一种金属氧化物避雷器带电检测有效性试验系统的制作方法

本发明属于电气工程领域，尤其是涉及一种金属氧化物避雷器带电检测有效性试验系统。

背景技术：

氧化锌避雷器(简称MOA)是电力系统设备的重要保护防线，其运行状态的好坏直接影响着其保护其他设备的效果。带电检测是检验氧化锌避雷器运行状态的重要手段。然而，如今MOA的状态检测不能保障有效性和正确性。多个超高压电站表示，避雷器特征参量的变化并不能直观表示出故障及事故的发生，检测人员有时也无法根据现有的故障判据作出有效的判断，甚至可能作出误判耗费人力物力停电检测影响正常运行。因此需要进一步研究，提出更准确有效的检测方法和故障判据。

在持续运行电压下，流过氧化锌电阻片的持续电流I_x由阻性电流I_R和容性电流I_C组成，由于等效电阻R为非线性电阻，所以阻性电流I_R是一个非正弦波形，含有基波、三次、五次以及更高次谐波分量，主要以基波和三次谐波电流为主。等效电容C是线性电容，由于等小电容C随电压变化时其电容值变化不大。因此在电压变化范围不大时，等效电容近似为一常数值。流过电容C的容性电流I_C和母线电压U_x波形一致。在上述电流分量中，阻性电流会造成有功损耗，导致阀片的发热老化，但由于阻性电流仅占总泄漏电流的10％～20％，所以工作状态下氧化锌避雷器电阻片发热功耗很低。但是随着氧化锌电阻片绝缘性能的下降，上述电流分量的变化表现是不同的。当避雷器绝缘性能下降，总体表现是阻性电流增大，容性电流基本没有变化，由于阻性电流比例过小，所以持续电流变化不大。

氧化锌电阻片受潮和老化是造成氧化锌避雷器绝缘性能降低的主要原因，相关文献表明，受潮和老化造成阻性电流中不同分量的上升程度不同，因此在对电阻片泄漏电流分析中，本文选取阻性基波电流和阻性三次电流作为特征参量，同时测量持续电流与之对比。

除此之外，为了更好观察绝缘性能变化情况，还测量氧化锌电阻片直流1mA参考电压以及0.75U_1mA下的泄漏电流。

金属氧化物避雷器带电检测中，是不考虑外部因素对避雷器特征参量的影响。然而，随着MOA制造技术的改进、电阻片配方工艺的调整，MOA的状态参量特性有了明显变化，传统的MOA的状态检测方法不能保障检测的有效性和正确性。运行中的多个超高压电站检测结果表示，避雷器特征参量的变化并不能直观反映出故障及事故的发生，检测人员有时也无法根据现有的检测数据对MOA状态给出有效、准确的判断，甚至可能作出误判耗费人力物力停电检测影响正常运行。在交流特高压MOA现场交接试验中，不同环境下同一台MOA测量出的泄漏电流差异很大，另外，在特高压MOA带电检测中，某些泄漏电流和阻性电流均超过运行规程的MOA，在随后的返厂全面试验中并未发现任何问题。这对特高压MOA带电检测的有效性和故障判据的适应性提出了质疑。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种金属氧化物避雷器带电检测有效性试验系统，提高氧化锌避雷器带电检测试验的准确性和有效性。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种金属氧化物避雷器带电检测有效性试验系统，包括直流试验回路和交流试验组件，所述直流试验回路包括交流部分和整流部分，实现金属氧化物避雷器试品直流电压下泄漏电流的测量，所述交流试验组件包括交流试验回路和高低温试验箱，所述金属氧化物避雷器试品设置于高低温试验箱内，实现外界因素对金属氧化物避雷器试品特征参量的影响的试验。

所述直流试验回路的交流部分和交流试验回路的结构相同，均包括交流电源组件、保护电阻、取样电阻、电容分压器和示波器，所述交流电源组件、保护电阻、电容分压器形成回路，所述金属氧化物避雷器试品和取样电阻串联后与电容分压器并联，所述示波器分别连接取样电阻两端和电容分压器的二次端。

所述直流试验回路的整流部分包括整流硅堆和整流电容，所述整流硅堆的阳极与保护电阻连接，阴极分别连接金属氧化物避雷器试品和整流电容一端，所述整流电容另一端与交流电源组件连接。

