避雷器智能监测方法简述

避雷器智能在线监测方法简述西安西润电器技术有限责任公司毛慧明1、避雷器监测的发展历史1.1、避雷器放电计数器避雷器放电计数器是最早的避雷器附件，根据最早的避雷器安装规则，避雷器使用时必须安装放电计数器，放电计数器串接于避雷器和地之间。用于记录避雷器的放电次数。放电计数器一般规定当冲击电流峰值大于50A（8/20μs标准雷电流波形）时应正常记数，计数器耐受的最大电流和避雷器相同，一般为5kA以上，最大的耐受电流是100kA（35kV及以下避雷器是65kA）。放电计数器能记录避雷器的各种放电次数，包括雷电流，操作过电压次数的放电电流等）通过放电次数可以了解避雷器的工作状况和雷电过电压和操作过电压的情况。1.2、避雷器在线监测器避雷器在线监测器是放电记数器的换代产品，1990年以后开始使用，我公司1995年开始生产，当时国内有两三家企业能生产次产品。自从1990年前后氧化锌避雷器在我国电力系统中广泛应用以来，曾发生过不少事故，有些严重事故甚至引起长时间停电和其它大型电力设备的严重损坏，造成重大的财产损失，具当时不完全统计，无论国产与进口避雷器的事故率都在千分之几以上，其事故的主要原因是产品质量问题，如密封不良，避雷器受潮而导致损坏，还有阀片质量差，参数设计不合理，污秽性能和电位分位性能差等原因，避雷器额定电压低，荷电率高，导致避雷器持续运行电压下泄漏电流增大而损坏。另外由于避雷器正常工作时有泄漏电流流过，泄漏电流是避雷器不断的老化，试验通过监测避雷器的泄漏电流可以监测避雷器是否正常运行。根据新的避雷器安装规则，一般规定较高电压等级的避雷器必须安装在线监测器。一般低电压等级的避雷器还允许使用放电记数器。早期的避雷器在线监测器由于是无源工作，试验只能监测避雷器的全电流和放电次数，无法监测避雷器的阻性电流。由于阻性电流才引起避雷器发热，是避雷器老化的重要标志。但全电流对受潮等因素引起的避雷器损坏较敏感，受潮等是目前避雷器损坏爆炸的主要原因。而老化损坏是相等长时间以后的损坏因素。1.3、避雷器智能在线监测普通避雷器在线监测器虽然能监测避雷器是否正常运行，但是必须要值班人员巡视才能发现问题，对于智能电站和大量的无人值守电站是不适合的。为此避雷器智能在线监测发展起来了。我公司2008年完成了JSM3-485通信型在线监测器（智能在线监测器）的型式试验，同年也获得本产品国家专利。随着智能电网的发展，大量的智能监测器也投入了运行，取得了不少运行经验。2、避雷器智能监测的几种形式2.1、智能在线监测器智能在线监测器是在普通监测器内安装了带有光电隔离的RS485通信系统，能将避雷器的放电次数，泄漏电流、阻性电流等远传到计算机或IED中。2.2、CT取样型智能监测器CT取样型智能监测器是采用零磁通电流互感器获取避雷器运行参数，结构上实现了非接触取样。2.3、光电取样式在线监测器系统光电取样式造型监测器系统是采用光电转换键避雷器的运行参数运送到接受装置，3、各种在线监测器系统的优缺点3.1、智能在线监测器智能在线监测器的优点时单片机通信系统安装普通监测器内，取样信号强，抗干扰能力好，稳定性好。内部使用光电隔离，一般隔离电压1500V。缺点是结构上没有和避雷器地分离。3.2、CT取样型智能监测器优点是结构上监测系统和避雷器地分离。缺点1：得到的信号太微弱，容易受到干扰。缺点2：虽然结构上合避雷器地隔离，但电气上并没有隔离，当避雷器放电时，CT的二次侧能感应到极高的过电压，会损坏监测系统。目前有多家公司采用此形式，这种形式是借用容性电流监测系统而来的。由于容性电流较大，所以他们制定的避雷器电流监测范围也很大（100—650mA）。普通的容性电流监测监测不到避雷器的放电次数。采用容性电流监测CT最大的问题是它不能耐受雷电流的冲击，雷击到电站或线路时，雷电流都要经过避雷器入地，雷电流在CT二次侧感应的过电压会损坏整个监测系统。北京电科院是将CT接在小电流支路，也就是用普通监测器引出小电流信号，大电流经监测器内的电阻片旁路，雷电流不经过CT，保护CT不损坏。