一種金屬氧化物避雷器帶電檢測有效性試驗系統的製作方法

2023-05-21 13:07:31 2

本發明屬於電氣工程領域，尤其是涉及一種金屬氧化物避雷器帶電檢測有效性試驗系統。

背景技術：

氧化鋅避雷器(簡稱MOA)是電力系統設備的重要保護防線，其運行狀態的好壞直接影響著其保護其他設備的效果。帶電檢測是檢驗氧化鋅避雷器運行狀態的重要手段。然而，如今MOA的狀態檢測不能保障有效性和正確性。多個超高壓電站表示，避雷器特徵參量的變化並不能直觀表示出故障及事故的發生，檢測人員有時也無法根據現有的故障判據作出有效的判斷，甚至可能作出誤判耗費人力物力停電檢測影響正常運行。因此需要進一步研究，提出更準確有效的檢測方法和故障判據。

在持續運行電壓下，流過氧化鋅電阻片的持續電流Ix由阻性電流IR和容性電流IC組成，由於等效電阻R為非線性電阻，所以阻性電流IR是一個非正弦波形，含有基波、三次、五次以及更高次諧波分量，主要以基波和三次諧波電流為主。等效電容C是線性電容，由於等小電容C隨電壓變化時其電容值變化不大。因此在電壓變化範圍不大時，等效電容近似為一常數值。流過電容C的容性電流IC和母線電壓Ux波形一致。在上述電流分量中，阻性電流會造成有功損耗，導致閥片的發熱老化，但由於阻性電流僅佔總洩漏電流的10％～20％，所以工作狀態下氧化鋅避雷器電阻片發熱功耗很低。但是隨著氧化鋅電阻片絕緣性能的下降，上述電流分量的變化表現是不同的。當避雷器絕緣性能下降，總體表現是阻性電流增大，容性電流基本沒有變化，由於阻性電流比例過小，所以持續電流變化不大。

氧化鋅電阻片受潮和老化是造成氧化鋅避雷器絕緣性能降低的主要原因，相關文獻表明，受潮和老化造成阻性電流中不同分量的上升程度不同，因此在對電阻片洩漏電流分析中，本文選取阻性基波電流和阻性三次電流作為特徵參量，同時測量持續電流與之對比。

除此之外，為了更好觀察絕緣性能變化情況，還測量氧化鋅電阻片直流1mA參考電壓以及0.75U1mA下的洩漏電流。

金屬氧化物避雷器帶電檢測中，是不考慮外部因素對避雷器特徵參量的影響。然而，隨著MOA製造技術的改進、電阻片配方工藝的調整，MOA的狀態參量特性有了明顯變化，傳統的MOA的狀態檢測方法不能保障檢測的有效性和正確性。運行中的多個超高壓電站檢測結果表示，避雷器特徵參量的變化並不能直觀反映出故障及事故的發生，檢測人員有時也無法根據現有的檢測數據對MOA狀態給出有效、準確的判斷，甚至可能作出誤判耗費人力物力停電檢測影響正常運行。在交流特高壓MOA現場交接試驗中，不同環境下同一臺MOA測量出的洩漏電流差異很大，另外，在特高壓MOA帶電檢測中，某些洩漏電流和阻性電流均超過運行規程的MOA，在隨後的返廠全面試驗中並未發現任何問題。這對特高壓MOA帶電檢測的有效性和故障判據的適應性提出了質疑。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種金屬氧化物避雷器帶電檢測有效性試驗系統，提高氧化鋅避雷器帶電檢測試驗的準確性和有效性。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種金屬氧化物避雷器帶電檢測有效性試驗系統，包括直流試驗迴路和交流試驗組件，所述直流試驗迴路包括交流部分和整流部分，實現金屬氧化物避雷器試品直流電壓下洩漏電流的測量，所述交流試驗組件包括交流試驗迴路和高低溫試驗箱，所述金屬氧化物避雷器試品設置於高低溫試驗箱內，實現外界因素對金屬氧化物避雷器試品特徵參量的影響的試驗。

所述直流試驗迴路的交流部分和交流試驗迴路的結構相同，均包括交流電源組件、保護電阻、取樣電阻、電容分壓器和示波器，所述交流電源組件、保護電阻、電容分壓器形成迴路，所述金屬氧化物避雷器試品和取樣電阻串聯後與電容分壓器並聯，所述示波器分別連接取樣電阻兩端和電容分壓器的二次端。

所述直流試驗迴路的整流部分包括整流矽堆和整流電容，所述整流矽堆的陽極與保護電阻連接，陰極分別連接金屬氧化物避雷器試品和整流電容一端，所述整流電容另一端與交流電源組件連接。

