氧化锌避雷器带电测试实验

课程名称：电气设备故障诊断技术

实验组员；张笑庆（信电09-8）

丁慧慧（信电09-8）

          王喜乐（信电09-8）

朱星奎（信电09-8）

一、实验目的………………………………………………………………… 3

二、实验内容………………………………………………………………… 3

三、实验原理………………………………………………………………… 3

四、实验方法………………………………………………………………… 4

五、主要实验仪器设备……………………………………………………… 4

六、数据采集与分析步骤…………………………………………………… 5

1、数据采集………………………………………………………………5

2、符号意义………………………………………………………………5

3、波形采集………………………………………………………………6

4、波形还原………………………………………………………………7

5、分析……………………………………………………………………9

6、小波分形………………………………………………………………10

七、实验总结………………………………………………………………… 14

一、实验目的

1、初步了解氧化锌避雷器的内部构造；

2、通过实验了解判定氧化锌避雷器性能优劣的方法；

3、通过实验掌握氧化锌避雷器的故障特征和相应的故障诊断方法。

二、实验内容

分别对三只氧化锌避雷器进行上电加压实验，利用电流基波与电压基波的相位差φ来判断氧化锌避雷器故障状态。

三、实验原理

避雷器是一种过电压保护装置，当电网电压升高到避雷器规定的动作电压时，避雷器动作，释放过电压电荷，将电网电压升高的幅值在一定的水平之下，从而保护设备绝缘不受损坏。

避雷器按结构分为保护间隙和管式避雷器、阀式避雷器、磁吹式避雷器和金属氧化物避雷器。金属氧化物避雷器（MON）又称氧化锌避雷器，是一种与传统避雷器概念有很大不同的新型避雷器，区别在于：传统的避雷器其内部空气间隙起着十分重要的作用，在正常运行时，靠间隙将阀片与电源隔开，出现过电压，间隙才被击穿，阀片放点泄流。而氧化锌避雷器是用氧化锌阀片叠装而成，可以完全取消间隙，这解决了因间隙放电时的限及放电稳定性所引起的各种问题。由于氧化锌阀片具有非线性特性好的特点，从而是避雷器的特性和结构发生了重大改变。

氧化锌避雷器是以氧化锌为主，并掺入Sb、Bi、Mn、Cr等金属氧化物烧制而成。氧化锌的电阻率为1-10Ω/cm，晶界层的电阻率是1013-1014Ω/cm，当施加较低电压时，晶界层近似绝缘状态，电压几乎都加在晶界层，流过避雷器的电流只有微安级；电压升高时，晶界层由高阻变低阻，流过的电流急剧增大。

在交流电压下，避雷器的总泄漏电流（全电流）包含阻性分量（有功分量）和容性分量（无功分量），在正常的运行情况下，流过避雷器的主要为容性分量，阻性电流只占很小的一部分，约为百分之十到百分之二十，但当阀片老化时，避雷器受潮，内部绝缘部件受损以及表面严重污秽时，容性电流变化不多，而阻性电流大大增加。阻性电流的变化对阀片初期；老化的反映较为灵敏。在运行电压下，测试全电流，阻性电流也可以在一定的程度上反映氧化锌避雷器的运行状态。

当电流基波与电压基波的相位差φ值小于75°时，表明氧化锌避雷器（MON）已经劣化，性能很差，应停电实验，测量1mA下直流参考电压及0.75倍直流参考电压下的泄露电流。根据停电实验结果来决定是否替换避雷器。当φ值大于75°时，认为其正常，可继续运行。

四、实验方法

按照实验接线原理图进行接线，并认真检查，取下接地棒。通过操作控制箱输入电源，转动器手轮，在避雷器上施加一个较小的电压，用来调节示波器。待示波器调试完成后，继续升压，同时观察示波器的波形变化，保证波形不失真。完成后，将电压降至零，然后用接地棒对避雷器进行充分的放电，更换避雷器，重复上述步骤。

五、主要实验仪器设备

1、操作控制箱TY

2、高压实验变压器B：TQSB（JZC）—6/50型，输入0~200V，输出0~50kV，6kVA

3、穿芯式电流互感器CT：LMZJ1—0.5型

4、氧化锌避雷器：YH5WS—17/50型

5、HYBL氧化锌避雷器测试仪

六、数据采集与分析步骤

1、数据采集

氧化锌避雷器的实验数据为拍照所得，以下为拍照所得数据：

2、符号意义：

U0：实验电压有效值，只含1、3、5、7次谐波

I0：总泄露电流有效值。

IP：总泄露电流峰值                     

I3：总泄露电流3次谐波峰值。

Irip：阻性电流峰值                               

Icip:容性电流峰值    

Φ1：基波电流超前基波电压相位差。             

P1：MOA基本功耗

3、波形采集

氧化锌避雷器的实验波形为拍照所得，以下为拍照所得波形：

3、波形还原：

波形为电压和电流波形，将图形放大后一格读作一，电压为一列，电流为一列，将数值记录并存入excel表格，由图形可以读出200多组数据，然后通过matlab编程，将excel表格的数据读入，描点作图，画出波形。