所述交流电源组件包括依次连接的电源、调压器和变压器，所述变压器为隔离变压器。

所述实现金属氧化物避雷器试品直流电压下泄漏电流的测量具体为：

a1)调节交流电源组件，通过示波器使得金属氧化物避雷器试品电流为1mA，记录电容分压器的二次端电压u₂，获得金属氧化物避雷器试品的直流1mA参考电压；

a2)继续调节交流电源组件，使电容分压器的二次端电压为0.75u₂，记录取样电阻两端电压，获得金属氧化物避雷器试品的75％直流参考电压下的泄漏电流。

所述实现外界因素对金属氧化物避雷器试品特征参量的影响的试验具体为：

b1)调节交流电源组件，加载金属氧化物避雷器试品的长期运行电压，通过高低温试验箱改变金属氧化物避雷器试品温度，测量金属氧化物避雷器试品的泄漏电流，研究温度对金属氧化物避雷器试品特征参量的影响；

b2)调节交流电源组件，保持金属氧化物避雷器试品的温度不变，改变加载金属氧化物避雷器试品运行电压，测量金属氧化物避雷器试品的泄漏电流，研究荷电率对金属氧化物避雷器试品特征参量的影响；

b3)加载金属氧化物避雷器试品的持续运行电压，改变金属氧化物避雷器试品表面污秽度，测量金属氧化物避雷器试品的泄漏电流，研究金属氧化物避雷器试品外绝缘表面污秽程度对金属氧化物避雷器试品特征参量的影响。

所述变压器最大输出电压为20kV。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)本发明根据MOA的运行状态和带电检测试验需求，针对MOA小电流区的特性，设计了一套试验系统，研究外界因素，譬如温度、荷电率、外绝缘表面污秽等，对金属氧化物避雷器的特征参量的影响，试验结果可应用于金属氧化物避雷器的带电检测中，提高带电检测试验的准确性和有效性。

2)本发明试验回路结构简单，试验操作方便。

3)本发明试验系统采用隔离变压器与试验回路电源隔离，防止试验回路抬升接地电压对示波器产生危害，有效保护示波器。

附图说明

图1为本发明直流试验回路的结构示意图；

图2为本发明交流试验回路的结构示意图；

图3为本发明对试验数据的处理过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例提供一种金属氧化物避雷器带电检测有效性试验系统，包括直流试验回路和交流试验组件，所述直流试验回路包括交流部分和整流部分，实现金属氧化物避雷器试品直流电压下泄漏电流的测量，所述交流试验组件包括交流试验回路和高低温试验箱，所述金属氧化物避雷器试品设置于高低温试验箱内，实现外界因素对金属氧化物避雷器试品特征参量的影响的试验。本试验系统的特点在于：

1、本试验系统主要针对金属氧化物避雷器电阻片的小电流特性；

2、本试验系统覆盖了所有对金属氧化物避雷器特征参量产生影响的内部及外部因素。

由于金属氧化物避雷器电阻片(MOV)与避雷器整体(MOA)的特征参量具有简单的累加关系，因此本试验系统针对金属氧化物避雷器电阻片开展。

一、直流试验回路

如图1所示，直流试验回路包括交流部分和整流部分，交流部分包括电源U、调压器TV、变压器TM、保护电阻R1、取样电阻R2、电容C1、C2和示波器，电源U、调压器TV、变压器TM依次连接，电容C1、C2组成电容分压器，变压器TM、保护电阻R1、电容分压器形成回路，金属氧化物避雷器试品MOA和取样电阻R2串联后与电容分压器并联，取样电阻R2两端和电容分压器的二次端分别连接一个示波器。整流部分包括整流硅堆D和整流电容C，整流硅堆D的阳极与保护电阻R1连接，阴极分别连接MOA和整流电容C一端，整流电容C另一端与变压器TM连接。

其中，保护电阻R1可防止回路电流过大，其参数为3.5MΩ；取样电阻R2为精密取样电阻，其阻值随温度及电压几乎不变，其参数为2kΩ；V1、V2为电压表，由示波器测量。

MOV试品的直流U_1mA均在10kV以内，因此试验系统选用变压器最大输出电压为20kV，最大输出电流为400mA，容量为5kVA。调压器型号为TDDC-3kVA，输入电压为220V，输出电压范围为0V～250V。利用硅堆进行整流，并且在回路内设置水电阻作为保护电阻。测量仪器为Tektronix公司生产的DPO4032型示波器。

根据试验室的试验条件，由于半波整流会产生较大的脉动，为了保证直流电压的质量，必须满足直流脉动不超过±3％的条件。试品额定直流平均电压为U_d，额定直流平均电流为I_d，直流电压脉动系数S的计算公式如下：

电容参数的选取由公式(2)决定：

式中，f为试验电压频率，C为整流电容值，U_d为试品额定直流平均电压，I_d为额定直流平均电流，S为直流电压脉动系数。

根据试品的出厂参数，可知U_1mA约为4kV～9kV之间，平均电流I_d不超过20mA，将各参数带入公式可计算出C_min＝833.3nF，所以回路中的电容值应超过834nF。根据试验室条件，可选用电容值为1μF，耐受电压为20kV的电容器。

