氧化鋅避雷器帶電檢測方法及現場故障分析

劉涵，毛學鋒，吳毅

（1.長沙理工大學，湖南 長沙 410114；2.湖南省電力公司檢修公司，湖南 長沙 410015）

1 引言

隨著電力系統自動化技術的發展及水平的提高，電力系統高壓設備的檢修手段也在逐步改進，狀態監測、狀態評估及狀態檢修是未來電力系統的必然方向。金屬氧化物避雷器（MOA）作為電力系統重要的過電壓保護設備，其本身運行狀況的優劣將直接影響到電力系統的安全，由于長期在高電壓等級以及戶外的環境下運行，避雷器的工作性能會出現變化，并且極易發生損壞。而避雷器發生故障的后果是非常嚴重的，不僅會喪失保護設備及線路的基本功能，甚至還會造成電力系統過電壓事故。因此對金屬氧化物避雷器進行帶電檢測就顯得尤為重要。通過研究與實踐發現，MOA很容易發生以下兩種異常:

（1）在運行電壓下長期工作發生MOA閥片老化現象，引起閥片擊穿，最終導致線路短路；

（2）當溫度降低后引起MOA內部受潮，導致閃絡現象。

2 氧化鋅避雷器的特性和工作原理

MOA（金屬氧化物避雷器）一般是由非線性壓敏電阻閥片構成，電阻片的主要成分是ZnO，同時還有少量的CoO、Cr2O3.、Bi2O3等其他的金屬氧化物參入其中。電阻片在電網運行電壓下電阻很大，一般泄漏電流很小，可視為無工頻續流，這就是可以做成無間隙氧化鋅避雷器的原因；而在高壓作用下電阻率會突然下降，可以泄放大量的雷電流，殘壓很低，使得其具有很好的非線性保護特性；它對陡波和蓄電幅值同樣有限壓作用，防雷保護功能是其突出優點。另外，ZnO電阻具有很大的電容量，所以在運行中流過閥片的電流主要是電容電流。MOA在電力系統中的一般等效電路圖如圖1（a）所示。

圖1 MOA等效電路簡圖及其泄漏電流分量向量圖

即MOA可以看成是一個線性電容和一個非線性電阻的并聯。在正常工作電壓下，總泄漏電流IX是MOA運行中的最基本的特征量，IX是由阻性泄漏電流分量Ir和容性泄漏電流分量Ic組成的，其泄漏電流各電流分量相量圖如圖1（b）所示。由此可知，當對避雷器兩端施加正弦端電壓時，阻性電流與端電壓同相，而容性電流超前端電壓90°。

3 氧化鋅避雷器帶電檢測方法及原理

3.1 概述

金屬氧化物在運行中的劣化主要是指電氣特性和物理狀態發生變化，這些變化使其伏安特性漂移，熱穩定性破壞，非線性系數改變，電阻局部劣化等。一般情況下這些變化都可以從避雷器的如下幾種電氣參數的變化上反映出來:

（1）運行電壓下，泄漏電流阻性分量峰值的絕對值增大；

（2）在運行電壓下，泄漏電流諧波分量明顯增大；

（3）在運行電壓下的有功損耗絕對值增大；

（4）在運行電壓下的泄漏電流的絕對值增大，但不一定明顯。

目前對氧化鋅避雷器帶電檢測的主要方法有全電流法、補償法（阻性電流法）、三次諧波法和測溫法等，各種方法的特點見表1。

表1 氧化鋅避雷器帶電檢測方法

3.2 MOA帶電檢測技術原理

（1）全電流法

全電流法是應用較早的一種MOA帶電檢測和在線監測方法，該方法通過在MOA的接地端串聯直流或交流毫安表來測量總的泄漏電流，并根據其大小變化來判斷MOA的運行狀態。該方法的原理圖如圖2所示。測量時，可采用交流毫安表，也可用經橋式整流器連接的直流毫安表，當電流為過去的2.2倍時，可認為MOA處于危險的邊緣。該方法很簡單，并且成本較低，但由于阻性電流占全電流比例較小，經常出現阻性電流已經發生很大變化，而全電流仍變化較小的情況。因此全電流法對MOA的運行情況進行判斷的準確度不高。該方法用于不是很重要的MOA運行情況的初判。

（2）補償法（阻性電流法）

采用補償法測量阻性電流的是在測量泄漏電流的同時檢測系統的電壓信號，用以消除總泄漏電流中的容性電流分量。該方法的代表性裝置是日本的LCD－4型泄漏電流檢測儀，基本原理及向量關系如圖2所示。

圖2 全電流法原理圖

采用同相的PT采集系統電壓信號，通過差分移相電路將其相位向前移相90°，得到電壓信號，該信號與總電流中的容性電流分量同相。G為

0自動增益控制放大器的放大增益，其能自動調節G0的大小，使其與大小相等。因此，差動放大器的輸出為:

