CN100371722C - 三相避雷器早期故障在线监测装置 - Google Patents

Abstract

一种三相避雷器早期故障在线监测方法，主要是充分利用同一组高压电网的三相对称电压的相位互成120°和幅值基本相同，流过同一组的三个正常避雷器的持续电流的幅值也基本相等且相位也互成120°的性质，采取将三相避雷器的持续电流叠加在一起可使三相持续电流的矢量和接近或等于零的方法测量其矢量和，其装置是用高灵敏度的矢量和增量表测量三相持续电流的矢量和并根据矢量和增量表的增加值即可迅速判断该组避雷器是否有故障。具有构思巧妙、结构简单合理、生产成本低、安装使用方便、实用性强、可迅速判断同一组避雷器是否有早期故障等优点，适合在高压电网中与三相避雷器配套使用。

Description

三相避雷器早期故障在线监测装置

技术领域

本发明涉及一种对三相避雷器的性能进行监测特别是对早期故障进行在线监测的装置，属于电力设备的保护领域。

背景技术

避雷器是高压交流电力系统中用于限制过电压和保护电力设备安全的重要设备，由于避雷器直接连接在高压线与大地之间，其自身的性能直接关系到电力系统的安全，如不能及时发现性能变差的避雷器而及时更换，将会发生爆炸等重大事故，造成大面积停电，对国民经济有直接影响。

目前用于高压电网的避雷器绝大多数是阀型避雷器，而阀型避雷器中又以无间隙金属氧化物避雷器(以下简称MOA避雷器或避雷器)居多。MOA避雷器中的主要工作元件是以氧化锌为主要原料，采用高温烧结而成的非线性电阻片。根据电网额定电压中性点接地方式和设备绝缘配合及电阻片的非线性特性，选用一定数量的氧化锌电阻片串联组装在绝缘套筒内(一般采用瓷绝缘套或复合绝缘套)，并将绝缘套筒加以密封成为完整的避雷器。避雷器在运行中是否会损坏，绝缘套筒有完好的密封非常重要，密封一旦破坏，空气中湿气就会进入绝缘套内，在高压电场作用下，形成导电通道，逐渐发展到最后造成闪络而爆炸。此外，氧化锌电阻片长期直接承受着运行电压，运行过程中又会承受各种过电压及冲击电流的作用，一些质量较差的电阻片会逐渐老化变质，最终使电阻片被击穿引起短路通道而爆炸，造成重大事故。这是运行中避雷器最常见的两种故障原因。如何在众多的运行中的避雷器中，在避雷器故障尚未形成恶性事故之前，及时发现有隐患的避雷器是避免故障扩大成事故的关键，这就是将早期避雷器直接接地改进为串接有目前普遍使用在线监测器监测避雷器在运行电压下流过的持续电流的原因。如ZL99229282.4号专利公开的避雷器多功能在线监测器，具有结构合理、性能稳定可靠、既能记录遭到雷击的次数、又能分别检测瓷套的污秽程度和避雷器持续电流等优点，现已普遍使用在电力系统的避雷器上。但由于MOA避雷器的等效电路是由电容和电阻并联而成，其等效的电容值由电阻片材料的介电系数及尺寸大小所决定，等效的电阻值由电阻片的材料的半导体性能及绝缘套内壁绝缘材料的绝缘电阻所决定，当避雷器出现早期故障，主要表现在等效电阻变小，即阻性电流增大，容性电流变化不大。其漏电电流即持续电流I等于容性电流Ic与阻性电流I_R的矢量和，阻性电流的基波与容性电流基波在相位上相差90°。正常避雷器的持续电流中的容性电流约占80-90％，而阻性电流只占10-20％，由此可知，当避雷器出现早期故障阻性电流增大时，容性电流占主要成份的持续电流变化很小，而早期故障主要表现在阻性电流I_R明显增大，但即使I_R增大一倍，其总持续电流才增加约百分之几。如设某一避雷器的正常持续电流中的容性电流I为1mA，其中阻性电流I_R为0.15mA，此时正常的持续电流 $I_1=\sqrt{1^2+{0.15}^2}=1.011187421\mathrm{mA}.$ 当氧化锌电阻片老化变质使阻性电流增加一倍达0.3mA时，此时的持续电流 $I_2=\sqrt{1^2+{0.3}^2}=1.04403065.\mathrm{mA}.$ 增加约0.033177579mA，电流表针的位移仅增加3.281％。由此可见，阻性电流虽然已经明显增加，但因它在持续电流中对总的电流影响不大，加上运行电压允许有一些波动，相应电流也就有一些波动，持续电流表针就有一些晃动，使阻性电流的早期变化很难从持续电流表上识别，故单纯用监测持续电流的变化来判断避雷器早期故障是十分困难的。故运行部门还是需要定期停电测试或临时用电子仪器测量阻性电流，既费时又费力，对早期故障仍然不能及时发现。为了能监测并及时发现避雷器的早期故障，就要将阻性电流从持续电流中分解出来，才能发现避雷器阻性电流的早期变化。目前分解持续电流中阻性电流的方法，都需要同时知道作用在避雷器上电压的方向，因此，一般带电测量避雷器阻性电流的仪器都要输入运行中电压互感器的相电压。这种方法虽然可以获得避雷器持续电流中的阻性电流，但是需要用复杂的电子仪器才能测量，如92100528.8号专利公开的无间隙金属氧化物避雷器阻性电流基波的测量方法和装置，需要用钳形电流互感器和电压互感器分别测出的电流信号和电压信号经过放大送到单片机的A/D转换器进行一周期的模数转换并进行付立叶级数展开，再经计算程序对采样到的电压、电流信号进行付立叶变换，再按设定程度进行多次计算才能算出阻性电流。其结构复杂、成本高、使用很不方便，往往需要花1个多小时才能测量一组避雷器，只能用于临时测量，不能用于长期连续监测。又如02264187.4号专利公开的带电测量三相避雷器阻性电流的装置，直接从串接在三个避雷器底部的雷击计数器或在线监测器上分别取出采样信号，避免了使用钳形电流互感器和电压互感器选取采样信号的不足之处，但仍需要使用单片机对采样信号分别进行分析和计算处理，其结构仍然相当复杂，生产成本高，主要也是用于临时测量。综上所述，对于通过检测无间隙金属氧化物避雷器的阻性电流是公认的诊断其早期故障的有效方法，但由于都局限在对避雷器的阻性电流进行分别检测的思路上，其结构复杂，成本高，难以在避雷器上普遍安装，所以，到目前为止，国内外都还没有实用性强、结构简单、便于安装使用和推广普及的早期故障在线监测装置。

