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聲表面波測(cè)溫法在金屬氧化物避雷器在線監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

2018-12-14 03:30,,,,,
電瓷避雷器 2018年6期
關(guān)鍵詞:阻性表面波閥片

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(1.國(guó)家電網(wǎng)公司華中分部,武漢 430000; 2.南陽(yáng)金冠電氣有限公司,河南 南陽(yáng) 473000)

0 引言

中國(guó)網(wǎng)內(nèi)輸電線路廣泛采取的防雷措施主要包括降低接地電阻、加強(qiáng)絕緣、加裝塔頭避雷針及地線防雷側(cè)針、安裝金屬氧化物避雷器(MOA)等。MOA具有良好的非線性特性,當(dāng)感應(yīng)過(guò)電壓時(shí)呈現(xiàn)低阻抗將過(guò)電壓泄放入地,泄放后快速呈現(xiàn)高阻抗不影響系統(tǒng)的正常工作,因此安裝線路避雷器能明顯降低線路雷擊跳閘率,改善系統(tǒng)穩(wěn)定性,更好的保障電力線路安全運(yùn)行[1-5]。

然而MOA長(zhǎng)期運(yùn)行在高電壓作用下,當(dāng)MOA的荷電率超出其所能承受的最大限度時(shí),電阻片就會(huì)加速老化,最終喪失保護(hù)作用而被擊穿,引起接地短路故障造成停電事故,避雷器內(nèi)部受潮也是造成避雷器事故的一個(gè)重要因素,因此在電力系統(tǒng)中對(duì)避雷器的特性監(jiān)測(cè)尤為重要[6-10]。目前,國(guó)內(nèi)避雷器在線監(jiān)測(cè)儀大多數(shù)都是通過(guò)測(cè)量避雷器的泄漏全電流或者泄漏電流的阻性分量來(lái)監(jiān)測(cè)避雷器的運(yùn)行狀況。這種監(jiān)測(cè)儀表的優(yōu)點(diǎn)是安裝簡(jiǎn)單,讀數(shù)直觀,其不足是避雷器電氣參數(shù)具有很多干擾,提取阻性分量算法復(fù)雜,所需檢測(cè)設(shè)備復(fù)雜,測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性不高[7-9]。

針對(duì)這些問(wèn)題,項(xiàng)目組根據(jù)故障MOA產(chǎn)生有功功率損耗上升的最后結(jié)果將導(dǎo)致閥片溫度上升的原理[10-14],采用無(wú)源無(wú)線聲表面波(SAW)傳感器進(jìn)行避雷器內(nèi)部溫度采集,通過(guò)監(jiān)測(cè)避雷器閥片溫度來(lái)判斷避雷器是否工作于健康狀態(tài),為MOA在線監(jiān)測(cè)提供準(zhǔn)確指導(dǎo)。

1 聲表面波測(cè)溫法

1.1 電氣參數(shù)測(cè)量法

傳統(tǒng)的MOA在線監(jiān)測(cè)方法主要有全電流法、三次諧波阻性法和容性電流補(bǔ)償法等電氣參數(shù)測(cè)量法[13-14]。但這3種在線監(jiān)測(cè)方法均未考慮相間干擾的影響,難以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)出避雷器的阻性泄漏電流,無(wú)法判斷避雷器的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)。在正常工作情況下,流過(guò)避雷器的全電流和泄漏阻性電流都非常小,全電流只有幾百微安到幾毫安,阻性電流更小,只占全電流的5%~20%,且阻性電流具有非線性,對(duì)溫度和濕度敏感,容易受環(huán)境因素影響。相間干擾對(duì)全電流和阻性電流的測(cè)量產(chǎn)生較大影響,由于現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地會(huì)對(duì)避雷器布置方式產(chǎn)生很大的限制,每相的MOA都不可避免的受到其它兩相的影響,由于相間電容耦合所形成的干擾電流在被測(cè)相電壓矢量的投影作為“阻性分量”混入真實(shí)的阻性電流中,相間干擾電流的分量可能占真實(shí)阻性電流的較大比例,造成測(cè)量失真。