所述交流電源組件包括依次連接的電源、調壓器和變壓器，所述變壓器為隔離變壓器。

所述實現金屬氧化物避雷器試品直流電壓下洩漏電流的測量具體為：

a1)調節交流電源組件，通過示波器使得金屬氧化物避雷器試品電流為1mA，記錄電容分壓器的二次端電壓u2，獲得金屬氧化物避雷器試品的直流1mA參考電壓；

a2)繼續調節交流電源組件，使電容分壓器的二次端電壓為0.75u2，記錄取樣電阻兩端電壓，獲得金屬氧化物避雷器試品的75％直流參考電壓下的洩漏電流。

所述實現外界因素對金屬氧化物避雷器試品特徵參量的影響的試驗具體為：

b1)調節交流電源組件，加載金屬氧化物避雷器試品的長期運行電壓，通過高低溫試驗箱改變金屬氧化物避雷器試品溫度，測量金屬氧化物避雷器試品的洩漏電流，研究溫度對金屬氧化物避雷器試品特徵參量的影響；

b2)調節交流電源組件，保持金屬氧化物避雷器試品的溫度不變，改變加載金屬氧化物避雷器試品運行電壓，測量金屬氧化物避雷器試品的洩漏電流，研究荷電率對金屬氧化物避雷器試品特徵參量的影響；

b3)加載金屬氧化物避雷器試品的持續運行電壓，改變金屬氧化物避雷器試品表面汙穢度，測量金屬氧化物避雷器試品的洩漏電流，研究金屬氧化物避雷器試品外絕緣表面汙穢程度對金屬氧化物避雷器試品特徵參量的影響。

所述變壓器最大輸出電壓為20kV。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

1)本發明根據MOA的運行狀態和帶電檢測試驗需求，針對MOA小電流區的特性，設計了一套試驗系統，研究外界因素，譬如溫度、荷電率、外絕緣表面汙穢等，對金屬氧化物避雷器的特徵參量的影響，試驗結果可應用於金屬氧化物避雷器的帶電檢測中，提高帶電檢測試驗的準確性和有效性。

2)本發明試驗迴路結構簡單，試驗操作方便。

3)本發明試驗系統採用隔離變壓器與試驗迴路電源隔離，防止試驗迴路抬升接地電壓對示波器產生危害，有效保護示波器。

附圖說明

圖1為本發明直流試驗迴路的結構示意圖；

圖2為本發明交流試驗迴路的結構示意圖；

圖3為本發明對試驗數據的處理過程示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。本實施例以本發明技術方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。

本實施例提供一種金屬氧化物避雷器帶電檢測有效性試驗系統，包括直流試驗迴路和交流試驗組件，所述直流試驗迴路包括交流部分和整流部分，實現金屬氧化物避雷器試品直流電壓下洩漏電流的測量，所述交流試驗組件包括交流試驗迴路和高低溫試驗箱，所述金屬氧化物避雷器試品設置於高低溫試驗箱內，實現外界因素對金屬氧化物避雷器試品特徵參量的影響的試驗。本試驗系統的特點在於：

1、本試驗系統主要針對金屬氧化物避雷器電阻片的小電流特性；

2、本試驗系統覆蓋了所有對金屬氧化物避雷器特徵參量產生影響的內部及外部因素。

由於金屬氧化物避雷器電阻片(MOV)與避雷器整體(MOA)的特徵參量具有簡單的累加關係，因此本試驗系統針對金屬氧化物避雷器電阻片開展。

一、直流試驗迴路

如圖1所示，直流試驗迴路包括交流部分和整流部分，交流部分包括電源U、調壓器TV、變壓器TM、保護電阻R1、取樣電阻R2、電容C1、C2和示波器，電源U、調壓器TV、變壓器TM依次連接，電容C1、C2組成電容分壓器，變壓器TM、保護電阻R1、電容分壓器形成迴路，金屬氧化物避雷器試品MOA和取樣電阻R2串聯後與電容分壓器並聯，取樣電阻R2兩端和電容分壓器的二次端分別連接一個示波器。整流部分包括整流矽堆D和整流電容C，整流矽堆D的陽極與保護電阻R1連接，陰極分別連接MOA和整流電容C一端，整流電容C另一端與變壓器TM連接。

其中，保護電阻R1可防止迴路電流過大，其參數為3.5MΩ；取樣電阻R2為精密取樣電阻，其阻值隨溫度及電壓幾乎不變，其參數為2kΩ；V1、V2為電壓表，由示波器測量。

MOV試品的直流U1mA均在10kV以內，因此試驗系統選用變壓器最大輸出電壓為20kV，最大輸出電流為400mA，容量為5kVA。調壓器型號為TDDC-3kVA，輸入電壓為220V，輸出電壓範圍為0V～250V。利用矽堆進行整流，並且在迴路內設置水電阻作為保護電阻。測量儀器為Tektronix公司生產的DPO4032型示波器。

根據試驗室的試驗條件，由於半波整流會產生較大的脈動，為了保證直流電壓的質量，必須滿足直流脈動不超過±3％的條件。試品額定直流平均電壓為Ud，額定直流平均電流為Id，直流電壓脈動係數S的計算公式如下：

電容參數的選取由公式(2)決定：

式中，f為試驗電壓頻率，C為整流電容值，Ud為試品額定直流平均電壓，Id為額定直流平均電流，S為直流電壓脈動係數。

根據試品的出廠參數，可知U1mA約為4kV～9kV之間，平均電流Id不超過20mA，將各參數帶入公式可計算出Cmin＝833.3nF，所以迴路中的電容值應超過834nF。根據試驗室條件，可選用電容值為1μF，耐受電壓為20kV的電容器。

