摘要：
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。
一、研究的目的和意义
氧化锌避雷器是电力系统里最重要的过电压保护装置，相关基础性研究已进行多年。在恶劣的运行环境下，氧化锌阀片容易出现受潮、老化或寿命终结等问题，严重危及着电网的安全运行，因此如何判断避雷器的运行工况和寿命，对于电网的完全稳定运行具有重要作用。及早发现避雷器可能出现的缺陷，对保障电网安全可靠运行具有重要意义。
目前避雷器带电测试主要基于系统电压和泄漏电流（UI法）。通过测量避雷器泄漏电流和对应相的电压，计算出容性分量、阻性分量，进而判断避雷器状态。其具体方法是通过信号电缆将采集到的避雷器的电压和电流信号引入到一个测量设备，UI法存在的问题是：系统电压信号一般从系统电压互感器或检修电源处获取，存在一定安全风险，而且每次测试都需要改动互感器的接线，现场接线工作量大，同时也给变电站的运行带来一定的安全隐患。另外对于三相交流系统，ABC相间存在电容耦合干扰，任意一相的泄漏电流均包含其他两相空间耦合的容性电流，使用单一本相电压值和泄漏电流来计算的阻性电流和容性电流会存在偏差，这对于本来就很微弱的阻性电流来说，偏差会更大，从而无法准确判断避雷器状态。
从原理上来说，从避雷器接地引线处测量的泄漏电流是避雷器全电流以及空间耦合电容电流的矢量和。但采用某相电压与泄漏电流计算，因无法分离耦合电容电流分量，一般采用偏差±3°进行经验值校正，计算近似的阻性电流及相角。因此，UI法带来的实际问题是，阻性电流值是估算值，实际并不准确，而获取电压信号存在短路风险。采用UI法的避雷器带电测量方式测量接线复杂，不利于准确、快速、高效地进行避雷器带电测试的工作。
二、国内外研究水平综述
氧化锌避雷器是电力系统里最重要的过电压保护装置，相关基础性研究已进行多年。在恶劣的运行环境下，氧化锌阀片容易出现受潮、老化或寿命终结等问题，严重危及着电网的安全运行，因此如何判断避雷器的运行工况和寿命，对于电网的完全稳定运行具有重要作用。
国内外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；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。
三、项目研究内容和实施方案
1.1.基于三相电流相角差法的避雷器带电测试理论和方法的研究；
在三相交流系统中，ABC三相各有一支氧化锌避雷器。用Ua、Ub、Uc表示系统三相电压，它们保持120度的相角差，并且幅值相等，用Ia、Ib、Ic分别表示三相的泄漏电流，用Iar、Ibr、Icr分别表示三相的阻性电流，阻性电流远小于泄漏电流,用Za、Zb、Zc分别表示三相中的氧化锌避雷器的自阻抗,用Ra、Rb、Rc分别表示各相中的氧化锌避雷器的电阻，Xa、Xb、Xc分别表示各氧化锌避雷器的容抗，Zab、Zac、Zba、Zbc、Zca、Zcb分别表示A相对B和C相、B相对A和C相、C相对A和B相的互阻抗，在运行的系统中，如果氧化锌避雷器安装的位置和结构不发生变化，则Xa、Xb、Xc、Zab、Zac、Zba、Zbc、Zca、Zcb一般不会变化，在氧化锌避雷器损坏时，主要是Ra、Rb、Rc变小，即最终导致阻性电流Iar、Ibr、Icr增大。
现有的测试方式是基于对系统电压和对应相泄漏电流的测量，无法得到Zab、Zac、Zba、Zbc、Zca、Zcb这类互阻抗值，或者简单用补偿方式代替，因此实际是无法准确计算出阻性电流Iar、Ibr、Icr，即无法准确判断出氧化锌避雷器的状态。
本项目拟采用实际相角法，直接测量避雷器Ia、Ib、Ic泄漏电流，并计算各电流夹角，用θab、θbc、θca表示。对于氧化锌避雷器劣化，则主要是Ua/Ra、Ub/Rb、Ub/Rb这三相阻性电流变化，其他项不会变化，其他项主要是容性电流，由于阻性电流和容性电流存在90度相角差，当阻性电流变化而容性电流不变时，会使泄漏电流Ia、Ib、Ic产生相移，即角度发生变化。