1.2 金屬氧化物避雷器工作特性

MOA在系統(tǒng)電壓作用下的溫度與其能量損失有關(guān),但與系統(tǒng)電壓的諧波含量以及環(huán)境干擾等因素沒(méi)有直接關(guān)系,避雷器在正常工作時(shí),能量損耗的吸收能力很好,即能量的損耗遠(yuǎn)小于能量吸收,避雷器閥片溫度變化波動(dòng)范圍很小,即便出現(xiàn)短時(shí)間的過(guò)電壓現(xiàn)象,閥片溫度會(huì)有一定量的升高,但可以慢慢回落至正常范圍。但如果避雷器存在受潮或老化故障,能量損失會(huì)大幅度增長(zhǎng),進(jìn)而使閥片溫度持續(xù)不斷的升高并出現(xiàn)不可逆的趨勢(shì),因此閥片溫度能反應(yīng)避雷器損壞的累積效應(yīng)和病狀發(fā)展趨勢(shì),從而可以進(jìn)行避雷器在線故障診斷。

1.3 聲表面波測(cè)溫法原理

在線監(jiān)測(cè)MOA的電氣參數(shù)具有很多干擾,提取阻性分量算法復(fù)雜,所需檢測(cè)設(shè)備復(fù)雜。早在1999年德國(guó)研究學(xué)者就提出了基于無(wú)線鈍化表面聲波溫度傳感器的在線監(jiān)測(cè)方法,其靈敏度高可適用于任何復(fù)雜電磁環(huán)境下而不受干擾。然而,該技術(shù)在國(guó)內(nèi)外一直沒(méi)有科研人員對(duì)聲表面測(cè)溫法應(yīng)用于MOA在線監(jiān)測(cè)做深入研究。

聲表面波(SAW)測(cè)溫的工作原理見(jiàn)圖1[15-16]。由無(wú)線讀取單元發(fā)射一定頻率的電磁波信號(hào)經(jīng)天線傳送至SAW器件的叉指換能器,叉指換能器通過(guò)逆壓電效應(yīng)將接收的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成沿基片表面?zhèn)鞑サ臋C(jī)械振動(dòng)波。該波遇到反射柵后有部分被反射回叉指換能器,再經(jīng)叉指換能器轉(zhuǎn)換成回波電信號(hào),最后通過(guò)天線傳回讀取單元。如果SAW器件表面溫度發(fā)生變化即會(huì)引起聲波速度發(fā)生變化,從而引起無(wú)線單元接受的反射信號(hào)的諧振頻率發(fā)生相應(yīng)改變,這種改變隨溫度的改變?cè)谝欢囟确秶鷥?nèi)呈線性變化,見(jiàn)圖2,因此容易實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體溫度的測(cè)量。

圖1 聲表面波測(cè)溫原理結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of SAW temperature measurement

圖2 聲表面溫度傳感器“頻率—溫度”測(cè)試曲線Fig.2 Test curve of SAW temperature sensor "Frequency-Temperature"

基于聲表面波技術(shù)的測(cè)溫傳感器是一種被動(dòng)式的感應(yīng)器件,無(wú)需額外供電,無(wú)線讀取數(shù)據(jù),能直接把被測(cè)量溫度的變化轉(zhuǎn)換為頻率的變化,便于處理器處理;由于工作特性取決于壓電材料本身,因此使得這種傳感器具有優(yōu)良抗高壓及電磁輻射能力,可工作在-50℃~200℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行精確測(cè)量。由于聲表面波測(cè)溫傳感器重量輕、體積小、信號(hào)易于檢測(cè)、可工作于極端惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn),近幾年已經(jīng)成功應(yīng)用于高壓開(kāi)關(guān)柜、電纜接頭、變壓器接頭和高壓斷路器等電力設(shè)備測(cè)溫系統(tǒng)。

