避雷器三次谐波电流向量法带电检测原理、通用要求、在线监测系统、带电检测案例

（资料性）

谐波电流向量反演法的避雷器带电检测原理A.1避雷器带电检测方法原理及存在的问题无间隙金属氧化物避雷器是由电阻片串联，外面封装瓷外套或复合绝缘外套的绝缘材料的组合体，其等值电路可看成右图的电容C（主要是对地分布电容）和非线性电阻R（主要是电阻片）的并联，如图A.1所示，其中，R为非线性元件，其伏安特性见图2，原则上，伏安特性曲线可以用多项式表示：（i=1，3，5.....）（A.1）理论上，在系统正弦电压下，只要避雷器电阻R存在非线性即i≥3，阻性电流中必然存在三次谐波分量。图A.1无间隙金属氧化物避雷器等值图图A.2非线性元件R的伏安特性曲线根据图A.1，理论上，只要求得避雷器的容性电流分量，就可以通过持续电流进行向量相减，得到需要测量的避雷器阻性电流，这就是容性电流补偿法的思想。容性电流补偿法是避雷器阻性电流测量的主流方法，利用避雷器端部电压（基波电压）作为基准向量，超前移相90º得到电容电流相位，将持续电流减去电容电流，剩下的就是阻性电流分量。容性电流补偿法，需要测量母线电压作为基准，因此，容性电流补偿法的基础，是获取基波电压的相位。现行的基波电压相位采集方法主要有抽取电压互感器二次电压和空间电场的感应板法两种途径，最直接的方法是通过抽取与避雷器同一条母线的电压互感器二次电压，但测量较复杂，存在一定的安全风险；此外，空间电场的感应板法采用电场耦合原理，以感应电压信号取代电压互感器二次电压信号，实际测量对感应板安装位置较敏感，需要多次调整位置，检测结果分散性大，应用不多。电压互感器二次电压参考法最为成熟，是避雷器带电检测的标准做法，通过电压互感器二次侧测得高压母线的相位，如图1，但这种做法，给现场测量带来诸多不便，且存在二次设备运行安全风险。在强调安全的大背景下，部分基层单位转而采用提取站用检修电源电压信号作为参考电压的方法，或者完全不取参考电压信号。对于抽取站用检修电源电压信号的做法，经过站用变绕组的低压信号与运行电压存在相角差，给检测结果带来原理性误差。基于容性电流补偿原理的避雷器阻性电流检测仪器，最初是日本LCD-4型，国内已有商业化的成熟产品。对于完全不取参考电压信号的需求，个别仪器厂家提供这种方式的检测功能，其预设的功能是建立在默认避雷器状态良好的前提之下。很显然，提取站用电源电压信号或者不取参考电压信号的做法，因无法得到避雷器阻性电流准确值，自然无法对其早期缺陷进行诊断，在实践中多转而对三相避雷器检测结果进行横向比较，若出现较大偏差，则判定避雷器异常并进行告警，然后停电进行直流试验确认。另一方面，容性电流补偿法有效的前提是，避雷器持续电流种仅包含自身的电容电流，而实际变电站中，三相避雷器相互之间存在着相间耦合电容，当然，相邻设备也与避雷器有耦合电容，实际耦合情况更加复杂。可见，避雷器持续电流里还包含其它相避雷器和其它设备耦合来的电容电流，实际电容电流的相位就非与其母线电压相差90°，将母线电压移相90°减去容性电流的处理，在实际现场环境下存在很大误差。对于常见的一字排列的三相避雷器，A、C相对B相的耦合干扰大小相等，方向相反，其合成向量对B相的容性电流分量相位影响较小，如图A.3所示。图A.3避雷器相间干扰原理示意图不考虑其它干扰影响时，容性电流补偿法的结果为A相偏大，B相居中，C相偏小；而具体偏差多少，与现场的电容耦合干扰密切相关。避雷器相间干扰的存在，给现场带电检测带来了很大的困难和困扰，三相避雷器阻性电流带电检测结果一致性较差，甚至出现C相阻性电流为负值的情况，而在测量实践中，明明知道数据不可信，却没有解决方案。为此，主流仪器多采用“自动边补”功能，即人为地把A、C两相数据相加取平均值，这样，大多数情况下数据就比较“平衡”了，但同时也把A、C相避雷器的真实状态掩盖了。