黃 鋒

（國網(wǎng)山西省電力公司太原供電公司，山西 太原 030006）

21 世紀以來，我國居民日常生活與工作對電能的依賴性越來越強，為了保證電網(wǎng)穩(wěn)定供電并防止電氣設備受過電壓的影響出現(xiàn)運行故障，采用以下方法。由于氧化鋅避雷器具有良好的保護性能與通流能力，因此被廣泛應用于電網(wǎng)中。與其他電氣設備相似，氧化鋅避雷器在長期運行期間也會出現(xiàn)絕緣老化等故障，這些故障通常是由于避雷器在室外環(huán)境中運行，受溫度、濕度等因素的影響，導致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生一系列化學變化，造成絕緣性能下降。此時，避雷器的泄漏電流會不斷增大，導致熱損耗，進一步出現(xiàn)老化故障。一旦避雷器失效，將會導致后續(xù)電氣設備損壞，影響電網(wǎng)安全，給電力企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失。因此，對氧化鋅避雷器的泄漏電流進行檢測，對于保障電網(wǎng)穩(wěn)定運行具有重要意義。然后，由于泄漏電流信號非常微弱，且存在高次諧波等噪聲信號，現(xiàn)有的檢測方法很難在工頻狀態(tài)下精確測量泄漏電流。因此，需要研究氧化鋅避雷器泄漏電流在線檢測方法。

1 氧化鋅避雷器泄漏電流信號采集

氧化鋅避雷器在運行過程中，會因為受潮與老化情況導致電流泄漏，進而影響避雷器的絕緣性能[1]，該文設計一種氧化鋅避雷器泄漏電流在線檢測方法，旨在判斷避雷器的故障狀態(tài)。首先，需要采集氧化鋅避雷器泄漏電流信號。在采集過程中，主要采用非接觸式的互感器來采集電流信號，常見的電流互感器主要有霍爾式、磁調(diào)制式以及電磁式等類型。該文綜合考慮了氧化鋅避雷器泄漏電流的實際情況后，選擇了抗干擾能力較強、測量精度較高且響應速度較快的電磁式互感器，來采集避雷器泄漏電流信號。在確定了電磁式電流互感器作為信號采集部件后，進一步設計了采樣結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 電磁式互感器采集泄漏電流信號示意圖

電磁式電流互感器主要由鐵芯、繞組等組件構(gòu)成，如圖1 所示，在氧化鋅避雷器運行過程中，互感器輸出側(cè)就會出現(xiàn)感應電流[2]，該電流信號包括基波、諧波等分量，互感器輸出電流信號經(jīng)過信號調(diào)理模塊后由ADC 采樣電路進行采樣，獲取氧化鋅避雷器泄漏電流信號。

2 氧化鋅避雷器泄漏電流信號去噪

該文在利用電磁式互感器采集氧化鋅避雷器泄漏電流信號的過程中，發(fā)現(xiàn)采集的信號中還存在一些高次諧波等噪聲信號，影響了后續(xù)檢測結(jié)果的精確性，因此，對采集的泄漏電流信號進行去噪處理[3]。為解決氧化鋅避雷泄漏電流采集信號噪聲信號過多的問題，該文采用經(jīng)驗模態(tài)分解（EMD）結(jié)合SG 濾波的去噪方法，首先通過EMD 將原始采集泄漏電流信號分解為n個本征模態(tài)分量，如公式（1）所示。

