李 濤 方文田

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司揭陽供電局，廣東 揭陽 522000）

0 引言

金屬氧化物避雷器（metal oxide arrester, MOA）是一種重要的過電壓保護(hù)設(shè)備，具有良好的非線性特性，在電力生產(chǎn)場所得到了廣泛應(yīng)用[1-4]。運(yùn)行中的MOA內(nèi)部氧化鋅閥片長期受到過電壓沖擊及復(fù)雜環(huán)境的考驗(yàn)，會(huì)逐漸出現(xiàn)老化、受潮及非線性特性變差的情況，若不及時(shí)處理，將導(dǎo)致MOA發(fā)熱甚至爆炸。無論是上述何種原因?qū)е翸OA劣化，其呈現(xiàn)出來的特征都是在正常運(yùn)行電壓下阻性電流異常增大[5-9]。根據(jù)南方電網(wǎng)電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程（Q/CSG 114002—2011）的建議，每年雨季之前需對避雷器進(jìn)行帶電測試，根據(jù)阻性電流大小判斷避雷器健康程度[10-11]。

由于MOA泄漏電流全電流中包含容性電流分量與阻性電流分量，且阻性分量只占全電流的10%～20%，因此如何準(zhǔn)確提取阻性電流是避雷器帶電測試算法的關(guān)鍵[12]。目前應(yīng)用于氧化鋅避雷器帶電測試阻性電流提取的技術(shù)主要有三次諧波法及容性電流補(bǔ)償法。

文獻(xiàn)[13-14]提出阻性電流基波與三次諧波存在數(shù)量關(guān)系，通過測量三次諧波，進(jìn)而求得阻性電流的方法。然而，日益嚴(yán)重的電網(wǎng)諧波污染對該方法的精度造成較大影響[15]。容性電流補(bǔ)償法又稱二次法，該方法利用電壓互感器（potential transformer, PT）二次電壓信號(hào)對泄漏電流全電流中的容性分量做補(bǔ)償，進(jìn)而得到阻性分量。該方法安全、可靠，現(xiàn)有避雷器帶電測試儀器大多基于該技術(shù)研制。但現(xiàn)場測試時(shí)，該方法易受到相間耦合電流的干擾，導(dǎo)致測量結(jié)果失真[16-20]。

鑒于以上避雷器帶電測試方法的不足，本文提出一種基于粒子群優(yōu)化（particle swarm optimization, PSO）算法的避雷器阻性電流計(jì)算方法，該算法能有效消除相間干擾的影響，實(shí)現(xiàn)對MOA阻性電流的準(zhǔn)確計(jì)算。該方法為電力設(shè)備運(yùn)維人員準(zhǔn)確把控MOA健康程度提供了一種新的思路。

1 容性電流補(bǔ)償法原理與相間干擾問題

1.1 容性電流補(bǔ)償法原理

正常運(yùn)行時(shí)，金屬氧化物避雷器可以等效為一個(gè)非線性電阻與電容的并聯(lián)模型[21]，如圖1所示。

圖1 金屬氧化物避雷器等效模型

式中，φ為一次電壓與泄漏電流全電流的相位差。

因此只要獲取相位差φ及泄漏電流全電流Ix的數(shù)值，即可計(jì)算得到阻性電流Ir。泄漏電流全電流Ix可以在避雷器引下線處測得，而相位差φ則可以通過同步獲取一次電壓與全電流的波形，采用過零檢測法得到兩段波形的相位差φ。此方法原理簡單、可靠，因此獲得廣泛應(yīng)用。

1.2 相間干擾分析

所謂相間干擾是指鄰相避雷器間產(chǎn)生的容性耦合。在不考慮其他間隔影響的情況下，避雷器相間干擾的等效電路如圖2所示。圖2中，Ca、Cb、Cc為避雷器閥片等效電容，Ra、Rb、Rc為避雷器閥片等效電阻，Cab、Cba、Cbc、Ccb為避雷器相間耦合電容。

圖2 避雷器相間干擾等效電路

變電站里的避雷器往往呈一字排列，各相避雷器泄漏電流除了包括流過避雷器本體的電流外，還包括流過相間耦合電容的鄰相干擾電流。相間干擾相量圖如圖3所示。以B相為例，總泄漏電流，其中為流過避雷器本體的電流，為流過避雷器閥片等效電容的電流，為A相通過空氣耦合電容Cab流向B相的電流，為C相通過空氣耦合電容Ccb流向B相的電流。當(dāng)Cab=Ccb=Cba=Cbc時(shí)，如圖3（a）所示，與的合成相量方向與B相容性電流b′方向相反，造成B相泄漏電流全電流的幅值與相位均減小。但相量與B相阻性電流相垂直，因此，A、C相避雷器對B相干擾平衡時(shí)，對B相避雷器阻性電流不造成影響。當(dāng)Cab=Cba＞Cbc=Ccb，也就是A相干擾較強(qiáng)時(shí)，如圖 3（b）所示，與的合成相量方向按順時(shí)針偏移，在B相阻性電流Br的方向上產(chǎn)生一個(gè)相反方向的分量Br′，抵消了B相阻性電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)B相阻性電流出現(xiàn)負(fù)值的情況。

圖3 相間干擾相量圖

同理可得，A相避雷器與C相避雷器距離較遠(yuǎn)，與B相避雷器距離較近，因此A相避雷器阻性電流將偏大，容性電流將偏小。而C相阻性電流與容性電流均偏小。由于相間干擾的存在，造成避雷器帶電測試結(jié)果失真，不能正確反映設(shè)備狀態(tài)。