避雷器带电检测实践中，不正确提取系统电压信号、相间干扰和仪器准确度等原因，给阻性电流带电检测结果带来或大或小的误差，由于难以准确测量阻性电流，大多不追求测量准确值，而转为通过对检测结果进行横向比较的间接方式，对异常的避雷器发出告警，再辅以红外检测，最终通过停电直流试验确认。一方面，无法对避雷器早期缺陷进行诊断，对于成批次存在家族性缺陷的避雷器，也难以通过横向比较来反映出缺陷的发展。另一方面，在避雷器带电检测实践中，不乏出现误判、漏判等问题，严重影响了带电检测技术对避雷器缺陷诊断的有效性。A.2谐波电流向量反演法的避雷器带电检测原理针对现行容性电流补偿法在基波电压相位采集中存在的风险和不足，本文件提出三次谐波电流向量法则通过避雷器持续电流，提取其中的谐波向量（三次谐波），通过三次谐波和基波的相位对齐关系进行反演，间接获得避雷器端部基波电压向量，不需提取电压互感器二次电压信号，操作更加简单，安全风险低。1个50Hz基波对应3个三次谐波的波形，其中的1个三次谐波过零点与基波过零点重合，即“同相”，另两个分别与基波相差120°和60°（或240°），亦即，通过测量三次谐波的相位，可以推算出基波的相角有3种可能结果，如图A.4所示。而通常基波电压与持续电流相位差接近90°，则我们可以很容易的确定符合这个要求的基波电压相位正确结果；得到基波电压相位后，对持续电流进行傅立叶分解，可得到超前基波电压90°的容性电流分量，再用持续电流减去容性电流即得到阻性电流。上述原理即为基于三次谐波电流向量反演避雷器阻性电流的避雷器带电检测思路，该思路的优点，只需准确提取避雷器持续电流，即可实现阻性电流和三次谐波电流的准确提取。图A.4三次谐波与基波的“相位对齐”关系具体步骤如下：（1）基于电流互感器的避雷器持续电流无接触测量，通过带通滤波器实现对持续电流信号的提取。（2）通过多种算法，滤除持续电流测量信号中的强干扰，得到避雷器电流的三次谐波分量。（3）根据基波与三次谐波波形的对应性，1个50Hz基波对应3个三次谐波的波形，其中，1个三次谐波过零点与基波过零点重合（即“同相”），另两个与基波相差120°和60°。（4）从图A.4的上图看出，通过Step2得到的三次谐波相位，可以推算出基波的相角3种可能的结果。（5）根据基波电压（即系统电压）的相位与持续电流相位常相差接近90°，则很容易地确定符合这个要求的基波电压相位的正确结果。（6）根据得到的基波电压相位，对持续电流进行傅利叶分解，即得到容性电流向量。（7）最后用持续电流减去容性电流，即可得到阻性电流。基于三次谐波“相位对齐”特性的电流分离法，是基于三次谐波电流向量反演的避雷器阻性电流测量方法的核心。A.3电网三次谐波的影响低压线路谐波含量大，而高压线路上的谐波比较小，国标GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》规定：110kV系统电压波形总畸变率控制在2%，电压等级越高，谐波含量更低，所以，目前该方法更适用于高压线路。以下分析电网三次谐波的影响。110kV避雷器运行电压约为63.5kV，规程规定的三次谐波含量不超过1.5%（220kV和500kV更低），实测结果约为0.5%，考虑1.5%的最严重情形，三次谐波电压约为950V。运行电压下，避雷器的伏安特性位于线性区，电压和电流成比例，以110kV避雷器为例（由35片电阻片串联而成，220kV避雷器实际上看成两节110kV避雷器），表A.1为现场测量推算和实验室示波器测量结果，可以看出：三次谐波电压产生的阻性电流（以三次谐波为主）较基波电压产生阻性电流小两个数量级，系统三次谐波电压对测量结果的影响可忽略不计。图A.1电网三次谐波的影响测量结果基波三次谐波（含量1.5%）运行电压阻性电流（以基波为主）电压分量阻性电流（以三次谐波为主）63.5kV（整节110kV避雷器）现场实测范围30~50μA950V（整节110kV避雷器）0.45~0.75μA1.8kV（电阻片）实验室测量36μA27V（电阻片）阻性电流太小，示波器几乎测不到有效的值

