避雷器在线监测装置现场校验系统的研发

Design and Development of AN Automatic Calibration System for Voltage Dividers

摘要: 论文针对避雷器在线监测装置的现场校验存在的困难，基于“增量注入法”提出了阻性电流、容性电流及全电流的校验原理，并研发了校验系统。实验室测试和现场实测的结果表明，该校验系统输出电流误差在0.5%以内，相位误差在0.1以内，满足现场校准准确度要求。校验系统还解决了现场需求输出电流与PT二次侧电压同频同相难的问题，为容性设备在线监测现场校准提供了参考。

Abstract: In order to solve the problem of field verification of online monitoring device in metal oxide ar-resters, based on the additional injection method, the verification principle of resistive current, capacitive current and total current is proposed, and the verification system is developed. The results of laboratory tests and field measurements show that the output current error of the verification system is within 0.5%, and the phase error is within 0.1, which meets the requirements of field verification accuracy. The verification system also solves the problem that the output current of field demand and the voltage of PT secondary side have difficulty in the same frequency and phase, which provides the reference for field verification of online monitoring device in capacitive equipment.

1. 概述

电力系统中氧化锌避雷器(MOA)是十分重要的过电压保护设备 [1] [2] [3] [4] 。鉴于MOA的重要作用，电力系统多采用MOA在线监测装置来监视其工作状态 [5] [6] [7] [8] 。在线监测装置串接在MOA的接地回路中，分为两种，一种由微安表和动作计数器等元件构成 [9] ，主要用于监测全电流，已广泛安装；另一种MOA在线监测装置则由近年国网公司推广，其电压单元取电压互感器二次侧电压信号，电流单元安装于MOA接地回路测试其阻性电流和全电流值，数据经由IED单位传输至主控室后台或就地显示。

MOA在线监测装置性能好坏关系到对MOA性能的评价是否正确，无论是误报还是漏报均时有发生，影响电力系统的安全运行 [10] [11] [12] [13] 。在日常检修工作中，从涉及到拆卸、安全、运输成本及耗时考虑 [14] [15] [16] ，微安表通常在离线的条件下校验，近些年兴起的MOA在线监测装置投运后则暂无有效的现场校验手段。在这样的背景情况下，研究MOA在线监测装置现场带电校验技术方法和开发相关的仪器设备就显得十分有意义了。

由于MOA阻性电流测试需已知母线电压及避器泄漏电流之间的相角关系，这就对校验提出了频率跟踪方面更高的要求，要求电流源的频率相位与变电站现场PT二次侧电压实时保持一致，市场上常见的电流源在准确度、稳定度、幅值、相位、价格等方面无法同时满足要求。本文提出了针对避雷器在线监测的增量注入法及其校验原理，并研制了相关设备。下面是具体的工作介绍。

2. 增量注入法及其校验原理

现场容性设备稳态运行时，即其泄漏电流I的大小和角度是稳定不变的，设容性设备泄漏电流大小为I₀，相位为q，则有

$I=\left(I_R,I_C\right)=\left(I_0\cos \theta ,I_0\sin \theta \right)$ (1)

即泄漏电流的阻性电流分量I_R为I₀cosq，容性电流I_C分量为I₀sinq。

此时通过人为干预在回路引起一定的电流增量，设注入电流大小为I¢，其相位为b₀ + b，其中b₀为标准可控角度，其根据需要人为设置，其设置范围为(0~90˚)；b为标准可控角度实际运行时的波动范围，那么注入电流的矢量坐标为

$I^{\prime }=\left({I^{\prime }}_R,{I^{\prime }}_C\right)=\left({I^{\prime }}_0\cos \left({\beta }_0+\beta \right),{I^{\prime }}_0\sin \left({\beta }_0+\beta \right)\right)$ (2)