发明内容

本发明的目的是为了解决避雷器早期故障难以被及时发现的问题，提出一种构思巧妙、可迅速判断同一组三相避雷器中是否有早期故障的三相避雷器早期故障在线监测方法。

本发明的另一个目的是根据上述方法提供一种结构简单合理、生产成本低、安装使用方便、对同一组三相避雷器中是否有早期故障的避雷器进行在线实时监测的高灵敏度的三相避雷器早期故障在线监测装置。

本发明的再一个目的是在上述在线监测装置的基础上，为电力系统提供一种能自动发出避雷器早期故障报警信号的三相避雷器早期故障在线监测装置。

本发明的三相避雷器早期故障在线监测方法，主要是充分利用同一组高压电网的三相对称电压的相位互成120°和幅值基本相同，流过同一组的三个正常避雷器的持续电流的幅值也基本相等且相位也互成120°的性质，采取将三相避雷器的持续电流叠加在一起可使三相持续电流的矢量和接近或等于零的方法，用高灵敏度的矢量和增量表测量三相持续电流的矢量和并根据矢量和增量表的增加量即可迅速判断该组避雷器是否有故障。

根据上述方法设计的三相避雷器早期故障在线监测装置，其结构是在现有的分别连接在三相高压电网与地线之间的三个避雷器的基础上，或在现有的分别连接在三相高压电网与地线之间的三个避雷器和与其串联的普通监测器的基础上，增设有用于判断避雷器早期故障的一个高灵敏度的矢量和增量表，所述矢量和增量表的两端连接在三个避雷器持续电流的叠加点与地线之间测量三个避雷器持续电流的矢量和的增加值。

上述高灵敏度的矢量和增量表主要由整流器、滤波电容、稳压二极管及微安表组成，所述整流器的输入端为矢量和增量表的两端，整流器输出端的正、负极分别与滤波电容和微安表的正、负极连接，稳压二极管反向并联在微安表的正、负极上。

本发明的再一个目的是为电力系统提供一种能主动发出避雷器早期故障报警信号的三相避雷器早期故障在线监测装置。其结构是在上述三相避雷器早期故障在线监测装置的基础上，增设由摇控开关、编码无线发射器和编码无线接收器组成的自动报警装置即可实现，所述摇控开关装在微安表内并由微安表指针控制，编码无线发射器的工作电源由摇控开关控制，编码无线接收器装在变电站的主机中，主机则根据设定程序在排除电网允许的短时间的三相电压不对称的因素后，确认是避雷器出现的早期故障后经报警装置即时发出音响报警和/或自动拨号接通有关电话向主管部门报警。