（规范性）

带电检测仪器通用要求B.1避雷器带电检测仪器包括硬件和软件两部分，一般由：（1）持续电流采集单元；（2）信号转换和放大单元；（3）带通滤波单元；（4）控制和数据运算单元；（5）人机交互单元等5个部分组成，其中主机应包括后4个单元。B.2持续电流采集单元有旁路监测装置采集单元和高精度电流互感器采集单元两种模式，前者接到监测装置两端后，应能将其完好地旁路，避雷器持续电流全部经过采集单元，监测装置显示归零；后者可实现持续电流的无接触式获取，适合不带监测装置的35kV以下避雷器带电检测，但对电流互感器精度的要求很高。B.3信号转换和放大单元将采集的持续电流信号进行带通滤波和数字信号处理，采用抗干扰算法，分离出持续电流中基波和三次谐波电流分量。B.4控制和数据运算单元利用三次谐波与基波波形的“相位对齐”关系，以及持续电流与基波电压相位相差接近90°的关系，确定符合要求的基波电压相位；将精确测量得到的避雷器相间电容引入避雷器阻性电流相间干扰补偿校正算法中，得到准确的容性电流相位；进一步对持续电流进行向量分解，即得到容性电流向量；用持续电流减去容性电流，即可得到阻性电流。B.5由于所提取的参数特性对测量误差和检测结果的不确定性有很大的影响，基于三次谐波电流向量反演的避雷器阻性电流测量技术对算法的性能有较高的要求，带电检测仪器的软件一般由5个模块组成：（1）三次谐波电流抗干扰提取算法；（2）相间电容影响补偿算法；（3）三次谐波电流反演算法；（4）容性电流补偿计算模块；（5）人机交互模块。B.6避雷器带电检测仪器的主要性能指标：（1）持续电流测量范围：至少包含0～5mARMS；（2）准确度：±（2%读数+5µA）；（3）阻性电流基波测量准确度：±（2%读数+5µA）。B.7避雷器持续电流、阻性电流（或阻性电流与持续电流的相角差），以及功率损耗等结果通过人机交互单元输出显示和打印。