即可得注入电流的阻性电流分量 ${I^{\prime }}_R$ 为 ${I^{\prime }}_0\cos \left({\beta }_0+\beta \right)$ ，容性电流分量 ${I^{\prime }}_C$ 为 ${I^{\prime }}_0\sin \left({\beta }_0+\beta \right)$ 。

2.1. 阻性电流校验原理

标准可控角度b₀ = 0时，那么注入电流矢量的坐标为

$I^{\prime }=\left({I^{\prime }}_0\cos \left(\beta \right),{I^{\prime }}_0\sin \left(\beta \right)\right)$ (3)

即注入电流的阻性电流分量为 ${I^{\prime }}_0\cos \left(\beta \right)$ ，容性电流分量为 ${I^{\prime }}_0\sin \left(\beta \right)$ 。

根据矢量叠加原理，叠加电流的矢量坐标为

$I+I^{\prime }=\left(I_0\cos \theta +{I^{\prime }}_0\cos \left(\beta \right),I_0\sin \theta +{I^{\prime }}_0\sin \left(\beta \right)\right)$ (4)

当角度控制准确度较高，运行稳定，保证注入电流相位变化 $\beta$ 最大不超过0.1˚时，由于

$\{\begin{array}{l}\cos {0.1}^{\circ }\approx 0.9999985\\ \sin {0.1}^{\circ }\approx 0.00174\end{array}$ (5)

于是，可近似为

$\{\begin{array}{l}\cos {0.1}^{\circ }\approx 1\\ \sin {0.1}^{\circ }\approx 0\end{array}$ (6)

则计算误差非常小。从而可得，叠加电流的矢量坐标为

$I+I^{\prime }=\left(I_0\cos \theta +{I^{\prime }}_0,I_0\sin \theta \right)$ (7)

可见，注入电流只引起阻性电流变化，对容性电流几乎没有影响。且阻性电流的变化量只与注入电流I的大小有关。通过对比注入电流幅值和被检容性设备阻性电流测量结果即可对该设备进行阻性电流校验，当注入电流的变化范围包含被测设备的测量范围时，则可对被测设备阻性电流进行全范围校验。

2.2. 容性电流校验原理

当注入电流大小为I’，标准可控角度b₀ = 90˚时，那么注入电流矢量的坐标为

$I^{\prime }=\left({I^{\prime }}_0\cos \left(90+\beta \right),{I^{\prime }}_0\sin \left(90+\beta \right)\right)$ (8)

即

$I^{\prime }=\left(-{I^{\prime }}_0\sin \left(\beta \right),{I^{\prime }}_0\cos \left(\beta \right)\right)$ (9)

故注入电流的阻性电流分量为 $-{I^{\prime }}_0\cos \beta$ ，容性电流分量为 ${I^{\prime }}_0\sin \beta$ 。

根据矢量叠加原理，叠加电流的矢量坐标为

$I+I^{\prime }=\left(I_0\cos \theta -{I^{\prime }}_0\sin \left(\beta \right),I_0\sin \theta +{I^{\prime }}_0\cos \left(\beta \right)\right)$ (10)

同阻性电流校验原理，当b变化范围控制在0.1˚以内时，根据(6)式的近似，可得叠加电流的矢量坐标为

$I+I^{\prime }=\left(I_0\cos \theta ,I_0\sin \theta +{I^{\prime }}_0\right)$ (11)

可见，注入电流只引起容性电流变化，对阻性电流几乎没有影响。且容性电流的变化量只与注入电流I’的大小有关。通过对比注入电流大小和被检容性设备容性电流测量结果即可对该设备进行容性电流校验，当注入电流的变化范围包含被测设备的测量范围时，则可对被测设备容性电流进行全范围校验。

2.3. 全电流校验原理

当注入电流大小为I’，相位为a时，则注入电流与泄漏电流的矢量关系如图1所示。

Figure 1. A vector plot of the injected current and the linkage current

图1. 注入电流与泄漏电流的矢量关系图

根据矢量合成的平行四边形法则，则叠加电流I₁大小为

$I_1=\sqrt{I_0^2+{I^{\prime }}_0^2+2I_0{I^{\prime }}_0\cos \left(\theta -\alpha \right)}$ (12)