式中：X（t）為待分解的避雷器泄漏電流信號；Fi（t）為泄漏電流信號的第i個本征模態(tài)分量；S（t）為剩余信號。

其次，對分解后的泄漏電流模態(tài)分量進行自相關(guān)檢測，從而找到包括噪聲信號的模態(tài)分量[4]，如公式（2）所示。

式中：fX（t1，t2）為避雷器泄漏電流信號在t1與t2時刻的相關(guān)性函數(shù)值；E為泄漏電流信號的能量。

最后，通過SG 濾波器對含噪聲的模態(tài)分量進行濾波去噪，再將濾波后的特征模態(tài)分量重構(gòu)，可以得到無噪聲干擾的氧化鋅避雷器泄漏電流信號。

3 氧化鋅避雷器泄漏電流信號檢測

3.1 氧化鋅避雷器泄漏電流檢測算法

鎖相放大算法是一種基于互相關(guān)原理和相敏技術(shù)的同步相干檢測方法，已經(jīng)廣泛應用于各領(lǐng)域。通過利用參考信號與待測信號的頻率相關(guān)性，將待測信號和參考信號進行互相關(guān)運算，從而有效地提取隱藏在噪聲信號中的待測信號。這種算法的獨特性和有效性使其成為許多應用場景中不可或缺的工具。在泄漏電流檢測中，使用鎖相放大算法來檢測微弱信號，該算法主要應用于強噪聲環(huán)境。首先，待測信號經(jīng)過放大器放大后，通過濾波器去除噪聲信號。其次，將處理過的信號輸入A/D 轉(zhuǎn)換器中，然后輸入鎖相放大算法中，進行進一步處理。鎖相放大算法的作用是高效地檢測微弱信號，并消除環(huán)境中的干擾噪聲。它不僅可以提高信號的靈敏度，還能抑制噪聲，可以更精確地測量泄漏電流水平。通過使用鎖相放大算法，可以有效地提升泄漏電流檢測的準確性和穩(wěn)定性，從而更好地保障電氣設備的運行安全。假設有兩路信號，分別為f1（t）=x1（x）+y1（t）和f2（t）=x2（x）+y2（t）。其中，x1（t）和x2（t）為周期正弦信號，而y1（t）和y2（t）為其他噪聲信號。對f1（t）和f2（t）進行互相關(guān)運算可得公式（3）。

式中：τ為兩路信號之間的時間延遲。

信號和噪聲是2 個互不相關(guān)的概念，噪聲與噪聲之間也是相互獨立的。因此，當信號x1（t）和x2（t）之間具有共同的特征時，通過長時間的互相關(guān)運算，可以消除噪聲的影響，使公式（3）中后三項表示的噪聲信號為零。這樣做的目的是為了達到消除噪聲的效果。以上為鎖相放大器的基本原理，假設帶有噪聲信號的待測信號為正弦信號sin（t）=Asin（2πf1t+φ1）+n1（t） 和與待測信號互相關(guān)的參考信號sref（t）=Bsin（2πf2t+φ2）+n2（t），以此來說明鎖相放大器消除噪聲信號的具體過程。將兩者相乘，結(jié)果如公式（4）所示。

對此結(jié)果通過低通濾波器將噪聲進行濾波后，得到其輸出，如公式（5）所示。

式中：nLPF（t）為殘留噪聲信號。

當參考信號和待測信號頻率相同并且低通濾波器的帶寬非常窄時，可以假設殘余噪聲接近于零，這說明所有的噪聲信號都從待測信號中被過濾掉了。因此，鎖相放大器的輸出與待測信號的振幅之間存在公式（6）。在這種情況下，可以視作鎖相放大器完全濾除了待測信號中的噪聲信號，只保留了純凈的信號，如公式（6）所示。

從公式（6）可以得出結(jié)論，當待測信號與參考信號處于相同相位時，最高精度的輸出將由鎖相放大器提供。傳統(tǒng)的鎖相放大器在計算過程中需要頻繁進行移相操作，以確保待測信號與參考信號達到相位一致，并保證測量結(jié)果的精確性。為了節(jié)省計算時間并避免冗長的移相操作，正交矢量型鎖相放大器被采用。其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 正交矢量型鎖相放大器