2 聲表面波測(cè)溫方案可行性驗(yàn)證

2.1 聲表面波測(cè)溫傳感器選型

項(xiàng)目組根據(jù)需求,選擇江蘇聲立傳感技術(shù)有限公司生產(chǎn)的WTS-SG-1型無(wú)源無(wú)線溫度傳感器為測(cè)溫模塊,該傳感器屬陶瓷基底傳感器,由專業(yè)傳感器廠家制造,為了讀取聲表測(cè)溫傳感器的溫度數(shù)據(jù),廠家配套的有信號(hào)調(diào)理電路,縮短項(xiàng)目開(kāi)發(fā)時(shí)間。SAW測(cè)溫傳感器頭具有純無(wú)源、免維護(hù)、體積小,安裝靈活,可以方便的安裝在被測(cè)點(diǎn)上,準(zhǔn)確地跟蹤發(fā)熱點(diǎn)的溫度變化,并可以以無(wú)線方式將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送出來(lái),實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)點(diǎn)溫度信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,實(shí)現(xiàn)非接觸溫度測(cè)量[16-19],因此將此傳感器應(yīng)用于避雷器測(cè)溫不僅不會(huì)影響避雷器的密封性,而且還能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)避雷器腔體內(nèi)溫度,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)避雷器的智能化。

2.2 測(cè)溫傳感器的安裝與指標(biāo)測(cè)試

金屬氧化物避雷器閥片與閥片之間可以通過(guò)閥片間的金屬墊塊來(lái)調(diào)整間隔,金屬墊塊導(dǎo)熱性良好,能夠更好的反應(yīng)此時(shí)避雷器的溫度,閥片間的金屬墊塊處安裝溫度測(cè)量點(diǎn)將不會(huì)影響避雷器的整體性能,本次實(shí)驗(yàn)所用的避雷器經(jīng)過(guò)對(duì)金屬墊塊加工進(jìn)行開(kāi)槽處理,把其做成一個(gè)恰好可以將溫度傳感器安裝進(jìn)去的安裝孔,在使用的時(shí)候?qū)囟葌鞲衅靼仓糜诒芾灼鞯慕饘賶|塊的安裝孔上,該安裝方案不僅使測(cè)量的溫度更加準(zhǔn)確,而且對(duì)避雷器本體的溫度表征也會(huì)更有價(jià)值。金屬墊塊的安裝孔見(jiàn)圖3。當(dāng)組裝避雷器的時(shí)候可以按照傳統(tǒng)的裝配方式進(jìn)行,當(dāng)測(cè)量溫度時(shí)候只需將溫度傳感器插進(jìn)槽孔即可。溫度傳感器的具體安裝位置如圖4所示。

圖3 金屬墊塊安裝孔Fig.3 Mounting hole of metal pad

圖4 傳感器安裝位置Fig.4 Location of sensor installation

選取南陽(yáng)金冠電氣有限公司生產(chǎn)的復(fù)合外套金屬氧化物線路避雷器為實(shí)驗(yàn)樣品,在避雷器腔體內(nèi)部等距安置6只聲表面波測(cè)溫傳感器,數(shù)據(jù)讀取器離避雷器最遠(yuǎn)端170 cm,為了便于保存分析測(cè)量數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)讀取器通過(guò)通訊接口和PC機(jī)相連。搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)見(jiàn)圖5。在實(shí)驗(yàn)時(shí),測(cè)溫系統(tǒng)依次掃描6只傳感器,按照避雷器測(cè)溫應(yīng)用情況,測(cè)試過(guò)程關(guān)注3個(gè)關(guān)鍵指標(biāo):讀取器與溫度測(cè)點(diǎn)的距離、溫度測(cè)量速度(或單個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量需要時(shí)間)、溫度測(cè)量準(zhǔn)確度,測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1和表2。

圖5 天線距離避雷器最遠(yuǎn)端170 cm實(shí)驗(yàn)Fig.5 Experiment of antenna distance from the arrester at the most distal 170 cm

表1 單節(jié)避雷器溫度測(cè)點(diǎn)采樣速度表(環(huán)境溫度25.3℃)Table 1 Sampling speed data of single arrester temperature measurement point a Ambient temperature 25.3℃) s