设泄漏电流与注入电流测相位差为b，则

$\beta =\theta -\alpha$ (13)

故

$I_1=\sqrt{I_0^2+{I^{\prime }}_0^2+2I_0{I^{\prime }}_0\cos \beta }$ (14)

当注入电流的相位能够跟踪泄漏电流的相位，并保证跟踪误差不超过0.1˚时，即当

$\beta \le {0.1}^{\circ },\cos \beta \approx 1$ (15)

时，叠加电流大小为

$I_1=I_0+{I^{\prime }}_0$ (16)

可见，泄漏电流大小的变化只与注入电流有关，且泄漏电流大小变化量与注入电流大小相等。通过对比注入电流大小和被检容性设备泄漏电流测量结果即可对该设备进行容性电流校验，当注入电流的变化范围包含被测设备的测量范围时，则可对被测设备全电流进行全范围校验。

3. 校验系统的总体设计

3.1. 系统构成

校验系统需要有两路输入信号，分别为电网电压经PT的输入的参考电压信号和容性设备泄漏电流经电流互感器输入的参考电流信号。全电流校验要求注入电流信号与泄漏电流信号相位差b不超过0.1˚。因此系统通过采集泄漏电流信号作为参考信号以控制注入电流输出的相位，实现对泄漏电流相位的精确跟踪。系统组成原理框图如图2所示。

3.2. 频率跟踪部件的设计

由前面分析可知，校验系统的核心部件是工频跟踪电流源。工频跟踪电流源由两大部分组成，一是锁相跟踪；二是电流源输出。锁相跟踪部分具体包括：电压取样、信号调理、锁相跟踪、分频器分频。电流源输出部分具体包括：DA基准信号输出、功率放大、电阻切换、电流输出。

1) 锁相跟踪

锁相跟踪部分关键目的是要获取与现场PT电压同频率同相位的信号，并能进行实时相位跟踪。首先，利用电压–电压变换器在PT二次侧进行电压取样。该电压进行波形变换、电平抬高等系列信

Figure 2. Schematic diagram of the system

图2. 系统组成原理框图

号调理后进入锁相环模块，实现相位频率实时跟踪。最后锁相输出高频信号由分频器分频，获得与现场PT电压同相位的方波数字信号。具体技术路线如图3所示。

Figure 3. Diagram of phase lock tracking

图3. 锁相跟踪技术框图

2) 电流源

锁相环输出信号经过分频器，输出工频方波信号，此信号作为D/A的时钟信号，控制D/A输出一个工频正弦波信号，这个工频信号作为电压基准信号，输入到电流源功放板上，功率放大后的信号再经标准电阻切换，获取不同档位的标准电流输出。具体技术路线如图4所示。

Figure 4. Diagram of the current output

图4. 电流源输出技术框图

下面介绍校验系统的实验室功能测试和现场应用。

4. 实验室功能测试和现场应用

为检验所设计的基于增量注入法的容性设备在线监测装置现场校验系统的准确度是否满足现场校验要求，需进行实验室内的系统准确度检验。同时，为了检验系统现场实际应用效果，需选择实际变电站现场对不同厂家容性在线装置进行现场校准实验。

4.1. 实验室校验

为了检验系统阻性电流和容性电流校验准确度，特设计如图5所示试验方案，该方案通过信号发生器模拟电网电压信号，该信号通过PT输入口直接输入系统，输出电流幅值及阻性或容性电流校验试验类型均可按需求设置，利用功率分析仪双通道分别跟踪信号发生器输出的模拟参考电压信号和系统输出电流信号波形，获取二者的相位差。同时，通过功率分析仪直接读取输出电流幅值，对比设定值与实测值差值，计算电流输出准确度。阻性电流校验及容性电流校验结果分别如表1和表2所示。

