高 翔，呂 滔，趙 博，鄧拓夫

（國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161）

0 引言

目前國內(nèi)的避雷器帶電檢測方法主要分為感應(yīng)法和PT二次法[1]。PT二次法因需并接運(yùn)行電壓互感器（PT）的二次端子，會(huì)對(duì)運(yùn)行設(shè)備的安全性造成極大威脅，一般被運(yùn)行單位禁用[2]。而現(xiàn)有的感應(yīng)法因其容易受相間干擾[3]，所測數(shù)據(jù)既不穩(wěn)定更不準(zhǔn)確，一般僅作參考。本文介紹了一種基于感應(yīng)法的改進(jìn)型金屬氧化鋅避雷器帶電測試系統(tǒng)。

1 工作原理

目前所有具備感應(yīng)法功能的金屬氧化鋅避雷器帶電測試設(shè)備均采用感應(yīng)板測量避雷器電壓，其核心工作原理是利用一個(gè)平行電板電極測量空間電位梯度矢量場來獲取電壓信號(hào)。與之不同，本系統(tǒng)通過測量流經(jīng)電場感應(yīng)器的空間感應(yīng)電流來獲取無角偏的避雷器電壓信息。在一個(gè)交變的電場環(huán)境中，任何金屬體都會(huì)與高壓電極形成純?nèi)菪缘目臻g電容，當(dāng)金屬體接地且高壓電極一端接地（如在中性點(diǎn)接地系統(tǒng)中）時(shí)，在金屬體中就會(huì)流過空間感應(yīng)電流，該電流的相位超前電壓相位90°。因此，可以通過測量空間感應(yīng)電流并移相90°推算出一個(gè)電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)雖然在幅值上與高壓電極電壓相差很大，但其相位卻完全一致，而這正是計(jì)算避雷器電流所必需的要素。

現(xiàn)有典型的變電站（或開關(guān)站）通常采用平行出線，而避雷器就在這些出線正下方。理論計(jì)算可以得出，采用兩只感應(yīng)球并將其分別放置在兩邊最外側(cè)出線回路的B相避雷器下方，兩處測得的電壓信號(hào)具有干擾互補(bǔ)性，即將兩路信號(hào)算術(shù)疊加即可獲得B相電壓的無角偏信號(hào)。以典型的雙回線電場環(huán)境為例，將兩個(gè)感應(yīng)板分別置于兩個(gè)B相導(dǎo)線的正下方，其等值電路如圖1所示。

其中：

基于線路布置相對(duì)對(duì)稱的實(shí)際，可以認(rèn)為，

將I1和I2相加，再對(duì)疊加電流I0進(jìn)行基波和三次諧波分析，可以得到：

圖1 感應(yīng)器等值電路圖Fig.1 Equivalant circuit of the sensor

從式（3）可以看出，疊加電流的基波和三次諧波超前電網(wǎng)電壓的基波和三次諧波90°，通過90°移相計(jì)算，即可得到具有準(zhǔn)確相位信息的電壓信號(hào)。

對(duì)于A、C相電壓信號(hào)，雖然不能直接測取，但通過將B相信號(hào)數(shù)字移相也能準(zhǔn)確得到。如此一來，通過常規(guī)的計(jì)算軟件即可獲取準(zhǔn)確的避雷器電流信息，包括其各次容性電流分量和阻性分量。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)是在某公司現(xiàn)有的HCYB-20B型氧化鋅避雷器檢測儀的基礎(chǔ)上改造而成的。HCYB-20B型氧化鋅避雷器檢測儀可離線或帶電測試避雷器電流（包括避雷器全電流、阻性電流的各次諧波分量、容性電流的各次諧波分量），帶電測試功能的模式又分為PT二次式和感應(yīng)板式。該儀器的系統(tǒng)功能框圖如圖2所示。

圖2中，電流采集調(diào)理是避雷器電流的采樣單元，通過短接放電計(jì)數(shù)器兩端，泄漏電流流過穿心零磁通電流互感器進(jìn)行轉(zhuǎn)換采集；避雷器電壓采用有兩種方式，一是通過母線的PT二次側(cè)直接測量電網(wǎng)電壓，即圖2中的電壓采集調(diào)理單元，二是通過感應(yīng)板采集空間電場的梯度電勢(shì)，即圖2中的感應(yīng)板采集調(diào)理單元。

通過AD轉(zhuǎn)換將避雷器電壓、電流數(shù)據(jù)采集完畢后，數(shù)字信號(hào)送入微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及運(yùn)算。通過傅里葉變換，計(jì)算出基波電流的相角φ，由公式Ir1=I1×cosφ即可得出避雷器阻性電流的基波分量，由Ic1=I1×sinφ即可得出避雷器容性電流的基波分量，再由公式C=Ic1/（U1×ω）算出避雷器的電容量。在計(jì)算避雷器阻性電流的諧波分量時(shí)，若采用上述方法直接計(jì)算，會(huì)因?yàn)楫?dāng)電壓的諧波成分接近0而導(dǎo)致諧波的相角信息φn無法確定，進(jìn)而無法計(jì)算避雷器阻性電流的各次諧波分量，因此需采用其他方法計(jì)算阻性電流的諧波分量。