乘法器1與差動放大器的輸出相乘，用以調整可控增益放大器的增益，使得中的完全被抵消掉。

（3）三次諧波法

（4）其他監測方法

最近幾年，MOA的內部溫度測量技術引起了人們的關注。影響MOA溫度的情況有很多，例如由電特性老化或者水氣侵入引起的功率損耗上升，脈沖或暫時過電壓引起的能量吸收等，因此可以通過基于溫度的測量來判斷MOA的運行狀況。同前面討論的測量其他參數不同，測量溫度不僅是一個直接的在線測量手段，而它本身是一個精確的運行參數。MOA溫度是所有影響因素綜合作用的結果。任何時間，避雷器的殘余能量吸收容量都可以用實時的溫度來反映。

圖3 LCD－4型泄漏電流檢測儀原理框圖及其向量關系圖

圖4 三次諧波法原理圖

因此，MOA的溫度可以成為判斷避雷器是否處于穩定狀況一個很好的特征量，避雷器在持續運行狀態下其溫度的高低與和功率損耗是直接相關的，而且這種關系與電壓波形無關。

4 現場案例分析

4.1 故障發現結果

2012年4月28 日，在對某變電站進行例行試驗時，發現其主變間隔110kV側C相避雷器1mA直流參考電壓為105.9kV，遠小于GB11032－2000中的規定值（不小于145kV），且與2007年10月例行試驗數據（147.1kV）相比減少了28%，超出了狀態檢修規程中相關規定（與初值差不超過±5%）。75%U1mA下泄漏電流520μA，遠大于規定值50μA的標準。絕緣電阻值為940MΩ。該相避雷器為1995年11月生產，型號為Y10W1－100/248，檢修人員及時將該組避雷器進行了更換。

4.2 缺陷設備試驗及解體情況

5月中旬，專業人員對此組換下的避雷器在試驗大廳進行了絕緣電阻及運行電壓下阻性電流測試，試驗結果如表2。

表2 避雷器在運行電壓下試驗數據

從表2中看出，C相的絕緣電阻比另外兩相偏低，運行電壓下全電流相差不大，阻性電流比其他兩相明顯偏大，具體為A相數值的2.27倍，為B相數值的2.45倍。

專業人員對C相避雷器進行解體后，發現避雷器的內壁及閥片干燥清潔，無明顯受潮現象。避雷器的頂蓋密封處密封緊實，并無明顯缺口與受損點，現場相關人員初步分析判斷為避雷器氧化鋅閥片老舊劣化引起缺陷。

接著對避雷器的所有氧化鋅閥片（共34個）進行了絕緣電阻測試，發現有5個閥片的絕緣電阻值僅為20～30MΩ，有8個閥片的絕緣電阻值僅為120～180MΩ，其他閥片（21個）的絕緣電阻值為 400～600MΩ，具體數據如表3所示。

表3 氧化鋅閥片絕緣電阻測試結果

從表3可知該C相避雷器多塊閥片絕緣電阻值過低，造成1mA直流參考電壓降低，75%U1mA下泄漏電流增大，帶電檢測測得的阻性電流增大，該缺陷為內部閥片在運行過程中老化引起。

4.3 結論及建議

帶電檢測工作中，阻性電流分量對反映內部閥片老化比較明顯。若能加強帶電檢測工作，對在停電例試周期內更早地發現設備缺陷及故障有重大意義。為確保數據準確，必須選擇在晴好的氣候條件下進行測量。

5 氧化鋅避雷器帶電檢測的意義

隨著電力系統高壓電力設備的大容量化和設備結構的多樣化，以及對電力系統的越來越高的安全可靠性要求，使得傳統的停電預試診斷方法顯得越來越不適應。主要表現在以下幾個方面:

（1）試驗時需要停電。停電不僅運行人員需要大量的倒閘操作，還給用戶的生產帶來影響。

（2）試驗周期長，試驗時間集中，耗費大量人力物力。在現場經常發生預防性試驗合格的設備投運不久，就發生事故的情況。國網公司依據我國國情和現狀，提出了合理且合情的電氣設備狀態檢修，提倡通過帶電檢測等手段，對設備狀態情況進行科學有效的評估，并根據評估結果，確定維修計劃。以帶電檢測、在線監測為主要依據的狀態檢修，與傳統模式的檢修體制相比，在成本控制方面，有明顯的優勢:克服定期檢修的盲目性，具有很強的針對性。根據狀態的不同采取不同的處理方法，降低運行檢修費用。對于狀態差的設備及時安排預試，對于狀態好的設備可以延長檢修周期，從而節省人力、物力和財力，有效地降低維護成本和檢修風險。減少維護工作量，降低勞動強度，有利于減員增效，提高經濟效益。減少停運時間，提高設備可靠性和可用系數，延長設備使用壽命。

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