在模擬電路中，實現(xiàn)正交鎖相型鎖相放大器的移相過程是非常困難的。然而，在數(shù)字化平臺上卻可以相對容易地實現(xiàn)，并且計算時間更快，誤差也更小。此外，數(shù)字化平臺內(nèi)部可以通過大量乘法器集成硬件電路，而鎖相放大算法則需要進行大量乘法運算。因此，采用DSP 來實現(xiàn)鎖相放大算法不僅能提高精度、降低硬件成本，還能提高運算速度。

經(jīng)過互相關(guān)運算，待測信號與兩路正交參考信號在狹窄帶寬濾波器的作用下進行處理。假設這兩路信號的頻率完全相同且濾波器的帶寬足夠窄，可以近似認為殘留的噪聲信號趨近于零。兩路相關(guān)調(diào)節(jié)器的輸出分別為公式（7）和公式（8）。

通過對兩路輸出信號進行互相關(guān)運算，可以獲得一種與外部待測調(diào)制信號幅值成正比的輸出信號。該輸出信號可用公式（9）來表示。

鎖相放大器主要是通過以下3 步在強噪聲環(huán)境下提取信號的：1）為了避免被不同頻率的噪聲干擾，可以對低頻信號進行頻率遷移處理，然后將信號放大，以消除微弱信號對于檢測精度的影響。這樣做能提高信號的清晰度和準確性。2）通過利用相敏檢測技術(shù)的原理，可以在已知待測信號的頻率的情況下，選擇一個與待測信號頻率相同且沒有噪聲的信號作為參考信號。然后，將這個參考信號與含有噪聲的待測信號進行相關(guān)運算，從而得到所需的結(jié)果。此后，還可以對經(jīng)過調(diào)制的信號進行一系列處理，以獲得更準確的結(jié)果。3）最后，在這項研究中，采用帶通濾波器來消除寬帶噪聲，以獲得工頻下氧化鋅避雷器泄漏電流信號。與傳統(tǒng)的低通濾波器不同，帶通濾波器更適用于研究對象。選擇合適的濾波器帶寬對于提高測量結(jié)果的準確性至關(guān)重要。如果選擇的濾波器帶寬足夠窄，那么測量結(jié)果將更接近實際值。

當應用鎖相環(huán)放大器時，常常需要通過低通濾波器來濾除相敏輸出的頻率，從而只保留直流分量。由于只有在適當?shù)南辔粭l件下才能輸出最大幅度的信號，因此需要及時進行相位調(diào)整。整體來說，鎖相放大器適用于在高噪聲環(huán)境下檢測微弱信號，這與提取泄漏電流的問題是一致的?？紤]到測量精度和復雜程度兩方面的角度，鎖相放大器非常適合用于檢測氧化鋅避雷器的泄漏電流。

3.2 氧化鋅避雷器泄漏電流信號的檢測

氧化鋅避雷器的電阻片流經(jīng)電流就是泄漏電流，泄漏電流包括阻性與容性兩種類型，該文為實現(xiàn)氧化鋅避雷器總泄漏電流檢測，引入諧波分析法[5]，通過獲取電流信號中基波與諧波分量，來判斷避雷器絕緣故障狀態(tài)。如果電流較小，那么避雷器等效電路中電容變化較小，此時，總泄漏電流中的容性電流I1如公式（10）所示。

式中：m為電流中第m次諧波；ω為電流信號頻率；t為時間；?為諧波相角；M為電流諧波總次數(shù)。

已知避雷器容性泄漏電流和阻性泄漏電流在同次諧波下的相角差為π/2，那么可以根據(jù)公式（11）獲取避雷器總泄漏電流中的阻性電流I2，如公式（11）所示。

根據(jù)式（10）與式（11）可計算氧化鋅避雷器的總泄漏電流I3，如公式（12）所示。

一般來說，氧化鋅避雷器泄漏電流信號是關(guān)于時間的連續(xù)函數(shù)。因此，為了將模擬電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，該文引入傅里葉變換（FFT 分析）來獲取泄漏電流序列的數(shù)字量，假設原泄漏電流時間序列L3（t）長度為L，可以將其分解成長度為L/2 的序列I31（t）、I32（t），如果該文用F1（i）與F2（i）表示序列I31（t）、I32（t）的傅里葉變換值，那么傅里葉變換公式如公式（13）所示。