本发明能够用最简单最方便的方法和装置解决了电力系统长期难以解决的避雷器早期故障在线监测的难题，其关键在于跳出了传统的局限于在单个避雷器的持续电流中分解出阻性电流而使设备复杂化的框框，将同一组的三相避雷器统盘考虑，找出了阻性电流中的增加值才是判断避雷器早期故障的重要依据，充分利用同一组高压电网的三相对称电压的相位互成120°和幅值基本相同，流过同一组的三个正常避雷器的持续电流的幅值也基本相等且相位也互成120°的性质，采取将三相避雷器的持续电流叠加在一起可使三相持续电流的矢量和接近或等于零的方法，用一个高灵敏度的电流表即可测出矢量和的变量，而该变量只会增加不会减小，故可称为矢量和增量表，该矢量和增量表选用微安表如30或50或100微安，比现有的分别测量各相持续电流的毫安表的灵敏度高数十倍，该表对于持续电流中任一相或两相阻性电流的变化或三相阻性电流不同程度的变化或三相阻性电流的三次谐波的变化或其组合变化均能明显反映出来。所以能用设备最简单的微安表即可迅速准确的监测出运行中的该组避雷器的性能，在排除电网允许的短时间的三相电压不对称的因素后，对矢量和增量表数值长时间明显增大的三相避雷器的电网进行停电检查维修，即可有效避免发生重大事故。由于矢量和增量表能综合反映避雷器的情况，所以，只要在上述装置的基础上再增设编码无线报警器即可为发电站或无人值守变电站提供自动报警的装置。本发明的装置具有构思巧妙、结构简单合理、生产成本低、安装使用方便、实用性强和便于推广普及等优点，可在线监测同一组三相避雷器中是否有产生早期故障现象的避雷器，适合在高压电网中与三相避雷器配套使用。

附图说明

附图1-4是本发明中具有代表性的几种实施例的结构示意图；

附图5是矢量和增量表的结构示意图；

附图6是无线报警装置结构示意图。

具体实施方式

参见附图1-3，图中的A、B、C是电网的三相高压线，1、2、3是三个避雷器，4是地线，5是矢量和增量表，6、7、8是雷击通流元件，9、10、11是普通监测器，12、13、14是普通监测器中的持续电流表，15、16、17是隔离变压器。

对于仅在三相高压电网A、B、C与地线4之间分别连接三个避雷器1、2、3的电网中，用于判断避雷器早期故障的一个高灵敏度的矢量和增量表5的两端串接在三个避雷器1、2、3的底座与地线4之间，为了给雷击电流提供通路，可在三避雷器1、2、3的底座与地线4之间接有雷击通流元件6，具体电路参见附图1。

对于已经在三相高压电网A、B、C与地线4之间分别连接三个避雷器1、2、3和与其串联的普通监测器9、10、11的电网中，用于判断避雷器早期故障的一个高灵敏度的矢量和增量表5的两端连接在三个普通监测器9、10、11的持续电流表12、13、14与地线4之间，由于现有普通监测器9、10、11内都装有为了给雷击电流提供通路的雷击通流元件6、7、8，所以就可不再加装。具体电路参见附图2。

还可在矢量和增量表5与避雷器1、2、3之间增设有隔离变压器15、16、17，所述三个隔离变压器15、16、17的初级线圈分别连接在三个避雷器1、2、3与地线4之间，矢量和增量表5改为二端与三个隔离变压器15、16、17的次级线圈连接(参见附图3)或一端与三个次级线圈的一端连接，另一端经三个持续电流表分别与三个次级线圈的另一端连接，参见附图4。

图5是矢量和增量表的一种结构示意图，图中的51是整流器，52是滤波电容，53是稳压二极管，54是微安表，所述整流器51的输入端为矢量和增量表的两端，整流器51输出端的正、负极分别与滤波电容52和微安表54的正、负极连接，稳压二极管53反向并联在微安表54的正、负极上。所述微安表54可根据电网电压高低选用100微安或50微安或30微安等高灵敏度的直流微安表，稳压二极管可确保微安表的安全。

