关于氧化锌避雷器泄漏电流的分析及测试

氧化锌避雷器泄漏电流的测试及分析

崔志刚

（保定华创电气有限公司 河北 保定 071000）

摘要： 在对氧化锌避雷器的泄漏电流的测试中，采用阻性电流中的基波分量Ir1、谐波分量Ir3、Ir5、Ir7以及阻性电流峰值Irp作为金属氧化锌避雷器 （MOA）的监测信号可以及时地发现其老化或劣化现象。该文就针对泄漏电流的阻性成分及谐波电压的影响进行了详细的仿真分析研究。

关键词： 氧化锌避雷器； 泄漏电流； 阻性电流； 谐波电压

一、前言

虽然Z n O避雷器不需要日常的维护，但还是要求在一定的时间段内检查避雷器的状况。由于实用性和经济性的考虑，希望检查能在不断电的J 清况下执行，很明显，这一限制使检查避雷器状态的可用方法大大减少。

以前也提出过几种检测金属氧化物避雷器状态的方法。众所周知，避雷器的连续泄漏电流的阻性成分能很好的判断它的状态，所以大多数方法是测量避雷器接地端的泄漏电流。阻性电流大幅度增加可能是由于密封问题引起的湿度人侵或是Z n O压敏电阻阀片的过早老化，而阻性泄漏电流的瞬态上升则是由压敏电阻器温度的临时升高引起的主要原因。

本文首先提出了避雷器泄漏电流的测试方法，然后进一步详细分析了其谐波成分的组成以及计算方法。

二、. 泄漏电流区Z n O避雷器的电特性

为了本文的讨论，需要定义一个接近压敏电阻器电压一电流特性拐点的电压水平，此处阻性电流成分开始起主要作用。根据新的I E C标准，也可以用参考电压。实际上，实际持续工作电压通常在额定或参考电压的0.6 -0.8倍范围内。为了比较，参考电压按以下定义:对一个75 m m直径的压敏电阻器，阻性电流为3mA (peak)时的电压值。对其它直径的压敏电阻器，电流的幅值相应的调整。

等效电路如图1所示：

图1 Z n O阀片在小电流区域的等效电路

R： 非线性电阻

C： 晶界电容

ix： 全电流

ic： 容性电流分量

ir： 阻性电流分量

其中晶界电容C的大小在工程上可以近似认为为一定值； 而非线性电阻R随加在MOA上电压大小的变化而变化，当工作电压作用于阀片未老化的MOA时， 非线性电阻R的变化不大， 但是这种变化还是存在的， 这一点可以在后面的分析中看到； 当作用于MOA上的电压幅值接近甚至是超过参考电压时， 非线性电阻R的阻值减小很快， 阻性电流分量增加很快。从图 我们也可以得到：

Ix=ic+ir

目前现场有采用全电流作为监测信号的监测装置， 但缺点是明显的。因为当老化或劣化的过程中，阻性电流变化明显，而容性电流基本无变化。由于流过的全电流主要是容性电流，阻性电流所占的比例较小，一般其幅值只占全电流 的10%~20%，因此很难从全电流的变化来判断阻性电流的变化。因此目前普遍采用分离的基波分量与各次谐波分量作为监测信号。

三、测量氧化锌避雷器泄漏电流的方法

3. 1全漏电流的测量全漏电流的测量通常利用一个永久性安装的毫安表实现，它给出了整流后的泄漏电流的平均值，或利用手持设备进行平均值和峰值测量。此种方法对泄漏电流中阻性成分的增加的灵敏度可以从图1 所示的压敏电阻器的模型得到。容性电流成分估计为1mApeak，而阻性电流分量在5 0 ~5 0 0 uApeak 之间变化。图2 给出了它对总泄漏电流平均值的影响。对所有a值在2~5之间的避雷器，结果都是正确的。由图2可见，阻性电流增加到500 uApeak时，总泄漏电流增加10%，而在250uApeak处，仅增加3 %，这意味着用仪器很难观测到。峰值测量也不灵敏，峰值如果增加5%，要求阻性电流达到700 uApeak。 考虑到系统电压的正常变化，它也影响平均值和峰值，很明显，此种方法对于确定Z n O避雷器的状况肯定是不确切的。

图2 基频分最的增加与阻性电流的关系

3.2直接测量阻性泄漏电流

直接确定阻性泄漏电流成分是人们最希望的方法，它可以与普通工作条件下的阻性电流值直接作比较。电流的阻性成分可以通过加在避雷器的电压达到峰值的一瞬间记录泄漏电流来得到，然而，此方法通常很难应用到实际中。首先， 它要求同时测量加到避雷器上的电压和泄漏电流; 第二，电压测量的相移被忽略;并且， 还要求在所有相都用电压互感器且系统在工作状态下进行测量。因此很明显，直接测量阻胜电流在特殊的场合可能实现，但此种方法不适合常规检测避雷器的状态。

3.3泄漏电流的谐波分析

由于Z n O压敏电阻器的非线性电阻特性，当避雷器用正弦电压供电时，泄漏电流中会含有谐波，由于谐波电流的大小随阻性泄漏电流增加而增加，因此谐波电流亦可用作分析避雷器状况的参数。