为了保护示波器，我们采用隔离变压器与试验回路电源隔离，防止试验回路抬升接地电压对示波器产生危害。

R2为精密取样电阻，其阻值为2kΩ，测量其电压，可得到金属氧化物避雷器试品的电流i，

式中，u_R为R2的电压，单位为V，i为金属氧化物避雷器试品的电流，单位mA。

示波器2显示电压为高压电容分压器二次电压u₂，一次电压

u₁＝n×u₂

式中，u₁为避雷器试品高压端电压，u₂为分压器二次电压，C₁为分压器高压电容，C₂为分压器低压电容，n为电容分压比。

金属氧化物避雷器试品加载的电压可由下式计算，

但由于氧化物避雷器等值电阻远远大于取样电阻R2，因此在试验中近似取u_MOA＝u₁。

试验方法：

1)调节调压器，慢慢升高试验电压，使得示波器1中电压为2V，即金属氧化物避雷器试品电流为1mA，记录示波器2中电压u₂，折算出一次电压u₁，即为试品的直流1mA参考电压。

2)继续调节调压器，慢慢降低试验电压，使示波器2中的电压为0.75u₂，记录示波器1中的电压，计算试品电流，即为金属氧化物避雷器试品的75％直流参考电压下的泄漏电流。

二、交流试验组件

交流试验组件包括交流试验回路和高低温试验箱，其中，交流试验回路如图2所示，包括电源U、调压器TV、变压器TM、保护电阻R1、取样电阻R2、电容C1、C2和示波器，电源U、调压器TV、变压器TM依次连接，电容C1、C2组成电容分压器，变压器TM、保护电阻R1、电容分压器形成回路，金属氧化物避雷器试品MOA和取样电阻R2串联后与电容分压器并联，取样电阻R2两端和电容分压器的二次端分别连接一个示波器。

本试验系统主要研究在MOA运行工况下的特征参量的变化，即避雷器工作在工频小电流区，通常情况下，其泄漏电流在0mA～5mA，试验系统所用的调压器、变压器的容量要求与直流回路相同。

试验研究的外界因素包括避雷器本体温度，因此选择GDH-2025A型高低温试验箱改变试品温度，技术参数如表1所示。为了保证温度的准确性，试验试品整个测量过程一直存放在试验箱中，并用热电偶对箱内温度进行测量，使试验整个过程保持同一温度。

表1 GDH-2025A型高低温试验箱的技术参数

试验方法：

1)调节调压器，加载MOA的长期运行电压，改变MOA温度，测量MOA的泄漏电流，研究温度对MOA特征参量的影响；

2)调节调压器，保持MOA的温度不变，改变加载MOA运行电压，测量MOA的泄漏电流，研究荷电率对MOA特征参量的影响；

3)加载MOA的持续运行电压，改变MOA表面污秽度，测量MOA的泄漏电流，研究MOA外绝缘表面污秽程度对MOA特征参量的影响；

三、试验数据处理方法

由于氧化锌电阻片泄漏电流中存在多种电流分量，因此通过示波器和精密取样电阻，取得了作用于氧化锌电阻片上的电压波形和通过氧化锌电阻片的泄漏电流波形。

本实施例中所有测量电流值均取峰值。

持续电流峰值可以由电流波形读出，阻性电流峰值的测量则采用容性电流补偿法，其原理就是将持续电流中的容性电流进行完全补偿，以获得阻性电流。原理可由如下公式(3)表示：

式中，u_sf是避雷器上电压移相所得，使之与容性电流相位一致，移相角度为90°；i_x是全电流值；G为补偿系数。当容性电流被完全补偿掉时就只剩下阻性电流i_r，即：

i_r＝i_x-i_c＝i_x-Gu_sf (4)

通过式(3)可以获得补偿系数G，利用式(4)求得阻性电流分量。

在实际数据处理中，首先要利用Matlab将获得的电压信号和电流信号进行FFT分解，分解后，根据傅里叶变换对应关系，可以从频谱表中读取对应频率分量电压或电流分量峰值，再根据电压和电流之间相角关系进行移相后补偿，以获得氧化锌电阻片中的阻性基波电流和阻性三次电流数值。即：

i_r1＝i_x1-i_c1＝i_x1-Gu_sf1 (5)

i_r3＝i_x3-i_c3＝i_x3-Gu_sf3 6)

具体流程如图3所示，实现步骤如下：

1)测量电压波形与全电流波形；

2)将电压与电流波形进行FFT分解，分别获得基波与三次谐波；

3)对电压基波信号进行移相得u_sf1，使之与容性电流相位一致；

4)对容性电流进行补偿，补偿系数为G，获得阻性基波电流i_r1；

5)同理，将电压三次谐波进行移相后补偿容性电流，得到阻性三次谐波电流i_r3。