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氧化锌避雷器三次谐波电流Ir3及其在线检测

作者:毛震侃来源:湖南省超高压输变电公司 日期:2012年3月21日 10:55

摘 要: 非线性导致阻性电流中必然存在三次谐波Ir3是诊断氧化锌避雷器老化和故障的特征量。测Ir3仪器不需参考电压,在线或带电检测中使用简便。还分析了三相系统中相间影响,给出了校正公式。

关键词: 氧化锌避雷器 阻性电流 老化诊断

1 前 言
  氧化锌避雷器在10~500 kV各种电压等级电网中都得到广泛应用。它的在线诊断技术也飞速发展,国内外通用的做法是测量氧化锌避雷器的阻性电流,可以分为两大类:一类是测量阻性电流大小Ir;另一类是测量阻性电流中的3次谐波分量Ir3。前者的典型代表是20世纪80年代中期进入中国市场的日本LCD-4氧化锌避雷器阻性电流测试仪,90年代国产的型号非常多,成了我国、我省主要的测试仪;而以测Ir3为对象的测试仪在20世纪80年代初由ASEA公司进入中国。尽管国外许多文献都认为Ir3和Ir都可作为判定氧化锌避雷器老化或故障的指标,但在我国测Ir3的仪器没有得到推广。
  由于以LCD-4为代表的测Ir的仪器利用补偿电容电流的原理,因此提供角误差很小的参考电压U是关键,这不仅导致测试仪器价格昂贵,且使用中也很不方便;而不用参考电压,仪器价格便宜,是测Ir3仪器的特点。因此全面认识测Ir3的原理,分析三相中相间的影响与校正,从而把这一原理推广到氧化锌避雷器在线测量及诊断中是有益的。

2 利用3次谐波分量Ir3作为诊断指标的原理
2.1 非线性V┐I特性产生3次谐波

  氧化锌避雷器等值图如图1,图中R为非线性元件。它的V-I特性如图2所示。原则上图2曲线可以用多项式表示:

 

    讨论2种情况:

  令施加电压为正弦电压,即U=Umsin(ωt+Ψ)代入式(2)整理得到:

  可见会出现3次谐波电流 ir3=K3Umsin(3ωt+Ψ3)。

    可见也会出现3次谐波电流 ir3=K3Umsin(3ωt+Ψ3)。
  从式(3),(5)看到,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3次谐波分量。从K3表达式中看到:K3,K5越大,即非线性越强,3次谐波分量越大;就是说ir3与非线性系数K3,K5成正比。三次谐波电流相位Ψ3与电压相位Ψ成不变关系Ψ3=3Ψ,故从Ir3的相角Ψ3可获得电压相角Ψ。
2.2 实际测量情况
  图3是正弦电压施加在氧化锌避雷器时总泄露电流it的波形。扣除电容电流ic,得到阻性电流ir如图4,这是一组新的未老化的氧化锌避雷器。很显然图3 氧化锌避雷器上电压和总  泄露电流波形Ir含有3次谐波分量Ir3。当该避雷器施加的电压在0.7~1.0 p.u(p.u为该避雷器额定电压)间变化,利用快速富里叶分析3次谐波分量Ir3的实测结果如表1。

 

    显然,施加电压越高,氧化锌避雷器非线性越强,Ir增加越明显。同Ir相比,Ir3增加更明显,这表明Ir3有更好的判断避雷器老化的灵敏度。

3 三相系统中氧化锌避雷器的行为及Ir3分析
    上一章分析的是氧化锌避雷器在单相电压作用下的行为,以及利用阻性电流中3次谐波ir3来诊断它的老化或故障。实际上避雷器运行的是三相系统,由于相间影响,使得A(B或C)相避雷器电流与单相电压作用时不一样。

 

 

3.1 考虑相间影响三相氧化锌避雷器分析用等值图
    三相系统相间影响是避雷器之间的电容耦合,相间电容是沿避雷器高度分布的,为了分析简化以集中电容C12作用于避雷器顶部,于是得到图5所示的等值图。其它的假定包括:三相电压对称且

 


    避雷器用C-g并联支路等效,避雷器的V-I特性以式(2)表征,而g=i/U则等值电导g的表达式为:

3.2 泄漏电流表达式:
    利用图5及式(6),可以写出各相泄漏电流表达式为:


  式(8)表明氧化锌避雷器在对称三相电压作用时,如果考虑相间影响,其结果相当于作用在避雷器上是一个不对称三相电压者矢量示于图6。

 


    实际运行的氧化锌避雷器的行为与单相时是不一样的,其差别就是各相避雷器之间的电容耦合使得作用在三相上的电压不再对称。一般电压幅值减小,A,C相避雷器上电压与B相的关系小于120º。


3.3 三相系统中Ir3的测量及应用:

式中:A3a,A3b,A3c为A,B,C相避雷器V-I特性中反映非线性的系数,它对氧化锌避雷器的老化很敏感。与式(13)相仿,不考虑相间影响时三相的阻性电流三次谐波为:

   把式(13),(14)的矢量表示在图7。不考虑相间影响,三相3次谐波电流同相位。而考虑相间影响,A,C两相3次谐波电流落后B相电流,分别为3θa,3θc。比较(13),(14)式得到考虑相间影响与不考虑时Ir3的比值:

 


  Ka,Kb,Kc对于一组氧化锌避雷器,安装位置不变时是定值。利用测得的初始相角θa,θc代入式(10)可以求得Ka,Kc,通常A,B,C三相避雷器属同型号的产品,可以有理由假定Ca=Cb=Cc。则Ka=Kb=Kc=K,式(15)简化为:

    式(16)提供了把三相存在相间影响下实测的阻性电流3次谐波归化到不考虑相间影响下三次谐波Ir3的关系式,为诊断氧化锌避雷器的老化提供了更好的数据依据。

4 结 论
  通过对三相对称电压作用下氧化锌避雷器的分析,对于利用测量阻性电流中3次谐波Irr诊断氧化锌避雷器老化及故障可以作如下结论:
(1)由于氧化锌避雷器的非线性,泄漏电流中的3次谐波Ir3是一个特征量,它敏感地反映避雷器的老化及故障。
(2)3次谐波电流的测量不需要电压参考量,测量方便、操作简便、便于推广。
(3)本文导出了考虑相间影响时3次谐波电流Ir3公式以及用来校正到不考虑相间影响的系数,为诊断提供了更好的数据依据。

所属类别: 高压电器设备测试技术

该资讯的关键词为:氧化锌避雷器 阻性电流 老化诊断