2 基于PSO的避雷器阻性電流計(jì)算方法

2.1 PSO算法原理

粒子群優(yōu)化算法源于對鳥類群體覓食行為的研究。算法模擬鳥群根據(jù)個(gè)體分享的位置信息，及時(shí)調(diào)整鳥群的運(yùn)動(dòng)策略，從而使整個(gè)鳥群的覓食效率最大化的過程[22-26]。應(yīng)用在實(shí)際問題時(shí)，用粒子來表示鳥類個(gè)體，粒子的位置表示算法的可能解，粒子移動(dòng)的過程表示算法的優(yōu)化過程，粒子的移動(dòng)速度則根據(jù)歷史位置動(dòng)態(tài)調(diào)整。每個(gè)粒子首先具有一個(gè)初始的位置與移動(dòng)速度，根據(jù)每次迭代中出現(xiàn)的全優(yōu)位置不斷地調(diào)整每個(gè)粒子的移動(dòng)速度與位置，最終使粒子聚集在全局最優(yōu)解的位置。粒子群算法流程可以概括為：初始化粒子群、計(jì)算粒子適應(yīng)度得到全局最優(yōu)、調(diào)整粒子速度與位置。PSO算法流程如圖4所示。

圖4 PSO算法流程

2.2 PSO在避雷器阻性電流測試中的應(yīng)用

氧化鋅避雷器可等效為一個(gè)非線性電阻與電容的并聯(lián)模型。目前計(jì)算氧化鋅避雷器的泄漏電流全電流一般為

式中：C為避雷器等效電容；u為避雷器兩端電壓；k為表征避雷器非線性特性的系數(shù)[27]?？紤]到相間干擾電流的存在，如圖2所示，避雷器三相泄漏電流全電流可表示為

其中，ua、ub、uc可由變電站母線PT二次端子測得，Cba=Cab、Cbc=Ccb。應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，得到目標(biāo)函數(shù)為

式中：imxa、imxb、imxc可由電流互感器實(shí)測獲得；N為采樣序列長度；n為采樣序列中第n時(shí)刻。

將式（4）作為PSO算法目標(biāo)函數(shù)，把Ca、Cb、Cc、ka、kb、kc、Cab、Ccb作為待求量，按照圖4的算法流程進(jìn)行求解。為了減少計(jì)算量，首先應(yīng)根據(jù)待求量定義算法搜索空間。氧化鋅閥片自電容一般取值在25～45pF之間，相間耦合電容取值在0.1～0.5pF之間[28]。運(yùn)用PSO算法求解得到ka、kb、kc，根據(jù)式（2）即可計(jì)算得到阻性電流。該算法只需采集變電站母線電壓與避雷器泄漏電流，適合應(yīng)用于避雷器帶電測試。

3 應(yīng)用實(shí)例

采用基于PSO的避雷器阻性電流計(jì)算方法對220kV某戶外敞開式變電站避雷器進(jìn)行測試計(jì)算。測量對象包括220kV母線避雷器、220kV線路避雷器、110kV母線避雷器及110kV線路避雷器。同時(shí)采用濟(jì)南泛華公司的AI6106避雷器帶電測試儀對避雷器進(jìn)行比較測量，現(xiàn)場測試結(jié)果見表1。

表1 現(xiàn)場測試結(jié)果

分析測試結(jié)果可知，由于相間干擾的存在，AI6106避雷器帶電測試儀器未補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)普遍存在A相偏大，B、C相偏小的特點(diǎn)，與前面的相間干擾分析結(jié)果一致。220kV的相間干擾程度較大，其中220kV線路避雷器B相阻性電流甚至出現(xiàn)負(fù)值。相間干擾電流的存在導(dǎo)致避雷器帶電測試結(jié)果嚴(yán)重失真，難以作為判斷避雷器健康狀態(tài)的有效依據(jù)。AI6106雖帶有相間干擾補(bǔ)償功能，但前提是A、C相對B相的干擾平衡，該功能無法消除不平衡的相間干擾。對基于PSO算法的避雷器阻性電流測試結(jié)果進(jìn)行橫向比較，結(jié)果顯示所測避雷器阻性電流較為平均，能有效克服相間干擾的影響。選取所測避雷器近期的停電試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對所測避雷器健康狀態(tài)進(jìn)一步進(jìn)行分析。金屬氧化物直流1mA電壓U1mA試驗(yàn)及0.75U1mA下的泄漏電流試驗(yàn)是考察避雷器健康狀態(tài)的重要依據(jù)。表1所測金屬氧化物避雷器停電試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 停電測試結(jié)果

從停電試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，所測間隔的A、B、C三相避雷器試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為均衡，說明三相避雷器的絕緣性能及非線性特性相差不大。停電測試數(shù)據(jù)均在試驗(yàn)規(guī)程所要求的范圍內(nèi)，避雷器絕緣性能良好，與基于PSO的阻性電流計(jì)算方法所反映的結(jié)果一致。

綜上所述，基于PSO的避雷器阻性電流計(jì)算方法能有效消除相間干擾的影響，其測試結(jié)果能較準(zhǔn)確地反映氧化鋅避雷器的健康狀態(tài)。

4 結(jié)論

戶外敞開式變電站金屬氧化物避雷器在進(jìn)行帶電測試時(shí)，不可避免會(huì)受到相間干擾的影響，導(dǎo)致傳統(tǒng)測試方法數(shù)據(jù)失真，難以作為判斷避雷器健康程度的有效依據(jù)。本文分析了避雷器帶電測試中相間干擾的產(chǎn)生原因并提出了一種消除相間干擾的避雷器阻性電流計(jì)算方法。

通過對某220kV戶外敞開式變電站避雷器進(jìn)行測試，證明了基于PSO的避雷器阻性電流計(jì)算方法能有效消除相間干擾的影響，提高了電力設(shè)備運(yùn)維人員對設(shè)備健康狀態(tài)的把控能力。