【程序】；

clc;%清空屏幕

clear;%清除工作空间变量

N=222;%傅里叶分析时的点数

c1=xlsread('dushu1.csv');%读入采样信号

c2=c1(:,1);%取采样信号的第一列

c3=c1(:,2)%取采样信号的第二列

plot((1:N),c2(1:N))%画出波形图

hold on

plot((1:N),c3(1:N))%画出波形图

hold off

grid

【波形图】：

4、分析

【程序】：

function MOA_solution(filename,f)

%f 采样频率，单位KHz

%filename 待分析的CSV格式的文件名，放到MATLAB软件安装位置的work文件夹下

%调用该程序的格式，在MATLAB命令窗口中输入；function MOA_solution（'dfi.csv',10)

Ua=0;Ub=0;

Ia=0;Ib=0;

fid=fopen(filename);

[a1,count]=fscanf(fid,'%g,%g',[2,inf]);

file=a1;

N=0.125*f*1000;

%从第500个采样点开始，对一周期内的采样点进行分析

for i=200:1:2+floor(N)

    Ua=Ua+file(fid(:),1)*cos(2*pi*fid(:)/N);

    Ia=Ia+file(fid(:),2)*cos(2*pi*fid(:)/N);

end

for j=200:1:2+floor(N)

    Ub=Ub+file(fid(:),1)*sin(2*pi*fid(:)/N);

    Ib=Ib+file(fid(:),2)*sin(2*pi*fid(:)/N);

end

Phu=-atan(Ub/Ua)*180/pi;

Phi=-atan(Ib/Ia)*180/pi;

%fai为所求的电压和电流的相位差

Fai=abs(Phu-Phi);

if Fai>=90

    Fai=180-Fai;

end

Fai

【结果】:

仿真后得到的三次φ值分别为：76.0340°、88.8607°、78.6652°。

经过计算可看出电压电流波形相差的相位值几乎稳定在一个固定的范围内，通过查阅表格分析避雷器的性能优劣。

由上表可以看出，实验1和实验3的MOA性能‘中’，而实验二的MOA在实验时存在干扰，无法判断性能优劣。

5、小波分形

小波这一术语，顾名思义，“小波”就是小的波形。所谓“小”是指它具有衰减性；而称之为“波”则是指它的波动性，其振幅正负相间的震荡形式。与傅里叶变换相比，小波变换是时间（空间）频率的局部化分析，它通过伸缩平移运算对信号(函数)逐步进行多尺度细化，最终达到高频处时间细分，低频处频率细分，能自动适应时频信号分析的要求，从而可聚焦到信号的任意细节，解决了傅里叶变换的困难问题，成为继傅里叶变换以来在科学方法上的重大突破。有人把小波变换称为“数学显微镜”。

小波就是人们可以观察到的最短、最简单的振动。小波分析是傅里叶分析的重要发展，它既保留了傅氏理论的优点，又克服了它的不足。小波分析是基于一簇由母波函数生成的“相似”函数——子波而展开的。

分形理论是描述其有无规结构的复杂系统形态的一门新兴边缘学科，研究的对象主要是一类具有“自相似性”、“自仿射性”的分形体。其分形度量为维数；从工程技术上讲，从一个信号的局部可得到与整个信号一样的细节，则该信号是具有分形特征的信号。

利用小波窗进行小波分形，观察谐波的含量，图形如下：

实验1的电压电流波形分解

实验2的电压电流波形分解

实验3的电压电流波形分解

【结果】：

电压波形在中频段的分量较多，具体为40Hz—50Hz之间。电流波形的小波分解图中高频部分和低频部分的分量均不多，电流波形中直流分量较大，此电流波形应不是全电流波形。

七、实验总结

本实验为氧化锌避雷器带电测试实验，课堂中简单地了解了避雷器的内部结构，工作原理，以及如何判断性能优劣。本实验中，知道了氧化锌避雷器耐压实验的过程，以及氧化锌避雷器与其他避雷器的异同点，掌握了氧化锌避雷器的故障特征和相应的故障诊断方法。

通过对氧化锌避雷器加压实验，得到电压与电流的波形。我们知道氧化锌避雷器中可以看成含有容性阻抗和阻性阻抗，全波电流中含有容性电流和阻性电流。通过得到的基波电流超前基波电压的相位差，与避雷器性能判据表中数据进行比较，判断出氧化锌避雷器的性能优劣。

实验中运用小波分形方法，对波形进行分离，研究其中所含成分，如本实验中小波的图形，通过各次波形的对比可以看到不同之处。

总之，本次实验对于避雷器有了进一步的认识，绝缘性能的优劣有了进一步的探讨。