Figure 5. Diagram of accuracy tests of resistive current and capacitive current

图5. 阻性电流和容性电流校验准确度检验实验方案

Table 1. Test data of the resistive current

表1. 阻性电流检验准确度检验结果

Table 2. Test data of the capacitive current

表2. 容性电流检验准确度检验结果

为了检验系统全电流校验准确度，特设计如图6所示试验方案，该方案通过电流发生器模拟产生泄漏电流 ${I^{\prime }}_0$ ，通过系统自带高准确度电流互感器采集泄漏电流，设置输出I₁电流幅值，利用功率分析仪同时检测泄漏电流和输出电流波形，并读取输出电流幅值和输出电流相对输入电流的相位。全电流校验结果如表3所示。

Figure 6. Diagram of accuracy tests of full current

图6. 全电流校验准确度检验实验方案

Table 3. Test data of the full current

表3. 全电流检验准确度检验结果

通过表1~表3可以看出，系统输出电流误差不超过0.5%，相位误差不超过0.1˚，满足第1部分增量注入法及其校验原理中对角度近似的要求，故该系统准确度满足要求。

4.2. 现场校验

现场校验试验回路及接线图具体如图7所示。图中有2个完整的回路电流：一是现场实时避雷器泄漏电流I₀ (绿色线)；二是校验装置标准源输出单元输出1~50 mA高准确度标准校验电流I₁ (紫色线)。避雷器泄漏电流回路通过避雷器自身回路接地，现场本身存在，而标准校验电流回路均是校验系统人为搭建。为了降低现场电磁干扰，校验装置的地需与避雷器泄漏电流的地连接，以保证检验装置输出准确度稳定性。

Figure 7. The wiring connection and test loop of the field verification of the MOA online monitoring devices

图7. 避雷器泄漏电流在线监测装置现场试验回路及接线图

论文在湖北省某500 kV变电站进行了现场检验，某避雷器在线监测装置电流单元安装于B相，其电压监测单元取自某单元智能控制II号柜A相，现场试验图见图8。

(a) (b)

Figure 8. Field verification; (a) the platform of verification; (b) MOA linkage current transducer

图8. 现场校验图；(a) 校验平台搭建；(b) MOA在线监测传感器

设置校验装置电流输出单元，直接输出不同幅值的阻性电流，将其注入至避雷器在线监测取样传感器中，记录现场在线监测装置电流测量值，计算阻性电流增量相对误差，具体数据分析如表4所示。当标准源注入电流和电压相位相同时，注入电流值等于阻性电流；当标准源注入电流和电压呈一定相角时，注入电流值等于全电流。

Table 4. Increment analysis and data verification of the resistive current

表4. 阻性增量校验数据分析

由表4看出，在线监测装置对0~10 mA阻性电流注入响应，并且阻性电流增量相对误差控制在1.25%以内，满足5%准确度要求。

设置校验装置电流输出单元，输出与参比电压呈固定相位差86.5˚方向且幅值已知的全电流，将其注入至避雷器在线监测取样传感器中，记录现场在线监测装置电流测量值，计算电流增量相对误差，具体数据分析如表5所示。

Table 5. Increment analysis and data verification of the full current

表5. 全电流增量校验数据分析

由表5看出，在线监测装置对全电流注入响应，当全电流增量为−0.5 mA时，相对误差为5.26%，因此，可大致断定B相避雷器在线监测装置监测到的避雷器泄漏电流数据具备较高的可信度，准确性良好。

5. 结论

针对避雷器在线监测装置的现场校验问题，本文基于“增量注入法”校验理念提出了阻性电流、容性电流及全电流的校验原理，并研发了校验系统。实验室测试和现场实测表明系统输出电流误差不超过0.5%，相位误差不超过0.1˚，准确度满足现场校准准确度要求。论文研发的校验系统解决了现场需求输出电流与PT二次侧电压同频同相难的问题，为容性设备在线监测现场校准提供了便利。