杂散参数一般与空间位置形状相关，避雷器在投入运行之时，其空间位置形状固定，使得其杂散参数维持不变，相应相间耦合容性电流基本不变。当存在避雷器阻性电流变化时，反映到避雷器泄漏电流或全电流上也会相应变化。基于这样的原理，通过测量泄漏电流或全电流的变化率，给出电流数值以及角度上的统计数据，结合经验判据，能够准确判断避雷器状态的优劣。本项目采用的实际相角法能有效消除周围带电体的耦合干扰，比单纯电压参考法（电源法和PT法）具有明显优势，操作更简单，使用更安全。
1.2.基于无线同步的避雷器带电测试数据采集和传输技术研究；
由于采样指令信号为脉冲信号，容易受到外界信号的干扰或装置采样延时造成多路信号采样不同步，导致相角差计算误差很大。本项目拟通过研究基于无线同步的三相避雷器带电测试数据同步技术，以无线模块为基础的无线应变采集系统，结合采样电路和信号调理电路，借助于无线通信模块为时间同步基础的硬件设计，来保证非接触式避雷器带电测试硬件上的可行性。通过硬件发出秒脉冲为基准，结合自身晶振漂移完成时间同步，通过自适应时间窗二级加权同步算法和最小二乘法完成时间同步，结合软件上应变测量完成高速监测，将三相时间同步精度控制在us级别。
1.3.基于非接触式的避雷器泄漏电流测量技术研究；
1.3.1 电流取样方式
不论采用何种测试方法，都需测量避雷器总泄漏电流大小。传统避雷器带电测试是从避雷器接地引线处，通过短接避雷器带电计数器表头，从而测量的避雷器的泄漏电流。有极少数的低阻计数器，其两端电压只有几十毫伏，这种情况无法直接将泄漏电流完全引入仪器，此时则需高精度钳形电流传感器采样。
非接触测量是以光电、电磁等技术为基础，在不接触被测物体的情况下，得到物体参数信息的测量方法。本项目拟研究基于高精度零磁通无线钳形电流互感器来实现避雷器泄漏电流的非接触式测量。高精度的无线零磁通钳形电流互感器可有效提高数据的价值密度，利于状态分析；项目需对零磁通钳形电流互感器的性能进行专项试验研究，以确认电路及机械结构设计合理。
1.3.2 电压取样方式
目前常用的电压取样方式有以下四种：1）PT二次电压：电压信号取自待测MOA同相的PT二次电压，该方式可以提供最好的测试精度。就其传输方式而言，目前为有线传输和无线传输方式2种。2）检修电源：避免了通过取电压互感器端子箱内二次参考电压的误碰、误接线存在的风险，可通过测取交流检修电源220V电压作为虚拟参考电压，再通过相角补偿求出参考电压。3）感应板：即将感应板放置在MOA底座上，与高压导体之间形成电容。仪器利用电容电流做参考对MOA总电流进行分解。4）容性设备末屏电流：使用容性设备末屏电流做参考可以提供很好的精度。
结语：
研究基于无线同步的非接触式避雷器带电测试技术，研制的装置结构简单，便于携带和维护，大大提高了避雷器带电测试的现场效率，同时更加安全可靠。本系统适用于电网检修、试验部门，项目的研究成果可以作为通用的技术和设备，推广应用到电网、电厂、石化、钢铁及煤矿等领域的避雷器带电测试场合，可带来很好的经济效益，能够有效改进传统避雷器带电测试仪的不足，因此具有广阔的应用前景和推广价值。
参考文献：
[1]章建辉 . 变电站二次设备雷击危害及其避雷器措施研究[J]. 电子技术与软件工程, 2018.
[2]黄峻, 林少森, 雷全学. 避雷器与抗干扰措施研究[J]. 电子世界, 2017(15).
[3]聂鹏. 变电站二次系统防雷电涌措施研究[J]. 电子制作, 2018, No.353(12):88-89.
论文作者:吴少昱,汪夏,王嘉伟
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第9期
论文发表时间:2019/10/16
标签：避雷器论文; 电流论文; 氧化锌论文; 电压论文; 相角论文; 过电压论文; 测量论文; 《当代电力文化》2019年第9期论文;