表2 單節(jié)避雷器溫度測(cè)量準(zhǔn)確度列表(環(huán)境溫度25.3℃)Table 2 Accuracy data of single arrester temperature measurement(ambient temperature 25.3℃) ℃

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從測(cè)試數(shù)據(jù)可分析得到如下結(jié)論。

1)聲表面波溫度傳感器的讀取速度:6個(gè)測(cè)點(diǎn)S1、S2、S3、S4、S5、S6按照距離由遠(yuǎn)到近依次安裝,讀取時(shí)按照S1、S2、S3、S4、S5、S6的次序依次讀取,共輪詢測(cè)量10次,分別記錄每個(gè)測(cè)點(diǎn)一個(gè)有效測(cè)量數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)間,單位為秒。從表1可看出,聲表測(cè)溫系統(tǒng)單個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度讀取時(shí)間介于1~6 s之間,其中大多數(shù)讀取時(shí)間為2 s內(nèi),但首次第一輪讀取較長(zhǎng),達(dá)到11 s,而且每輪讀取第一個(gè)傳感器的讀取時(shí)間較長(zhǎng),達(dá)到6 s。

2)聲表面波溫度傳感器的讀取距離:從表1可看出,在有效讀取距離內(nèi)距離對(duì)讀取時(shí)間的影響不是很大。進(jìn)一步分析表2可以看出,在有效讀取距離內(nèi)距離對(duì)測(cè)量精度的影響不是很大。測(cè)試最大距離,按照雙節(jié)避雷器配置方式,最大距離可達(dá)4.2 m,且在4.2 m內(nèi)測(cè)試速度和精度沒(méi)有明顯影響,但4.2 m以上,數(shù)據(jù)就無(wú)法讀取。

3)聲表面波溫度傳感器的溫度準(zhǔn)確性:從表2可看出,聲表測(cè)溫系統(tǒng)單個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度精度介于±1℃之間,其中大多數(shù)讀取時(shí)間為±0.5℃內(nèi)。

由于溫度是一個(gè)慢變化量,且在避雷器閥片測(cè)溫過(guò)程中,存在顯示的熱傳導(dǎo)過(guò)程,溫度不會(huì)巨變,在實(shí)際測(cè)溫過(guò)程,對(duì)于測(cè)溫速度個(gè)體差異情況,可采用數(shù)學(xué)擬合校正的方法彌補(bǔ)不足;關(guān)于距離,從單體避雷器測(cè)試情況看,可以滿足500 kv線路避雷器340 m間距的應(yīng)用需求;從實(shí)際測(cè)量來(lái)看,避雷器遭受雷擊后溫度變化可達(dá)40~100℃之間,溫度誤差±0.5℃屬可忍受范圍。綜合上述分析,該測(cè)溫方法基本滿足項(xiàng)目要求。

3 聲表面測(cè)溫法有效性驗(yàn)證

3.1 聲表面測(cè)溫傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

在前期試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,項(xiàng)目組重新搭建了如圖6所示的MOA在線測(cè)試系統(tǒng),聲表面溫度傳感器把測(cè)量的溫度信號(hào)以無(wú)線的形式通過(guò)天線將信號(hào)傳輸至電路系統(tǒng),電路系統(tǒng)中的預(yù)處理電路就會(huì)把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為溫度值,電路系統(tǒng)中的中央處理單元對(duì)溫度值進(jìn)行處理,然后把經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)云端,云端數(shù)據(jù)由遠(yuǎn)程PC以客戶界面的形式對(duì)測(cè)量的溫度值進(jìn)行顯示。避雷器發(fā)熱主要集中在距其端部1/3位置處,也是溫度值最高的地方,考慮到工程運(yùn)用的可靠性,項(xiàng)目組距避雷器兩端1/3位置處各裝配一個(gè)溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量,一個(gè)作為主傳感器,一個(gè)備用傳感器。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖7。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)搭建方案Fig.6 Program of field measurement system

