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
2、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。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
3、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。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
4、关研究。日本学者 H.Kiadou 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
5、电流法） 、容性电流补偿法、阻性电流基波法等。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
6、漏电流法总泄漏电流法已在实际运行中已被广泛采用，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
7、性电流之间的比例关系也会发生变化，所以三次谐波法并不理想。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
8、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
9、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。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
10、谐波法以挪威NationalGril 公司的 LCM 型泄漏电流测试仪为代表，容性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
11、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、I 3、I 5、I 7 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
12、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
13、。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 IR
14、3 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
15、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(FF
16、T)，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，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
17、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次谐波电流的增加。（二）仪器组成目前用于避雷器阻性电流测试的仪器主要分为两类，一类为同时需要用运行相电压的桥式补偿电路或类似的电子仪器，另一类为不需用运行电压，采用三次谐波电流原理制成的仪器。由于目前避雷器泄漏电流带电检测仪器厂家普遍采用测取电压信号的测试方法，本节基于波形分析法对泄漏电流检测仪组成及基本原理进行简要说明。1.测量原理全电流波形和参考电压波形经过 AD 转换器转换为数字化波形，CPU 对数字
18、化波形进行 FFT 变换（快速傅里叶变换 )，获得参考电压和全电流的各次谐波的幅值和相角，然后分别对各次谐波计算容性和阻性分量，所有阻性分量谐波还可以重新合成阻性电流波形，供计算峰值或有效值。波形或数据可以在 LCD 显示器上显示出来，也能存储打印或者通过通讯接口传输。通过数据或波形进而对氧化锌避雷器的性能做出判断。2.仪器组成除了 AD 转换器和 CPU 等数字处理电路，不同的仪器可能有不同的配置。例如全电流或参考电压是一个通道还是三个通道，参考电压采用有线传输还是无线传输，采用数字传输还是模拟传输，传输全电流波形还是参考电压波形，电流采样使用夹子还是钳形 CT，是否支持其它参考信号（如感应
19、板、检修电源或者其它泄漏电流）等。以某国产泄漏电流检测仪为例：仪器由主机、三相电流测试线线、三相电压隔离器、电压测试线等部件组成。仪器可以同时测量三相避雷器，能够补偿相间干扰，可以用单相或三相参考电压，支持感应板或检修电源做参考。电压隔离器采用无线数字传输，测量精度不受传输过程的影响。又如另一型号的泄漏电流检测仪则采用了发射三相电流的设计，特别是增加了容性设备末屏电流参考方式，使用起来比从 PT 端子箱取参考电压的方式更加安全。3.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信号。由于避雷器下端通常接有带泄漏电流表的计数器，可通过测试线将其短接，并通过仪器内部的高精度电流传感器获
20、得电流信号。有极少数的低阻计数器，其两端电压只有几十 mV，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。4.电压取样方式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。0.5 级 PT 角差为 20（0.33） 。从 MOA 评价来看， 12 的误差可以接受，而仪器自身的角度误差通常可以控制在 0.1以内，因此 PT 自身误差可以忽略。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
21、为虚拟参考电压，再通过相角补偿求出参考电压。需要注意的是系统电压互感器端子箱是 Y/-11 接线方式，检修箱内检修电源是/Y-11 接线方式，二者存在一定角差，因此为获取准确的测量结果需通过 PT 二次电压和检修电源的角差，方可执行。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。其基本原理如下：在电场 E 中，面积 S 的感应板上会聚集电荷 q= 0Se， 0=8.85410-12F/m 为真空介电常数。交流电场中 e =Esin(2Ft) ，感应电流 SFEdtqi )2cos(0因此，感应电流有效值 I=2 F 0E