但是有些公司直接将容性电流监测CT安装在避雷器主回路上，他们对避雷器并不熟悉，未进行过大电流耐受试验，事故早晚会发生。由于容性电流CT测不到放电次数，他们又外加一个CT专门来测量放电次数。我公司CT型在线监测器系统是专门针对避雷器监测而设计的。我们增加了很好的保护，已经过100kA大电流的耐受试验，不会在雷电流冲击时损坏，另外，根据雷击时的电压升高，能检测到避雷器的放电次数信号，所以，我们只需要一个CT就可以了。A、B、C三相使用同一个不锈钢箱，也可三相单独使用一个外壳。3.3、光电取样式在线监测器系统光电取样式在线监测器系统是将光电转换器安装在监测器内部（或单独使用），利用避雷器的泄漏电流给工作电源充电，当充电结束后，开关转换为信号发送。且光电传输距离很近，声称10米，经检测只有2米左右。避雷器的泄漏电流不是实时传输，而是充电结束后发送的电流。发送回路是否正常，能工作多少时间都不明确。4、阻性电流监测问题4.1阻性电流测量方法目前我国还没有金属氧化物避雷器阻性电流的测试方法的有关标准。根据IEC60099-5推荐的避雷器阻性电流的测试方法有：(1)利用避雷器运行电压的方法有：利用电压相位直接读取阻性电流的相位法，利用电压信号补偿容性电流的补偿法，功耗测试法；(2)不需要运行电压的方法有：三次谐波法，谐波分析法，通过对泄漏电流综合分析得到基波信号的补偿法等。4.2、金属氧化物避雷器等值回路：图1：避雷器等值回路补偿法就是根据最简等值回路，从全电流中补偿掉容性支路电流，得到阻性电流。而链式等值回路(链之间的电感已省略)更接近避雷器的实际情况。4.3、各种方法的特点不同的测量方法的测量精度不同，各有利弊。4.3.1、利用电压信号测量功耗时，直接反应避雷器的发热性能。但是人们往往较关心阻性电流峰值的大小，而此方法测不到电流峰值，在避雷器在线监测中使用很少。4.3.2、补偿法在我国避雷器测试中使用很广泛，特别是避雷器出厂试验，验收试验，带电测试等大都采用补偿法。补偿法的好处是能观测到避雷器阻性电流的实际波形，比较直观。4.3.3、相位法是采用阻性电流与避雷器运行电压同相位的原理，测量避雷器全电流对应于运行电压最大值处的值，得到阻性电流。相位法不能观测到阻性电流的波形。4.3.4、谐波测试法是通过测量全电流中的三次谐波分量或其它高次谐波分量间接测量阻性电流的。由于避雷器的容性电流基本不含高次谐波分量，所以全电流中的谐波分量大小与阻性电流的大小成比例。通过测量全电流中的谐波分量可测量阻性电流。由于金属氧化物电阻片等值电路不是简单的电容和非线性电阻的并联回路，而是较复杂的链式回路。阻性电流的峰值和电压的峰值并不相同，参看图2IED60099-5给出的运行电压、全电流、阻性电流的图。从图2中可以看出，阻性电流的峰值和电压峰值相位时是不同的（实际上此相位差是随着阻性电流的大小而变化的）。所以相位法测量值和补偿法的测量值有较大的差别，相位法测量值大于补偿法测量值。阻性电流的峰值和电压峰值相位不同，是因为在运行电压下链式回路中的部分链，非线性电阻还未导通（高阻状态），所以阻性电流中有容性成分。随着运行电压的升高（或阻性电流的增大），链中非线性电阻未导通的部分越来越来少。阻性电流中的容性成分减少，阻性电流相位趋于与电压同相位一致。由于不同避雷器的容性电流大小不同，补偿法要自动调整补偿度的大小，电路较复杂，这是补偿法测量的主要缺点，补偿度不同时也会产生一定的测量误差。图2：（IEC给出）持续运行电压下，通过容性电流补偿后剩余的电流（阻性电流）4.3.5、相间干扰问题由于变电站中的避雷器一般是一字型排列的，运行中的避雷器存在相间干扰问题，即B相电压经过空间电容在A相和C相产生容性电流，由于相位差，会使A相阻性电流增大，C相阻性电流减小。对于500kV及以上的避雷器，用补偿法或相位法测试仪测出的阻性电流会为负数（功耗小于零），说明已无法测试。