图6为无人值守变电站设计的自动报警的装置，其结构可以在上述三相避雷器早期故障在线监测装置的基础上，增设由摇控开关61、编码无线发射器64和编码无线接收器65组成的自动报警装置即可实现，所述摇控开关61装在矢量和增量表5内并由微安表指针控制，当指针转到满刻度值或设定位置时接通摇控开关61，编码无线发射器64的工作电源62由摇控开关61通过电子开关63控制，摇控开关61被接通时，编码无线发射器因工作电源被接通而发出无线编码信号，指示某组避雷器有问题。编码无线接收器65装在变电站的主机66中，主机66则根据设定程序在排除电网允许的短时间的三相电压不对称的因素后，确认是避雷器出现的早期故障后经报警装置67即时发出音响报警和/或自动拨号接通有关电话向主管部门报警。

本发明装置在避雷器性能正常时，三相持续电流在汇集处的d点的矢量和对地线之间的电压基本为零，所以，连接在d点与地之间的矢量和增量表5的指针指示为零，当持续电流中任一相或两相阻性电流的变化或三相阻性电流不同程度的变化或三相阻性电流的三次谐波的变化或其组合变化均能使该点的矢量和发生变化，这些变化都能使接在该点与地之间的矢量和增量表5的数值增加，由于该表5的满刻度值选用30-100微安，灵敏度很高，对于微小的变化都能明显反映出来。以某一组三相避雷器的实测数据为例作进一步描述如下；该组避雷器的三相持续电流(mA，有效值)分别为：Ia＝0.630∠0°、Ib＝0.647∠-120°、Ic＝0.620∠120°，三相持续电流中的阻性电流有效值分别为：IaR＝0.108mA、IbR＝0.107mA、IcR＝0.112mA，用余弦定律可以算出三相持续电流的矢量和电流∑1＝24μA，当阻性电流IaR或IbR或IcR增大50％即增加值为50μA时，持续电流表(毫安表)Ia或Ib或Ic只增大1.5％左右，而矢量和增量表(微安表)会从24μA增大到40-60μA(不同相的阻性电流的增加量不相同)，增加的百分比达70-150％，与持续电流表的增加量比较，其灵敏度提高数十倍甚至百倍。这样高的灵敏度，阻性电流只要有10％以上的增加，矢量和增量表都会有明显的反映，观察非常方便，完全能够满足在线监测避雷器早期故障的需要，用最简单的方法和装置解决了一直难以解决的问题。还可方便的为电力系统提供一种能自动发出避雷器早期故障的报警信号。在排除电网允许的短时间的三相电压不对称的因素后，对矢量和增量表5的数值长时间明显增大的三相避雷器的电网进行停电检查维修，即可方便的找出具体的早期故障避雷器进行修理或更换，对确保电网安全将起很大作用，能有效避免发生重大事故，适合在高压电网中与三相避雷器配套使用。

Claims (3)

1.一种三相避雷器早期故障在线监测装置，包括分别连接在三相高压电网与地线之间的三个避雷器，或包括分别连接在三相高压电网与地线之间的三个避雷器和与其串联的普通监测器，其特征在于增设有用于判断避雷器早期故障的一个高灵敏度的矢量和增量表，所述矢量和增量表的两端连接在三个避雷器持续电流的叠加点与地线之间，所述装置主要是充分利用同一组高压电网的三相对称电压的相位互成120°和幅值基本相同，流过同一组的三个正常避雷器的持续电流的幅值也基本相等且相位也互成120°的性质，采取将三相避雷器的持续电流叠加在一起使三相持续电流的矢量和接近或等于零的方法，用高灵敏度的矢量和增量表测量三相持续电流的矢量和并根据矢量和增量表的增加量即可迅速判断该组避雷器是否有故障。

2.如权利要求1所述的三相避雷器早期故障在线监测装置，其特征在于所述高灵敏度的矢量和增量表主要由整流器、滤波电容、稳压二极管及微安表组成，所述整流器的输入端为矢量和增量表的两端，整流器输出端的正、负极分别与滤波电容和微安表的正、负极连接，稳压二极管反向并联在微安表的正、负极上。

3.如权利要求2所述的三相避雷器早期故障在线监测装置，其特征在于还包括主要由摇控开关、编码无线发射器和编码无线接收器组成的无人值守变电站的自动报警装置，所述摇控开关装在微安表内并由微安表指针控制，编码无线发射器的工作电源由摇控开关控制，编码无线接收器装在变电站的主机中，主机则根据设定程序在排除电网允许的短时间的三相电压不对称的因素后，确认是避雷器出现的早期故障后经报警装置即时发出音响报警和/或自动拨号接通有关电话向主管部门报警。

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