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高次谐波对避雷器带电测试数据的影响分析

发表时间：2020/7/21 来源：《电力设备》2020年第8期作者：邓先进

[导读] 摘要：在对一变电站35kV氧化锌避雷器带电测试中，发现主要参数均比上一年增加了数倍，分析认为是电网中高次谐波的影响造成，并进行了定性分析。

        (贵州电网公司龙里供电局 551200)
        摘要：在对一变电站35kV氧化锌避雷器带电测试中，发现主要参数均比上一年增加了数倍，分析认为是电网中高次谐波的影响造成，并进行了定性分析。
        主题词：高次谐波避雷器   带电测试   分析
        1 引言
        氧化锌避雷器由于其优良的非线性伏安特性在电力系统中广泛使用，作用是保护电力设备免受过电压的危害。为了保证避雷器可靠动作，规程要求每年雷雨季节前，对35kV及以上的避雷器进行带电测试，测量运行电压下全电流、阻性电流或功率损耗。这是因为避雷器在交流电压的作用下，流过的总泄漏电流包含阻性和容性电流，而容性电流几乎不变，阻性电流是随着氧化锌阀片的变化而变化的，如氧化锌阀片老化、受潮时，阻性电流则会增加很多，因此带电测试就是通过阻性电流的变化来判断避雷器的状态。
        2 事件经过
        今年，对某变电站35kV氧化锌避雷器带电测试（避雷器型号：Y5WZ-51/134； 2014年投运），测试数据如下：
        A：IX1=1.612mA Ir1=0.198mA Ic=2.071mA P=2707mW
        B：IX1=2.049mA Ir1=0.252mA Ic=2.888mA P=3606mW
        C：IX1=2.372mA Ir1=0.292mA Ic=3.342mA P=4177mW
        将测试结果与去年比较，发现全电流、阻性电流增加了近7倍，容性电流和功耗增加了近5倍。2019年带电测试数据如下：（两次测试环境温度、湿度相差不大，仪器和测量方式一样）
        A：IX1=0.255mA Ir1=0.031mA Ic=0.359mA P=449.8mW
        B：IX1=0.258mA Ir1=0.030mA Ic=0.364mA P=455.7mW
        C：IX1=0.254mA Ir1=0.032mA Ic=0.359mA P=448.8mW
        尽管在现场采取了一系列措施来排除干扰，效果甚微，但在测试中发现系统电压有一定量的高次谐波，U3=536.4V、U5=128.6V、U7=53.69V，由于现场无法排除谐波干扰，因此按照规程进行了停电检查，检查结果如下：
        A：主绝缘=2500MΩ 底座绝缘= 500MΩ U1mA=78.5kV I0.75U1mA=20μA
        B：主绝缘=2500MΩ 底座绝缘= 500MΩ U1mA=78.7kV I0.75U1mA=11μA
        C：主绝缘=2500MΩ 底座绝缘= 500MΩ U1mA=78.3kV I0.75U1mA=7μA
        从检查结果结合上一次的试验数据来看，该组避雷器是合格的。同时还采取通过试验变压器升压的方式再次进行带电测试，结果如下：
        A：IX1=0.246mA Ir1=0.030mA Ic=0.347mA P=434.3mW
        B：IX1=0.255mA Ir1=0.031mA Ic=0.359mA P=449.4mW
        C：IX1=0.249mA Ir1=0.030mA Ic=0.351mA P=439.5mW
        从测试结果来分析依然是合格的。因此综合停电检查的结果可以判定该组避雷器状态良好，可以继续运行。那么高次谐波是如何影响测试数据的呢？
        3 原因分析
        氧化锌阀片为非线性电阻，具有优良的非线性伏安特性，正常时工作在小电流区，满足函数u=C.iα，非线性系数为0.2左右，其中C为材料系数。
        因此i=(u/C)1/α,将电压u=Umsinwt带入得：
        i=（（Umsinwt）/C)1/α--------------（1）
        当系统中没有谐波，（1）式为测量到的阻性电流，周期为2π的函数，通过傅立叶级数分解后仅得到基波；当系统电压里面有了谐波后，此时的电压为：
        u=U1msin(wt+φ1）+U3msin(3wt+φ3）+----
        此时的电压波形已经不是严格的正弦函数，要比正弦函数的波形要尖，形成一个新的电压函数u=f(x)，作用于避雷器上，得到的电流为：
        i=(f(x)/C)1/α---------------------（2）
        将（2）分解成各次谐波的函数，得到基波和谐波电流，这就是仪器上所测量到的。
        由于电压的具体函数难以确定，因此只能根据测试波形来作定性分析，见图一、二：

        图一：正常情况         图二：异常情况（谐波干扰下）
        将两图进行比较看到，正常情况下的全电流波形仍然为正弦函数，而异常情况下近似为三角波；对于阻性电流来说，异常情况下的幅值要远大于正常情况，且发生了畸变，所以功耗随之增加。而电容电流ic=kwCUKm（k为谐波次数），ic∝kw，在高次谐波的作用下，ic增大，故全电流变大，这就是全电流、阻性电流、电容电流和功耗增大的原因。
        而通过试验变压器升压后进行的带电测试是因为电源是两级变压器降压后所得，所含谐波分量很小，几乎对测试数据没有影响，所以符合要求。
        4 总结
        在对避雷器的带电测试中，特别要注意高次谐波对测试数据的影响，当发现数据异常时，应采取措施避开高次谐波的干扰，测得可靠的数据，方能做出正确的判断。
        参考文献:
        1、中国南方电网有限责任公司.电力设备检修试验规程（2017）
        2、沈其工等主编.高电压技术.北京.中国电力出版社2012.
        3、同济大学数学教研室.主编.高等数学.北京.高等教育出版社.1996