圖7 現(xiàn)場(chǎng)安裝測(cè)試環(huán)境Fig.7 Test environment of field

3.2 聲表面測(cè)溫模擬現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

分別測(cè)量一只因受潮而老化的避雷器和一只全新的避雷器在施加相同電壓時(shí)溫度隨時(shí)間變化情況來(lái)模擬避雷器在掛網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的情況。這項(xiàng)測(cè)試不僅能夠驗(yàn)證項(xiàng)目組搭建的測(cè)溫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的科學(xué)性,而且還能夠真實(shí)反映已老化的避雷器和能正常工作的避雷器之間的數(shù)據(jù)差異,項(xiàng)目組設(shè)定當(dāng)避雷器溫度達(dá)到70℃時(shí)斷開(kāi)電壓。表3和表4分別記錄了正常避雷器和故障避雷器在123 kV電壓下避雷器的溫度變化數(shù)據(jù)。其中溫度1和溫度2代表在123 kV電壓下正常避雷器傳感器1和2的溫度值,溫度3和溫度4代表在123 kV電壓下故障避雷器傳感器1和2的溫度值。由于測(cè)量時(shí)間節(jié)點(diǎn)較多,大量數(shù)據(jù)不便于在表格中一一列出,因此在表格中只是列出了部分?jǐn)?shù)據(jù)。

表3 123 kV電壓下正常避雷器實(shí)驗(yàn)表格(環(huán)境溫度15.5℃)Table 3 Experimental data of 123 kV voltage under the normalstatus(ambient temperature 15.5℃)

表4 123 kV電壓下故障避雷器實(shí)驗(yàn)表格(環(huán)境溫度15.5℃)Table 4 Experimental data of 123 kV voltage under the fault status(ambient temperature 15.5℃)

3.3 測(cè)試結(jié)果分析

分析以上表格數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論:

1)通過(guò)表格數(shù)據(jù)我們可以看到避雷器溫度值會(huì)隨著通電時(shí)間的增加而逐漸升高,這是由于避雷器在高壓狀態(tài)下通過(guò)避雷器閥片的阻性電流做功,產(chǎn)生熱量,這部分熱量使避雷器腔體內(nèi)溫度升高。

2)避雷器在高壓狀態(tài)下發(fā)熱過(guò)程中,溫度和時(shí)間的關(guān)系并非是嚴(yán)格的正比關(guān)系,前期的發(fā)熱過(guò)程較為緩慢,當(dāng)溫度逐漸上升的時(shí)候,其發(fā)熱速度也會(huì)有所增加,這是因?yàn)楫?dāng)溫度上升后閥片的阻值減小,阻性電流增加,因此閥片的發(fā)熱速度更快。

3)分別對(duì)比正常避雷器和故障避雷器的傳感器1(3)和傳感器2(4)的溫度可以看到,傳感器1(3)和2(4)的溫度基本相同,誤差在±0.5℃范圍內(nèi),說(shuō)明其中一個(gè)傳感器做主傳感器另一個(gè)做備用傳感器的方案是可行的。

4)在表格數(shù)據(jù)中可以看到,正常工作的避雷器升溫較為平緩,升溫至70℃所用時(shí)間較長(zhǎng),而故障避雷器的升溫較快,升溫至70℃所用時(shí)間明顯較短。這說(shuō)明避雷器腔體內(nèi)的溫度變化能夠反映避雷器是否已經(jīng)損壞,這證明聲表面測(cè)溫法的有效性。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)監(jiān)測(cè)MOA 電氣參數(shù)判斷避雷器是否老化過(guò)程中容易受外界干擾,采用無(wú)源無(wú)線的聲表面測(cè)溫法能真實(shí)反映避雷器的健康狀況。在南陽(yáng)金冠電氣有限公司的支持下,項(xiàng)目組通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了聲表面測(cè)溫法用于在線監(jiān)測(cè)金屬氧化物避雷器運(yùn)行狀況的可行性和有效性,為其他電壓等級(jí)的避雷器在線監(jiān)測(cè)提供參考。

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