然而系统电压中谐波的存在会干扰避雷器非线性电阻产生的谐波，系统电压中谐波的含量与负载的类型和系统电压水平有关。在6 0 k V或更高的电压水平下， 通常三次谐波电流低于1 ~1 . 5 %。对于容性泄漏电流典型值为1 m A p e a k的避雷器，电压中1 %的三次谐波产生3 0 uA 的容性谐波电流。这个谐波电流与避雷器非线性电阻产生的三次谐波电流典型值在同一个数量级上。因此，确定三次谐波电流共有两部分，一由于避雷器的非线性所引起的阻性谐波电流，二由于谐波电压产生的阻性谐波电流。

在计算氧化锌避雷器的阻性电流中，电流采样通过短接雷击计数器两端通过穿心互感器采集，电压参考通过母线的PT二次侧直接测量，将PT的角差忽略。通过AD转换将数据采集完毕后，进行傅立叶变换，计算出基波电流的相角φ，通过公式Ir1=I1*cosφ得出基波的阻性电流，通过Ic1=I1*sinφ得到基波容性电流，在通过公式C=Ic1/(U1*ω)得到避雷器的电容量，由于计算电流三次谐波时，电压1%的三次谐波会产生3%的三次容性电流，这是因为避雷器的电容特性所决定。如果直接计算三次的阻性电流即Ir3=I3*cosφ3 则需得到φ3，这时有个问题，当电压的三次谐波成分接近0时则三次的相角信息φ3便无法确定，因此不能用这种方法计算三次的阻性电流。那么先确定三次谐波的容性电流后在用三次总电流与容性三次电流相减得到的便是三次阻性电流的方法可行，即Ic3=U3*ω*C 公式中的电容量C由基波时测得C=Ic1/(U1*ω)，带入公式化简后为Ic3=3*U3*Ic1/U1 这样通过公式Ir3²=I3²- Ic3² 此时三次谐波电流是由电压的谐波产生的部分去除掉即为阻性的三次谐波电流。根据以上原理即可推算出阻性的五次谐波电流Ir5及七次谐波电流Ir7。此时得到的Ir1、Ir3、Ir5、Ir7为各次的幅值。

现在我们来求1、3、5、7次谐波总的阻性电流的峰值，依据傅立叶反变换的原理，根据各次谐波的幅值和初始相位就可以直接确定如下公式：

f(x)=Ir1sin(wt+φ1)+ Ir3sin(wt+φ3)+ Ir5sin(wt+φ5)+ Ir1sin(wt+φ7)

公式中Ir1、Ir3、Ir5、Ir7为基波及各次谐波的阻性分量幅值。

φ1、φ3、φ5、φ7基波及为各次谐波的初始相位值。

现在基波及各次谐波的阻性分量幅值已经得出，而各次谐波的初始相位还没有确定，由于电阻特性，阻性电流应该与电压的相对角度为0，电容特性超前电

压90度的关系，所以各谐波阻性电流的初始相位φn=φun φun为各次谐波电压的采样时刻初始相位，即阻性电流的各次谐波的初始相位与电压的初始相位相等。各谐波电压的初始相位由电压采样值经过傅立叶正变换得到。

经过仿真试验通过傅立叶反变换输出一个周期内400个点与4000个点的峰值精度误差在0.3%以内，为减少计算量取输出400个点计算合成电流峰值。我们采样的是工频信号即50Hz则每个周波400个点采样频率为400*50=20K即傅立叶反变换的输出频率为20K，然后在一个周期内即400个点内搜索最大值即为阻性电流峰值。

用以上的方法充分考虑了各次谐波的幅值和初相位对阻性电流的影响。 国标规定电网中的谐波电压幅值必须控制在5%以内， 但对各次谐波电压的初相位没有具体的规定。由于5次以上谐波分量的幅值较小， 为简化起见， 这里只考虑电压三次谐波的影响。幅值取 U3=3%U1， 相位分别为 0°、90°、180° 三种情况，利用改进的谐波分析法得出列于表 1数据。

从表1中我们可以得到如下结论： 在有谐波电压存在的情况下，将会对监测信号 Ir、Ir3产生影响。 在规程规定谐波电压幅值的范围以内， 谐波电压幅值对基波阻性分量的影响不大， 在谐波电压初相位与基波电压初相位近似相等的条件下可以近似忽略谐波电压对测量的影响。 但是在谐波电压与基波电压初相位相差较大时， 谐波电压对三次阻性分量的影响很大， 这种影响是不可以忽略的。 所以在利用阻性谐波电流作为监测信号时， 一定要考虑谐波电压的影响， 尤其是谐波电压初相位的影响。

四、结束语

在对氧化锌避雷器泄漏电流的测试中谐波分析分方法比较可靠，对避雷器进行的测量表明，如果采用泄漏电流谐波分析的新方法，即使在电压中有更高的谐波分量及初始相位的不确定性，测量结果也较准确。

参考文献：

[ 1 ]周志敏 . 氧化锌避雷器运行中的监测与防爆《. 高压电器》. 2 0 01年第2 期

[ 2 ]杨利萍. 金属氧化物避雷器漏电流检测的相位的补偿法.《 高压电器》.

2 0 0 0 年第6 期