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1、第 章 泄漏电流带电检测技术本章内容摘要 本章主要介绍了避雷器泄漏电流带电检测的发展历程、基本原理，介绍了带电检测仪器的现场操作方法、相关注意事项和标准检测流程，以及如何应用泄漏电流带电测试结果分析避雷器设备的运行状况。第一节 泄漏电流检测技术概述一、发展历程氧化锌避雷器由氧化锌阀片叠装而成，氧化锌阀片又是以氧化锌为主并掺以其它微量金属氧化物烧结而成的，氧化锌阀片具有非常优异的非线性特性。在电网运行电压下电阻很大，流过氧化锌阀片的泄漏电流一般在20mA以下，相当于绝缘体。在线路受雷电侵入过电压或操作过电压时，阀片电阻瞬间变得很小，流过避雷器的电流达数千安培，释放过电压能量，从而防止了过电压对输
2、变电设备的侵害。此后，当作用电压降到动作电压以下时，阀片自动终止“导通”状态，恢复绝缘状态。早期人们主要是采用定期停电进行氧化锌避雷器的预防性试验。停电试验主要有两种方法：一种是测量氧化锌避雷器的绝缘电阻和底座绝缘是否低于规定值以检查其内部是否进水绝缘受潮、瓷质裂纹或硅橡胶损伤；另一种是测量氧化锌避雷器直流1mA下参考电压U1mA和75%U1mA下的泄漏电流，可以准确有效地发现避雷器贯穿性的受潮、脏污劣化或瓷质绝缘的裂纹及局部松散断裂等绝缘缺陷。但是这两种方法都存在缺陷和不足，首先试验时需要停电，给生产生活都带来不便，并且停电时氧化锌避雷器的性能状况与运行时的存在差异，不能真实反应实际运行情况
3、；其次在停电试验期间需投入较大人力物力，费时费力；最后由于试验周期长，不能及时发现诊断在间隔期间出现的故障。于是，现在更多的是采用带电检测或者在线检测。正常情况下氧化锌避雷器的总泄漏电流只有几十uA，当其老化或者受潮时，泄漏电流中的阻性电流会增加。针对这一特点，避雷器泄漏电流带电或在线监测已成为判断氧化锌避雷器的运行状况的一项重要手段。但基于成本比例的关系，避雷器在线监测未广泛开展。氧化锌避雷器泄漏电流带电测试在状态检修工作中，显示出它的巨大优势，已成为氧化锌避雷器性能状态监测的重要手段。避雷器的泄漏电流带电检测最初由上个世纪80年代的德国、日本、挪威等国家研究学者开展相关研究。日本学者H.K
4、iadou等学者对泄漏电流带电检测的补偿法的进行了深入研究，并根据相关原理生产出LCD-4的避雷器带电检测装置，挪威National Gril公司对阻性电流三次谐波法进行了相关研究，生产出LCM泄漏电流测试仪，并在现场进行了相关试验。国内有华北电力大学、清华大学、武汉大学、苏州大学等高校对避雷器泄漏电流的带电检测做出了相应的研究工作。现阶段各研究机构在补偿法的基础上进行了变系数谐波补偿、多元补偿法等方面进行了研究，尽量消除电压谐波对测量结果的影响，并发展避雷器泄漏电流的在线监测各种手段。二、分类避雷器泄漏电流带电检测方法常采用总泄漏电流法、三次谐波法（零序电流法）、容性电流补偿法、阻性电流基波
5、法等。总泄漏电流法测量流过避雷器的全电流。三次谐波法（零序电流法）是基于氧化锌避雷器的总阻性电流与阻性电流三次谐波在大小上存在比例关系，通过检测氧化锌避雷器三相总泄漏电流中阻性电流三次谐波分量来判断其总阻性电流的变化。电容电流补偿法是利用外加容性电流抵消泄漏电流中与母线电压相位差/2的容性分量，从而得到阻性电流分量。基波法是同步地采集氧化锌避雷器上的电压和总泄漏电流信号，然后将电压电流信号分别进行快速傅立叶变换(FFT)，得到基波电流和基波电压的幅值及相角，再将基波电流投影到基波电压上就可以得出阻性基波电流。下面分别介绍各种方法的技术特点：1. 总泄漏电流法总泄漏电流法已在实际运行中已被广泛采