圖2 原型機(jī)功能圖Fig.2 Diagram of the prototype machine

通過各次諧波電壓和避雷器電容，可以計(jì)算出避雷器容性電流的各次諧波分量，再用各次諧波總電流與容性諧波電流算術(shù)平方相減即可得出各次阻性諧波電流，即由公式Icn=3×Un×Ic1/U1算出容性諧波電流，再通過公式Irn=√（In2-Icn

2）即算出阻性電流的個(gè)次諧波分量。根據(jù)避雷器阻性電流的特性，阻性電流各次諧波分量的初始相位φn=φ（Un），φ（Un）為各次諧波電壓的采樣時(shí)刻初始相位，可通過電壓采樣值經(jīng)過傅立葉正變換得到。

本系統(tǒng)對(duì)圖2中“感應(yīng)板采集調(diào)理”單元進(jìn)行改造，采用如圖3所示的“感應(yīng)球采集調(diào)理”單元。

圖3 感應(yīng)球采集調(diào)理單元結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Diagram of the acquisition and modulation unit based on inductive ball

圖3中，IB1和IB2為銅質(zhì)金屬球，R1和R2為無感電阻。IB1、IB2的作用是利用空間電容原理使高壓電極對(duì)其產(chǎn)生空間感應(yīng)電流，之所以采用球狀金屬體而不采用金屬板，主要為了消除平板電極布置角度差異產(chǎn)生的測量誤差；R1、R2的作用是將空間感應(yīng)電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，以便于分析、處理。

3 系統(tǒng)測試

在實(shí)驗(yàn)室中模擬雙回線現(xiàn)場環(huán)境，對(duì)35kV金屬氧化鋅避雷器進(jìn)行運(yùn)行電壓下的帶電檢測。為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的性能，本次檢測為對(duì)比測試，參照量為通過PT二次法測得的數(shù)據(jù)。為了排除因A/D采樣單元、PLC處理器及計(jì)算軟件產(chǎn)生的差異，特選擇本系統(tǒng)的PT二次式帶電測量功能模塊進(jìn)行測試。

通過PT二次法測得的數(shù)據(jù)如表1所示。

通過感應(yīng)球法測得的數(shù)據(jù)如表2所示。

表1、表2中，Ux為避雷器端電壓有效值，U1為避雷器端電壓基波有效值，U3為避雷器端電壓三次諧波有效值，Ix為避雷器全電流有效值，Irp為避雷器阻性電流峰值，Ir1p為避雷器阻性電流基波峰值，Ir3p為避雷器阻性電流三次諧波峰值，φ為避雷器基波電壓和基波電流的角差。

通過對(duì)比表1、表2的實(shí)測數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)：

（1）通過感應(yīng)球測得的避雷器電壓信號(hào)其相位非常穩(wěn)定；

表2 感應(yīng)球法測試記錄表Tab.2 Test record by using signal from inductive ball

（2）通過兩種方法測得的避雷器電壓信號(hào)基本沒有角偏，φ偏差最大為0.15°；

（3）通過兩種方法解析出的避雷器電流數(shù)據(jù)基本完全一致。

4 結(jié)束語

綜上所述，基于感應(yīng)法的改進(jìn)型金屬氧化鋅避雷器帶電測試系統(tǒng)很好地解決了在復(fù)雜電場環(huán)境下的相間干擾問題，實(shí)現(xiàn)了一種既安全又準(zhǔn)確的金屬氧化鋅避雷器帶電測試技術(shù)，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1]蔡偉賢，陳蓓. 提高氧化物避雷器帶電測試準(zhǔn)確性的探討. 電瓷避雷器，2011（4）.

CAI Weixian，CHEN Pei. Discussion on improving accuracy of moa live testing. Insulators and Surge Arrestors，2011（4）.

[2]袁海燕，莊燕飛，等. 改進(jìn)的特高壓金屬氧化物避雷器帶電測試方法. 電瓷避雷器，2011（4）.

YUAN Haiyan，ZHUANG Yanfei，etc. Improved live test method for UHV MOA，Insulators and Surge Arrestors，2011（4）.

[3]李進(jìn)揚(yáng). 金屬氧化物避雷器帶電測試標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)的建議. 湖北電力，2006，30（6）.

LI Jinyang. Suggestions for the modification of testing standard for the energized metallic oxide arrestor. Hubei Electric Power，2006，30（6）.

高 翔（1977—），男，高級(jí)工程師，主要研究方向：高電壓絕緣。E-mail：35040685@qq.com