（资料性）

谐波电流向量反演法避雷器在线监测系统C.1避雷器在线监测主要测量避雷器在运行电压下的以下参数：（1）避雷器持续电流；（2）避雷器阻性电流（或用阻性电流与持续电流的相角差表示）；C.2避雷器在线监测与带电检测的原理相同。C.3避雷器在线监测单元安装在待测避雷器监测装置旁，主要功能是实现持续电流的采集，可以三相避雷器共用一个在线监测单元（需要布置测量线），也可以每只避雷器独立安装一个在线监测单元（两个边相的单元通过无线连接中间相的主单元，优点是免布置测量线）。回路示意图如图C.1所示。图C.1谐波电流向量反演法避雷器在线监测回路示意图C.4采用旁路监测装置测取法或电流互感器直接测取法测量持续电流，在线监测单元接线预先接在监测装置两端或在避雷器接地引下线上预先安装高精度电流互感器，C.5在线监测系统可设置每天测量次数和测量时间，采用旁路监测装置测取法测量时短暂唤醒系统并启动持续电流测量，临时短接监测装置，其余时间处于休眠状态，不影响避雷器监测装置正常工作。C.6避雷器在线监测系统包括硬件和软件两部分。C.7在线监测系统一般包括以下功能单元：取能单元；信号转换和放大单元；带通滤波单元；控制和数据运算单元；通信系统；人机交互单元等部分组成。C.8在线监测单元电源可从避雷器持续电流取能，或通过交流供电，太阳能供电等方式取能。C.9实时采集的避雷器持续电流经过与6.1.5~6.1.9相同的处理后，得到阻性电流经过无线传输或专用通信通道传送到后台显示终端。C.10其余部分功能和技术参数与附录B相关部分相同。C.11在线监测系统一般由生产厂家负责安装及调试，并保证其稳定可靠工作。C.12敞开式变电站的避雷器阻性电流测量易受相间干扰的影响，在线监测系统安装和调试过程中应注意相间干扰的影响，应通过补偿等方式排除。C.13在线监测系统安装后调试时，持续电流采用旁路监测装置进行测量时系统唤醒时应对监测装置两端进行可靠临时短接，三相监测装置读数全部归零。采用高精度电流互感器直接测量持续电流时，钳口应完全闭合，尽量让避雷器接地引下线垂直穿过钳口平面，并使测量值保持稳定。C.14在线监测系统初运行时，应人工测量与待测避雷器同一母线的电压互感器二次电压信号，输入在线监测系统，通过算法对预设的避雷器相间电容对阻性电流影响的补偿度进行校正，并储存校正结果作为原始参数。C.15在线监测系统实时检测结果的判据可参照第7部分的带电检测。

（资料性）

谐波电流向量反演法避雷器导则带电检测案例试品情况利用人工加压测量避雷器阻性电流作为基准，选择有代表性的广东电网公司惠州供电局220kV和110kV变压器避雷器和线路侧避雷器进行谐波电流向量反演法避雷器带电检测验证，试品分别为：（1）220kV东澎变电站新安装的220kV变压器高压侧避雷器和中压侧避雷器各一组；（2）500kV惠州变电站变电站新安装的两组220kV线路侧避雷器；（3）110kV新墟变电站新安装的一组110kV线路侧避雷器。D.2测量方案采用三次谐波电流向量反演法，测量结果与待测避雷器投产前采用试验变压器加压方法逐相测量的避雷器运行电压下的阻性电流测量（采用容性电流补偿法的传统主流仪器，基波电压信号取自试验变压器的二次侧）的结果比对。考虑到避雷器投产前周围电磁干扰较小，单相试验变压器高低压绕组的相位偏差可不计，试验变压器二次侧电压可以正确反映避雷器端部基波电压的相位，且单相加压测量可以避免敞开式安装的避雷器相间干扰的影响，因此，避雷器阻性电流测量结果反映避雷器阻性电流真实的初始值，可作为带电检测结果的比对标准。D.3检测结果及分析测量结果如表D.1~表D.5所示，可以看出，三次谐波电流向量反演法测量结果与逐项加压的容性电流补偿法测量结果一致，带电检测可以准确地反映避雷器的阻性电流状况。表D.1惠州局220kV东澎站3号变中避雷器测试方法测试方法阻性电流峰值全电流RMS/阻性电流峰值Peak(uA)A相全电流RMS/阻性电流峰值Peak(uA)B相全电流RMS/阻性电流峰值Peak(uA)C相停电谐波向量法仪器逐相加压测试510/80512/82515/82带电谐波向量法仪器三相带电测试564/75505/80522/79表D.2惠州局220kV东澎站3号变高避雷器测试方法测试方法阻性电流峰值全电流RMS/阻性电流峰值Peak(uA)A相全电流RMS/阻性电流峰值Peak(uA)B相全电流RMS/阻性电流峰值Peak(uA)C相停电谐波向量法仪器逐