOA带电检测试验的准确性提供了保障，基于此方法构建的相关模型既可以用来对现场数据进行快速有效的验证，也确保了继续构建坚强型电力系统的需求。?山 西 电 力2023 年第 5 期24参考文献：1 范焱炜，费肇胤，商忠韬.金属氧化物避雷器性能在线检测研究现 状分析J.电力与能源，2020，41（4）：442-446.2 朱宝森，宋璠，魏新劳.基于电压过零点电流幅值分析的MOA阻 性电流提取方法J.中国电机工程学报，2012，32（16）：165-172.3 刘隰蒲，王俊娜，温泉，等.220kV金属氧化物避雷器故障类型分 析与处理J.电工技术，2021（7）：131-133.4 程养春，李日东，李光茂.110kV氧化锌避雷器泄漏电流带电检测 结果统计分析J.电瓷避雷器，2020（2）：64-71.5 毛火平.基于泄漏电流和红外热像的金属氧化物避雷器联合检测技 术研究D.北京：华北电力大学，2018：23-24.6 史志强.氧化锌避雷器设备缺陷的带电检测有效性试验研究D.长 沙：长沙理工大学，2018：16-19.7 吴耀辉，肖利龙，刘昕鹤，等.金属氧化物避雷器带电测试流程优 化方法研究J.机电信息，2020（30）：15-16.8 解延毅，张建伟，续所良，等.氧化锌避雷器带电测试仪带电测试 的意义和测试原理J.中国新通信，2020，22（12）：138.9 苏宜靖，董立，唐律，等.柔性直流配电网过电压及避雷器配置研 究J.浙江电力，2019，38（3）：20-24.10 RAJUK，PRASADV.Modellingandvalidationofmetaloxidesurge 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010020，China）Abstract：Metaloxidearresterisanimportantovervoltageprotectiondeviceinpowersystem，soitsoperatingstatusisusuallyjudgedbylivedetectionofitsresistiveleakagecurrent.However，duetomanyexternalinterferencefactors，itisdifficulttoextracttheresistiveleakagecurrentcompletelyfromthefullcurrent.Itsvalueisdifficulttobemeasuredaccurately，andthemeasurementresultsusuallyneedtobeverifiedrepeatedly.Therefore，asimulationmodelofthe220kVmetaloxidearresterisconstructedinthispaper，bysimulatingtheresistiveleakagecurrentextractedwhenthegridvoltageiszero.Theharmonicmethodisusedforanalysis，andtheresultsprovethatthismethodcaneffectivelyreducethedisturbancecausedbyharmonicvoltageandphase-to-phasecouplingcapacitanceinthepowersystem.Thus，theresistiveleakagecurrentisaccuratelyextracted，whichcouldeffectivelyprovetheaccuracyofthefieldtestresults.Key words：metaloxidearrester；overvoltageprotectiondevice；resistiveleakagecurrent；harmonicanalysismethod