6、用，可通过将一方便的毫安表植入涌流计数器或便携设备中，获取全泄漏电流的有效值、平均值或峰值。但由于阻性电流仅占很小的比例，即使阻性电流已显著增加，总电流的变化仍不明显，该方法灵敏度很低，只有在MOA严重受潮或老化的情况下才能表现出明显的变化，不利于MOA早期故障的检测。大多用于不是很重要的氧化锌避雷器检测或用于氧化锌避雷器运行情况的初判。2. 三次谐波法三次谐波法理论成立的前提是系统电压不含谐波分量，因此该测量方法测量值受电网三次谐波影响较大，且该方法无法分辨哪一相避雷器出现异常。此外不同阀片间以及伴随着氧化锌阀片的老化，总阻性电流与三次谐波阻性电流之间的比例关系也会发生变化，所以三次谐波法并
7、不理想。3. 容性电流补偿法容性电流补偿法测试方法十分简便，能够直接求取阻性电流，但该方法只有当氧化锌避雷器总泄漏电流中阻性电流的相位与容性电流的相位成/2的时候才能够得到避雷器运行状况的真实结果。但是在测试现场测试时，受相间杂散电容的影响，测量存在误差。此外补偿法需要从电压互感器上采集电压信号，可能存在相移，电网电压存在较大谐波时，也会影响其测量的精度。4. 基波法基波法简单方便，在一些情况下能够灵敏地反映氧化锌避雷器的状态，但滤波的同时也除掉了容性电流谐波分量及氧化锌避雷器电阻片固有非线性特性所产生的高次谐波成分，因此，该方法不能有效地反映氧化锌避雷器电阻片的老化情况。同时由于氧化锌阀片的
8、交流伏安特性非线性关系，仍然无法消除电网谐波对测试结果的影响。5.波形分析法在基波法的基础上运用傅里叶变换对同步检测到的电压和电流信号进行波形分析，获得电压和阻性电流各次谐波的幅值和相角，计算得出阻性电流基波分量及各次谐波分量，弥补了基波法完全忽略阻性电流高次谐波的影响。同时该方法能够得到电压信号的谐波成分，从而可以考虑电压谐波造成的影响，综合判断得出正确的结论。测试方法优点及适用性缺点全电流法不需要电压参考量测试方法简单、易实现在线监测。发现早期老化缺陷不灵敏。阻性电流三次谐波法(零序电流法)不需要电压参考量测量方便、操作简便电网谐波影响较大。不适用于电气化铁路沿线的变电站或有整流源的场所。
9、受不同避雷器的函数关系差异影响。无法分辨避雷器异常相别受相间干扰影响大补偿法需要测取电压参考量原理清楚，方法简便受相间干扰及电网谐波影响较大。基波法需要测取电压参考量原理清楚，操作简便受相间干扰影响不能有效地反映MOA电阻片的老化情况波形分析法需要测取电压参考量原理清楚，可有效测量阻性电流基波和高次谐波分量，可以较为准确的判断MOA的运行状况及性能下降原因。受相间干扰影响三、 应用情况鉴于总泄漏电流法、三次谐波法（零序电流法）、容性电流补偿法、阻性电流基波法的优缺点，全电流法已在避雷器在线监视中被广泛采用，阻性电流三次谐波法以挪威NationalGril公司的LCM型泄漏电流测试仪为代表，容性
10、电流补偿法已日本计测器制造所研制的LCD-4阻性电流测试仪为代表。基波法和波形分析法为目前国内泄漏电流测试仪器厂家普遍采用的方法。 第二节 泄漏电流检测技术基本原理一、泄漏电流的基本知识在系统运行电压的情况下，氧化锌避雷器的总泄漏电流由瓷套泄漏电流、绝缘杆泄漏电流和阀片柱泄漏电流三个部分组成。一般而言，阀片柱泄漏电流不会发生突变，只有在污秽或内部受潮引起的瓷套泄漏电流或绝缘杆泄漏电流增大时，总泄漏电流才可能发生突变；在正常情况下，瓷套泄漏电流和绝缘杆泄漏电流比流过阀片住的泄漏电流要小得多。因此，在天气好时，测量的总泄漏电流一般都视为流过阀片柱的泄漏电流。氧化锌避雷器可用如下等值电路表示，他由电
11、容部分和非线性金属氧化电阻并联组成。假设电网电压不含谐波分量，即u =Um sint，根据欧姆定理可知： 因氧化锌阀片具有非线性电压-电流特性，因此电阻R是个变量，导致iR是非线性的，含有各次谐波，将其分解得到其中I1、I3、I5、I7分别为避雷器泄漏电流阻性电流的基波、三次谐波、五次谐波、七次谐波的峰值。图 为实验室模拟的避雷器泄漏电流波形，现对其各部分含量变化对避雷器性能的影响分析如下：1.阻性电流基波分量根据阻性电流对应的功率PR计算公式 发现式中只有第一项积分结果不为零，其余各项积分为零。因此产生有功功率导致氧化锌阀片发热的主要是阻性电流中的基波分量，从而总泄漏电流中的阻性电流基波分量