為了保護示波器，我們採用隔離變壓器與試驗迴路電源隔離，防止試驗迴路抬升接地電壓對示波器產生危害。

R2為精密取樣電阻，其阻值為2kΩ，測量其電壓，可得到金屬氧化物避雷器試品的電流i，

式中，uR為R2的電壓，單位為V，i為金屬氧化物避雷器試品的電流，單位mA。

示波器2顯示電壓為高壓電容分壓器二次電壓u2，一次電壓

u1＝n×u2

式中，u1為避雷器試品高壓端電壓，u2為分壓器二次電壓，C1為分壓器高壓電容，C2為分壓器低壓電容，n為電容分壓比。

金屬氧化物避雷器試品加載的電壓可由下式計算，

但由於氧化物避雷器等值電阻遠遠大於取樣電阻R2，因此在試驗中近似取uMOA＝u1。

試驗方法：

1)調節調壓器，慢慢升高試驗電壓，使得示波器1中電壓為2V，即金屬氧化物避雷器試品電流為1mA，記錄示波器2中電壓u2，折算出一次電壓u1，即為試品的直流1mA參考電壓。

2)繼續調節調壓器，慢慢降低試驗電壓，使示波器2中的電壓為0.75u2，記錄示波器1中的電壓，計算試品電流，即為金屬氧化物避雷器試品的75％直流參考電壓下的洩漏電流。

二、交流試驗組件

交流試驗組件包括交流試驗迴路和高低溫試驗箱，其中，交流試驗迴路如圖2所示，包括電源U、調壓器TV、變壓器TM、保護電阻R1、取樣電阻R2、電容C1、C2和示波器，電源U、調壓器TV、變壓器TM依次連接，電容C1、C2組成電容分壓器，變壓器TM、保護電阻R1、電容分壓器形成迴路，金屬氧化物避雷器試品MOA和取樣電阻R2串聯後與電容分壓器並聯，取樣電阻R2兩端和電容分壓器的二次端分別連接一個示波器。

本試驗系統主要研究在MOA運行工況下的特徵參量的變化，即避雷器工作在工頻小電流區，通常情況下，其洩漏電流在0mA～5mA，試驗系統所用的調壓器、變壓器的容量要求與直流迴路相同。

試驗研究的外界因素包括避雷器本體溫度，因此選擇GDH-2025A型高低溫試驗箱改變試品溫度，技術參數如表1所示。為了保證溫度的準確性，試驗試品整個測量過程一直存放在試驗箱中，並用熱電偶對箱內溫度進行測量，使試驗整個過程保持同一溫度。

表1 GDH-2025A型高低溫試驗箱的技術參數

試驗方法：

1)調節調壓器，加載MOA的長期運行電壓，改變MOA溫度，測量MOA的洩漏電流，研究溫度對MOA特徵參量的影響；

2)調節調壓器，保持MOA的溫度不變，改變加載MOA運行電壓，測量MOA的洩漏電流，研究荷電率對MOA特徵參量的影響；

3)加載MOA的持續運行電壓，改變MOA表面汙穢度，測量MOA的洩漏電流，研究MOA外絕緣表面汙穢程度對MOA特徵參量的影響；

三、試驗數據處理方法

由於氧化鋅電阻片洩漏電流中存在多種電流分量，因此通過示波器和精密取樣電阻，取得了作用於氧化鋅電阻片上的電壓波形和通過氧化鋅電阻片的洩漏電流波形。

本實施例中所有測量電流值均取峰值。

持續電流峰值可以由電流波形讀出，阻性電流峰值的測量則採用容性電流補償法，其原理就是將持續電流中的容性電流進行完全補償，以獲得阻性電流。原理可由如下公式(3)表示：

式中，usf是避雷器上電壓移相所得，使之與容性電流相位一致，移相角度為90°；ix是全電流值；G為補償係數。當容性電流被完全補償掉時就只剩下阻性電流ir，即：

ir＝ix-ic＝ix-Gusf (4)

通過式(3)可以獲得補償係數G，利用式(4)求得阻性電流分量。

在實際數據處理中，首先要利用Matlab將獲得的電壓信號和電流信號進行FFT分解，分解後，根據傅立葉變換對應關係，可以從頻譜表中讀取對應頻率分量電壓或電流分量峰值，再根據電壓和電流之間相角關係進行移相後補償，以獲得氧化鋅電阻片中的阻性基波電流和阻性三次電流數值。即：

ir1＝ix1-ic1＝ix1-Gusf1 (5)

ir3＝ix3-ic3＝ix3-Gusf3 6)

具體流程如圖3所示，實現步驟如下：

1)測量電壓波形與全電流波形；

2)將電壓與電流波形進行FFT分解，分別獲得基波與三次諧波；

3)對電壓基波信號進行移相得usf1，使之與容性電流相位一致；

4)對容性電流進行補償，補償係數為G，獲得阻性基波電流ir1；

5)同理，將電壓三次諧波進行移相後補償容性電流，得到阻性三次諧波電流ir3。