必须采用人为移相的方式才能测量，增加了人为因素。通过实际测量，一般110kV相间干扰很小，不用特别考虑，其它高电压的避雷器都有影响。相间干扰在试验室很难对比试验。相间干扰直接影响补偿法和相位法测量阻性电流的准确度。相间干扰较大时，补偿法和相位法已无法测试避雷器的阻性电流。A相监测到的电流除由A相电压产生的电流外，还有B相电压通过空间电容产生的电流，A相的阻性电流与A相电压同相，B相电压迟后A电压120度，但通过空间电容产生的电流超前B相电压90度，所示B相电压在A相上产生的电流只差30度，对A相得阻性电流影响很大，对全电流影响较小；B相对C相得影响也一样。一般情况是：相间干扰使A相阻性电流增大，使C相阻性电流减小。B相受A、C相的人干扰抵消。4.3.6.、谐波测试法谐波法测量的优缺点：当避雷器老化引起阻性电流增大时的电流波形如图3所示：从图3可以看出，随着阻性电流值的增大，非线性急剧增加，所以测量阻性电流中的谐波分量，可以测量出阻性电流。谐波法准确度受运行电压中谐波分量的影响，由于三次谐波及五次谐波的相位不一定与基波的相位相同，相同是为尖顶波，而相反是为平平顶波，显然相同时才增加阻性电流。且谐波分量只是阻性电流的一部分，需要经过拟合才能反映真实的阻性电流。但好处是不受相间干扰的影响。在试验室使用避雷器比例单元，施加不同的工频电压，用补偿法和监测器同时测量得到阻性电流曲线，将监测器阻性电流曲线分成5段，每段采用不同的倍率拟合成阻性电流等值曲线，减小测量误差。图3：阻性电流较大时的波形图谐波法一般测量误差大于补偿法，好处是接线简单，不用PT信号，不影响PT的运行。在智能电站中，由于普遍采用智能电压互感器，系统电压信号是通过光信号传输的，采用运行电压方法测量阻性电流时，获得电压信号很困难，很难采用，一般选用谐波法。4.3.7、阻性电流与全电流的比值问题避雷器阻性电流是由有功分量产生的，容性分量的大小与避雷器的等值电容有关。而等值电容与电阻片的配方有关，不同配方的电阻片等值电容会相差很大。用阻性电流占全电流的百分比判断避雷器的好坏也很不科学，特别是目前高性能电阻片、高梯度电阻片越来越多，需要进一步研究。对于避雷器的在线监测，我们关心的是避雷器的有功功耗或避雷器的发热问题。应该关心避雷器阻性电流实际值的大小，而不是阻性电流占全电流的百分数问题。根据全电流与阻性电流计算容性电流的方法：全电流是阻性电流和容性电流的矢量和。4.3.8、阻性电流的校准有些研究人员采用电容器与电阻并联的方式校对阻性电流测试仪或智能监测器阻性电流的测试精度，由于使用的是线性回路，无法校对采用谐波法测量阻性电流的仪器或智能监测器。此方法能正常校准相位测试法、和补偿法。由于避雷器的阻性电流有极强的非线性，阻性电流的峰值随电压的变化波动很大，且阻性电流值又很小，一般仪器测量的稳定性不好，数据变化大，没有准确读数。大部分阻性电流测试仪测量不准确的原因使稳定性差，数据不断变化，没有准确读数。对于阻性电流，测量的稳定性要好。不同仪器、不同测试方法存在相对误差，但数据稳定能反应阻性电流的变化规律，对避雷器运行很重要。4.3.9、阻性电流的测量精度问题一般阻性电流的测量精度较大，数万元的测量仪器的精度也不少很高，日本生产的LCD-4型阻性电流测试仪国内用的很多，15万左右，声明的精度是3%，主要是稳定性好。国内的仪器很少有比这种仪器好的，一般稳定性较差，读数不稳定，或者在不同的场所测得的值不同。我公司1995年就生产此类仪器，经过北京电管局电力科学研究院技术鉴定。目前生产的监测器也是用一样的原理。由于阻性电流测量标准还不一致，国内还没有标准值也没有权威机构做鉴定。5、西润公司智能监测器简介5.1、JSM3-485（JCQ5-485）通信型在线监测器,是我公司2008年在武汉高压研究院完成型式试验的产品，可附加阻性电流测量。JSM3一般户外用，有两个接口便于现场接线。JCQ5一般GIS避雷器用。阻性电流是采用谐波法测量。优缺点：接线简单，阻性