12、是判断氧化锌阀片绝缘性能是否良好的重要依据。2.阻性电流谐波分量氧化锌阀片的老化将会使其非线性特性变差,其主要表现是在系统正常运行电压下阻性电流高次谐波分量显著增大,而阻性电流的基波分量相对增加较小，因此避雷器阻性泄漏电流中高次谐波分量是判断氧化锌阀片老化状况的依据。而实际系统运行电压条件下，不可避免的存在系统谐波和电磁干扰，此时泄漏电流中的谐波成分将包括因谐波电压而引起的谐波分量。二、泄漏电流检测仪组成及基本原理（一）测试原理1. 全电流法目前许多放电计数器上安装了电流表能直接读取全电流。带电检测往往通过短放电接计数器和电流表，将避雷器总泄漏电流引入测试仪器，通过高精度传感器获取避雷器的全电
13、流，对于低阻电流表则须采用高精度钳形电流传感器采样。2.阻性电流三次谐波法三次谐波法是基于氧化锌避雷器的非线性导致产生三次谐波IR3，而三次谐波IR3与总阻性电流IR存在比例关系，通过检测IR3来判断其总阻性电流IR的变化。80年代出现过一些测量三次谐波的仪器，由于无法判断IR3是来自避雷器的非线性还是来自母线三次谐波电压，其使用效果不佳。挪威NationalGril公司的LCM型泄漏电流测试仪是带有补偿的三次谐波电流，通过感应板检测母线谐波电压，并对IR3进行补偿，从而测得由氧化锌避雷器的非线性引起的三次谐波电流，进一步通过已建立的三次谐波阻性电流同全阻性电流之间的关系，获得氧化锌避雷器的阻
14、性电流。但由于实际电网电压的不平衡性，波形以及三相MOA的差异都有可能影响到电流的读数。瓷套表面潮湿时，表面泄漏电流也将直接影响读数，从而引起错误判断；另外，即使电流出现变化，也不能分辨出是哪一相MOA出现异常。3.电容电流补偿法电容电流补偿法原理是将金属氧化物避雷器两端电压信号进行90移相，得到一个与容性电流相位相同的补偿信号，然后与容性电流想减便可将容性分量抵消，得到阻性电流。该补偿信号还与阻性电流通过一个乘法器相乘，并用乘法器的输出调整补偿量，直到补偿信号与阻性电流相差为90时乘法器输出为零，此时输出的阻性电流与容性电流相差为90。早期的LCD-4就是采用这种原理测量阻性电流，是第一种能
15、够定量测量阻性电流的带电测试仪器。实际上这是一种采用硬件分解阻性电流的方法，输出的阻性电流中包含基波和各种谐波成分，母线电压谐波的影响也无法补偿，精确度不是很高，目前已经被国产数字化仪器取代。4.基波法基波法的测量原理是氧化锌避雷器在电网电压的作用下，其总泄漏电流中只有阻性基波电流做功产生热量，并且认为阻性基波电流不受电网电压谐波的影响，因此可以同步地采集氧化锌避雷器上的电压和总泄漏电流信号，然后将电压电流信号分别进行快速傅立叶变换(FFT)，得到基波电流和基波电压的幅值及相角，再将基波电流投影到基波电压上就可以得出阻性基波电流。由于基波数值稳定，用和Ir1p都能直观衡量MOA性能。但与此同时
16、，它也除掉了电流谐波分量及MOA电阻片固有非线性特性所产生的高次谐波成分，因此，该方法不能完全反映MOA电阻片的实际老化情况。5.波形分析法波形分析法可以计算包括基波在内的各次谐波电流的容性阻性分量。目前用的较多的是对1、3、5、7次谐波进行分析处理。运用FFT变换对同步检测到的电压和电流信号进行谐波分析，获得电压和阻性电流各次谐波的幅值和相角，然后计算各次谐波的有功无功分量，也可以把需要各个分量再次合成一个波形，并求得波形的有效值和峰值等参数。这种方法弥补了基波法完全忽略阻性电流高次谐波的不足，不仅能发现氧化锌避雷器因受潮而引起的阻性基波电流增加，也能发现因氧化锌避雷器中阀片老化而导致的阻性高
