一种基于伏安特性曲线分析的避雷器健康状态判定方法与流程

本发明涉及电力系统安全控制技术，具体涉及一种基于伏安特性曲线分析的避雷器健康状态判定方法。

背景技术

金属氧化物避雷器(metaloxidesurgearrester,moa)具有保护性好、通流容量大和结构简单等特点，在电力系统中得到广泛应用。

由于moa在正常运行条件下承受着系统电压的作用，因而长期有较小的阻性泄漏电流分量流过氧化锌阀片(简称mov)，引起mov的发热和劣化，使得阻性电流，进一步加重mov劣化。一旦mov劣化到一定程度，发热能力超过散热能力时，就会发生热崩溃，导致moa事故发生。以往的实验研究结果表明，moa事故的发生都是一个渐变过程，mov的交流伏安特性曲线可以较好的反映其劣化的程度。为了实时了解避雷器的健康状况，急需对伏安特性曲线进行分析。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于伏安特性曲线分析的避雷器健康状态判定方法，定量描绘伏安特性曲线的变化情况，进而判断避雷器是处于老化还是受潮等状态。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于伏安特性曲线分析的避雷器健康状态判定方法，包括如下步骤：

步骤1、进行老化和受潮试验，采集电网电压和对应的泄漏电流，绘制老化和受潮情况下moa的伏安特性曲线；

步骤2、对老化和受潮情况下的伏安特性曲线进行傅里叶描绘子的边缘分析，构建老化和受潮情况下的傅里叶描绘子数据表；

步骤3、采集待测避雷器的电网电压和对应的泄漏电流，绘制待测moa的伏安特性曲线；

步骤4、对待测的伏安特性曲线进行傅里叶描绘子的边缘分析，确定待测情况的傅里叶描绘子数据表；

步骤5、对比待测情况的傅里叶描绘子数据表与老化和受潮情况下的傅里叶描绘子数据表，判断避雷器的健康状况。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明从伏安特性曲线的角度出发，定量描绘伏安特性曲线的变化情况，进而判断避雷器是处于老化还是受潮等状态，有利于避雷器的维护与更换；2)本发明方法需要的测量数据量少，减少了硬件误差的引入，提高了判断的准确度。

附图说明

图1是不同相位差引起的伏安特性曲线图，其中(a)～(e)是相位角为0°、5°、10°、15°、20°时的伏安特性曲线图。

图2为不同电流峰值引起的伏安特性曲线图，其中(a)～(d)是电流峰值为0.001a、0.0014a、0.0018a、0.002a时的伏安特性曲线图。

图3为本发明避雷器健康状态判定方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明的原理和方案。

一种基于伏安特性曲线分析的避雷器健康状态判定方法，包括如下步骤：

步骤1、进行老化和受潮试验，采集电网电压u和对应的泄漏电流i，将电压u作为横坐标，电流i作为纵坐标，绘制老化和受潮情况下moa的伏安特性曲线。

步骤2、对老化和受潮情况下的伏安特性曲线进行傅里叶描绘子的边缘分析，构建老化和受潮情况下的傅里叶描绘子数据表。

傅里叶描绘子的边缘分析方法为：首先，将伏安特性曲线上的电流电压坐标序列当作一个复数来处理，即

s(k)＝u(k)+ji(k),k＝0,1,2…,k-1

其中，u(k)为第k次采样的电压值，i(k)为第k次采样的电流值，k为单周期采样的个数，电压与电流为同步采样得到，s(k)为根据第k次采样的电压与电流得到的复数值。

然后，利用离散傅里叶变换(dft)将上述s(k)分解为多个正弦函数的和，即

其中，a(u)被称为傅里叶描绘子。

利用这些系数进行傅里叶反变换可以恢复s(k)。也就是说，有下式：

然而在实际使用中，我们仅使用前p个傅里叶系数进行傅里叶反变换，而不使用所有系数，因此s(k)可以近似为：

通过上式可以看出，尽管求的每个成分时仅使用了p项，但k的范围仍是从0到k-1。

根据描绘子的定义，描绘子应尽可能对平移，旋转和尺度变换不敏感，但是傅里叶描绘子的处理结果将取决于点被处理的顺序，因此在进行傅里叶描绘子运算之前，统一以伏安曲线中电压最大值作为每次序列的开始，并以顺时针方向为正方向构建序列。

由于避雷器正常都工作在低电场区，为了分析傅里叶描述子与伏安特性曲线的关系，本方案根据清华大学专著《金属氧化物非线性电阻特性和应用》中低电厂区域的模型，构建了电流i和电压u的模型(避雷器伏安特性曲线)，即

其中，i0,k，t都为常数，不同避雷器的参数有所不同。

以50hz为频率的电压信号为基准电压，利用matlab进行软件仿真，绘制不同相位差和不同电流峰值下的伏安特性曲线，具体如图1和图2所示。

首先对对伏安特性曲线的宽度进行分析，在电压峰值为1500v，电流峰值为0.001a的情况下，绘制相位从0°到20°的伏安特性曲线，如图1所示。由图1可以看出，当电压与电流的相位差变大的时候伏安特性曲线在最值上没有什么变化，在宽度上有着明显的变化。分析此时傅里叶描绘子，可以得到，所描绘的伏安特性曲线，奇次谐波占了很大的比重，偶次谐波的幅值基本为0，而且在奇次谐波达到7次谐波以后，幅度相较之前的奇次谐波幅度占比也小了很多个数量级。表1列出了宽度变化对主要奇次谐波的影响。从表中数据可得，在宽度变的越来越宽的时候，傅里叶变换中变化幅度最明显的是基波信号的相位。因此，可以利用基波相位表征伏安特性曲线的宽度变化。

表1.宽度变化对傅里叶描绘子的影响

接下来对伏安特性曲线的峰值进行分析，在电压频率为50hz、幅值为1500v，电压与电流的相位不变，为15°的情况下，以0.00025绘制i0从0.001a到0.002a的伏安特性曲线，如图2所示。由图2可以看出在i0的幅值变化过程中，伏安特性曲线的宽度基本不变，而在最值上有着明显的变化。分析此时傅里叶描绘子，可以得到，奇次谐波同样占了很大的比重，谐波达到7次后幅度也小了好多个数量级。表2列出了峰值变化对傅里叶描绘子的影响。从表中数据可得，随着电流峰值的增加，各次谐波的相位基本不变，3次、5次、7次谐波的幅度都明显增加。因此，可以利用3次、5次、7次谐波的幅度表征电流峰值的增加。

表2.峰值变化对傅里叶描绘子的影响

综上所述，作为一种具体实施方式，本发明构建包括基波的相位和奇次谐波的幅度的傅里叶描绘子数据表，以此判断避雷器的状态。

步骤3、采集待测避雷器的电网电压和对应的泄漏电流，绘制待测moa的伏安特性曲线，与步骤2的方法相同.

步骤4、对待测的伏安特性曲线进行傅里叶描绘子的边缘分析，确定待测情况的傅里叶描绘子数据表，与步骤2的方案相同。

步骤5、对比待测情况的傅里叶描绘子数据表与老化和受潮情况下的傅里叶描绘子数据表，判断避雷器的健康状况，即用基波相位和奇次谐波的幅度与之前试验的表进行比较，判断避雷器的健康状况。