式中：F（i）為總泄漏電流序列的傅里葉變換值；e為指數(shù)函數(shù)。

在對氧化鋅避雷器泄漏電流信號進行采樣后，通過式（13）所示的FFT 對總泄漏電流做頻譜分析，得到電流信號中基波與諧波分量，如果避雷器受潮，泄漏電流的基波分量發(fā)生增長，那么諧波無明顯變化；如果避雷器老化，諧波分量會明顯增長，那么根據(jù)泄漏電流中基波與諧波分量即可判斷氧化鋅避雷器的工作狀態(tài)，因此，該文完成氧化鋅避雷器泄漏電流的在線檢測工作。

4 仿真試驗

4.1 試驗準備

為驗證該文設計檢測方法的有效性與合理性，該文根據(jù)氧化鋅避雷器泄漏電流各頻率成分的特點進行仿真試驗，從而對設計方法進行試驗。首先，在某變電站內(nèi)采集氧化鋅避雷器檢測數(shù)據(jù)，如圖3 所示。

圖3 避雷器檢測數(shù)據(jù)采集示意圖

按照圖2 所示進行檢測儀器的布置，當避雷器泄漏電流為80.1Hz、采樣頻率為2400Hz、頻譜分析點數(shù)為156 時，獲取氧化鋅避雷器設定泄漏電流的參數(shù)真實值，見表1。

表1 避雷器泄漏電流參數(shù)真實值

表1 中測試數(shù)據(jù)是在該氧化鋅避雷器投運后第一次帶電測試下獲取，該文以給定信號形式的泄漏電流為試驗數(shù)據(jù)，并在添加噪聲信號的情況下，進行避雷器泄漏電流檢測試驗。

4.2 結(jié)果分析

在本次試驗中，以該文設計的諧波分析檢測法為試驗組，選擇西林電橋檢測法與容性電流補償檢測法為對照組，一起對上述給定信號形式的避雷器泄漏電流進行檢測。同時，為避免加噪情況下檢測結(jié)果的偶然性，該文進行100 次的檢測試驗，并求取檢測數(shù)據(jù)的平均值作為試驗結(jié)果，見表2。

表2 避雷器泄漏電流檢測結(jié)果

從表2 中可以看出，在氧化鋅避雷器泄漏電流中存在噪聲信號的情況下，該文設計檢測方法中泄漏電流信號的幅值、頻率及相位的分析精度均高于對照組方法。其中，泄漏電流信號幅值檢測結(jié)果與真實數(shù)據(jù)之間的偏差為0.020mA，與對照組方法相比降低了0.022mA、0.009mA，頻率檢測結(jié)果的偏差為0.058Hz，與對照組方法相比降低了0.104Hz、0.083Hz，相位檢測結(jié)果的偏差為0.049°，與對照組方法相比降低了0.134°、0.130°。由此說明，該文基于諧波分析設計的泄漏電流在線檢測方法是有效的，且準確率較高。

5 結(jié)語

氧化鋅避雷器是我國電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中重要的保護設備，可以避免電氣設備被過電壓影響發(fā)生故障，該文針對氧化鋅避雷器在長期運行過程中發(fā)生的老化問題設計一種泄漏電流在線檢測方法，通過互感器采集流經(jīng)避雷器的電流信號，并對電流信號做FFT 頻譜分析，從而獲取信號中基波與諧波分量，完成泄漏電流檢測，最后，該文通過仿真試驗對設計檢測方法的有效性與精確性進行驗證，可以運用于實際的氧化鋅避雷器泄漏電流帶電檢測中。