22、S，相位超前 E 90，而 E=V/d 与母线电压成正比，与感应板到母线的距离成反比，与母线电压同相。如采用的感应板面积 S=0.01m2，在 100kV/m电场下，基波 50Hz 感应电流为 2.8uA。由于感应板同时接收 ABC 电场。只有将感应板放到 B 相下面，且与 AC 相严格对称的位置上，AC 相电场才会抵消，只感应到 B 相母线电压。如果放到 AC 相下面都不会正确感应 AC 相母线电压。由于感应板对位置比较敏感，该种测试方法受外界电场影响较大，如测试主变侧避雷器或仪器上方具有横拉母线时，测量结果误差较大。现场测试中不推荐采用此方法。4）容性设备末屏电流：使用容性设备末屏电流做参
23、考可以提供很好的精度。容性设备自身的介损很小，tg=0.2%对应的角度误差只有 0.1，对 MOA 来讲相当于标准电容。虽然容性设备也存在相间干扰，但其电流数值高于 MOA 几十倍以上，相间干扰也只有 MOA的几十分之一，可以忽略。（三）泄漏电流测试仪技术指标1.环境适应能力 环境温度：-10+55； 环境相对湿度：0%85%； 大气压力：80kPa110kPa。2.性能要求避雷器泄漏电流带电测试仪器的性能指标需满足表-1要求。表4-1 相对介质损耗因数和电容量比值带电测试系统性能指标检测参数 测量范围 测量误差要求全电流 100A-50mA （标准读数5%+5A ）阻性电流 100A-10m
24、A （标准读数5%+5A ）第三节 泄漏电流检测及诊断方法一、检测方法（一）现场测试应满足的要求1人员要求（1） 熟悉泄漏电流带电测试的基本原理、诊断程序和缺陷定性的方法，了解泄漏电流带电检测仪器的工作原理、技术参数和性能，掌握带电检测仪的操作程序和使用方法；（2） 了解各类避雷器设备的结构特点、工作原理、运行状况和设备故障分析的基本知识；（3） 接受过泄漏电流带电测试的培训，具备现场测试能力；（4） 具有一定的现场工作经验，熟悉并能严格遵守电力生产和工作现场的相关安全管理规定。（5） 带电检测过程中应设专人监护。监护人应由有带电检测经验的人员担任，拆装取样单元接口时，一人操作，一人监护。对复
25、杂的带电检测或在相距较远的几个位置进行工作时，应在工作负责人指挥下，在每一个工作位置分别设专人监护。带电测试人员在工作中应思想集中，服从指挥。2安全要求（1） 应严格执行国家电网安监2009664 号国家电网公司电力安全工作规程（变电部分）试行的相关要求；带电检测过程中，按照安规要求应与带电设备保持足够的安全距离。（2） 应有专人监护，监护人在检测期间应始终行使监护职责，不得擅离岗位或兼职其他工作；（3） 从电压互感器获取二次电压信号时应防止短路。应尽量使用专用测量端子，无专用测量端子的第一次测试应由保护专业人员配合进行，并做好标记。（4） 带电检测测试专用线在使用过程中，严禁强力生拉硬拽或摆
26、甩测试线，防止误碰带电设备。3、检测条件要求（1） 雨、雪、大雾等恶劣天气条件下避免户外检测，雷电时严禁带电测试；（2） 环境温度一般不低于 5，相对湿度一般不大于 80%；（3） 现场测试时应注意相邻间隔对测试结果的影响，记录被试设备或相邻间隔、母线带电与否。（二）现场带电检测流程及注意事项1工作前准备（1）工作前应办理变电站第二种工作票，并编写避雷器泄漏电流带电检测作业指导书、现场安全控制卡和工序质量卡；（2）试验前应详细掌握被试设备和参考设备历次停电试验和带电检测数据、历史缺陷、家族性缺陷、不良工况等状态信息；（3）准备现场工作所使用的工器具和仪器仪表，必要时需要对带电检测仪器进行充电。
27、2测试前准备（1） 带电检测应在天气良好条件下进行，确认空气相对温度应不大于 80%。环境温度不低于 5，否则应停止工作；（2） 选择合适的参考设备，并备有参考设备、被测设备的停电例行试验记录和带电检测试验记录；（3） 核对被试设备运行编号、相位，查看并记录设备铭牌；3接线与测试以常规需测取避雷器运行电压信号的泄漏电流带电监测仪器为例进行说明。（1）首先将仪器可靠接地；（2）确认仪器电量是否充足，必要时准备电源充电；（3）测取全电流，首先将信号线与仪器连接，取信号端先接接地端，再接避雷器引下线，并观察泄漏电流表指针是否归零。如果没有安装泄漏电流在线监测表计，需要加装临时接地线，进行取电流信号；
28、（4）取参考电压信号，单相参考电压接隔离器 B 通道，三相对应接 A、B、C，接线前测量信号线是否完好，避免二次端子短路（补偿法、基波法需要取参考电压信号，三次谐波法不需要取参考电压信号） ； A运行母线电压信号电流信号测试仪金属氧化物避雷器全电流法补A运行母线C V T电压信号电流信号测试仪电容式电压互感器金属氧化物避雷器偿法、基波法及波形分析法运行母线金属氧化物避雷器动作计数器电流互感器三次谐波电流型测试仪匹配器零序法测试接线运行母线电场信号电流信号测试仪金属氧化物避雷器电流探头绝缘支撑杆电场探头I PI tA阻性电流三次谐波法测试接线（5）仪器设置：设置试验设备、试验参数、电压选取方式、
29、电压互感器变比等参数。（6）测试并记录数据。记录全电流，阻性电流基波峰值，阻性电流三次谐波平均值，运行电压数据，相邻间隔设备运行情况；并应注意瓷套表面状况的影响及相间干扰对测试结果的影响。（7）测试完毕，现将仪器关闭，拆除试验线时，先拆信号侧，再拆接地端，最后拆除仪器接地线。4.注意事项（1）测试期间仪器必须可靠接地。（2）取全电流 IX时，计数器电流表指针要回零。带泄漏电流表的计数器，连接仪器后，电流表指针应该回零，说明电流完全进入仪器。有些计数器与在线电流表是分离的,电流表在上计数器在下,只将计数器短掉出现数据不正常,应将电流表和计数器一起短掉才可以。如果怀疑总电流过小，应该用万用表测量一下计数器两端电压，很低的就是低阻计数器。低阻计数器需用高精度钳形电流传感器采样。（3）测取 PT 电压信号时，在接端子箱时，一定要看清要夹的部位。并且夹子一定要加实。端子箱门要固定。要有专人看守端子箱。
