淺談氧化鋅避雷器在線監測的方法

程洋

【摘 要】氧化鋅避雷器是保護高壓交流電氣設備、線路免受雷電過電壓和操作過電壓損害的重要保護設備。由于在使用中保護性能會逐漸劣（老）化，嚴重影響其保護性能，所以對其進行在線監測十分必要。本文首先闡述氧化鋅避雷器在線監測的意義，然后列舉了目前國內外對氧化鋅避雷器進行在線監測的常用方法，對各種方法的優缺點和應用場景進行分析和比較。

【關鍵詞】MOA；總泄漏電流法；補償測阻性電流；三次諧波法

氧化鋅避雷器（MOA）主要由ZnO閥片、壓力釋放裝置、瓷套等組成。ZnO閥片以ZnO為主體，添加少量其它金屬氧化物，是在以上的高溫下燒結而成的電阻。ZnO閥片比傳統的碳化硅閥片具有更加優良的非線性特性，在正常工作電壓下接近絕緣狀態，可不需要串聯間隙將電源與閥片隔開，故可以制成無間隙氧化鋅避雷器。氧化鋅避雷器以其保護特性好、通流容量大、動作可靠及維護簡便等優點，成為保護交流電氣設備免受雷電過電壓和操作過電壓損害的重要設備。然而長期遭受天氣、溫度、雷擊、操作過電壓及內部受潮等因素的作用趨于老化，嚴重時可能導致保護功能失效，影響電力系統的安全運行。因此，為預防運行事故，對其絕緣狀況進行在線監測意義重大。

一、在線監測的必要性分析

根據《電力設備預防性試驗規程》規定，每年或雷雨季節前要對避雷器進行預防性試驗，主要項目是測量絕緣電阻、直流耐壓試驗等。一般可通過預防性試驗檢查出是否存在內部受潮和閥片老化等缺陷，但ZnO閥片會在系統電壓或其他因素的長期作用下會產生劣化，以至于常規的預防性試驗沒有發現任何問題，而在正常工作時或泄放雷電流時發生故障，導致大規模停電事故[1]。出現這些問題，主要有以下原因：預防性試驗的時間間隔較長，不能實時發現問題；試驗電壓與實際工作電壓不一致，不能真實的反映設備的實際絕緣狀況。同時，還需要在停電狀況下進行，勢必影響系統的正常的運行。

在線監測MOA的運行狀態，預報相對準確，減少停電或停運損失，節約檢修費用，降低人力成本，能夠預測己有故障隱患對MOA其他零部件的影響與作用，可以消除MOA已有故障誘發的二次性損壞。因此，對氧化鋅避雷器開展在線監測是保護電力設備的必然要求。

二、國內外常用的在線監測方法

對運行工況的監測方法基本都以測泄漏電流為基礎，根據老化機理及等效電路的研究，目前在線監測的方法有許多種，從對采樣信號的分析原理分類主要有下面幾種方法：總泄漏電流法、補償測阻性電流、阻性電流基波法、三次諧波法、雙“AT”法、基于溫度的測量法等[2][3]。

（一）監測總泄漏電流法[4][5]

又稱全電流法，假定泄漏電流的容性分量基本保持不變，可簡單地認為其阻性電流增加會使總電流的增加這一特征反應運行狀態。這種方法是直接在氧化鋅避雷器接地端串接交流毫安表，以此測量總泄漏電流的變化。

正常運行時，容性電流實際上遠大于阻性電流，且兩者的基波又差90°相位角，即使阻性電流增加很多，測得的全電流有效值或平均值也并沒有很大的變化。所以此種方法適用于受潮劣化的判斷，對老化尤其是早期老化不靈敏。這種方法簡單且監測儀的成本較低，但這種方法太粗糙，靈敏度較低，不宜廣泛采用，目前極少使用。

（二）補償法測阻性電流

補償法測量阻性電流是在測量電流的同時檢測系統的電壓信號，借以消除總泄漏電流中的容性電流。補償法測量誤差較小，所用儀器測量時需要引入補償信號（電容性電流），此補償信號經過相位、幅值處理，再和取自避雷器的泄漏電流相減后，方能得到阻性分量，但測量時必須借用二次繞組引入電網電壓信號，而電網電壓含有諧波成份造成監測結果誤差。

（三）基次諧波法檢測阻性電流

在正弦波電壓的作用下，MOA阻值電流中只有基波電流做功產生功耗，無論諧波電壓如何，阻性基波電流都是一個定值，利用數字諧波分析提取基波進行阻性電流分解，即可得到阻性電流的基波，根據阻性電流基波所占比例的變化來判斷的工作狀況。

基次諧波法測量時需要獲得全電流和母線電壓，經過傅里葉變換提取得到電流和電壓的基波分量，利用投影法（電流基波分量在電壓基波分量上的投影）可以得到阻性泄漏電流的基波分量。基波法有其本身的精確性，能有效的抑制電網電壓中的諧波干擾，基波的功耗也能夠反映MOA的狀態。但是實際運行經驗和實驗結果表明，阻性電流的基次諧波在一些情況下能靈敏地反映MOA的狀態，但阻性電流的高次諧波會受電網電壓的高次諧波影響，因此必須采取相應的方法去除阻性電流中的高次諧波。

（四）三次諧波法

三次諧波法又被稱為零序電流法。工作原理為從避雷器總泄漏電流中檢測出三次諧波阻性電流分量。

該方法利用零序電流測量到阻性三次諧波電流，與補償法相比無需引入電壓信號，測量方便、操作簡便、易于實現。診斷判據是觀察各電流的變化趨勢，因此對修正的準確度影響不大。但當零序電流有變化時，不宜判斷出哪一相出現異常。另外，系統電壓中含有的諧波分量也會對結果造成影響。

（五）雙“AT”法

雙“AT”法主要是監測阻性泄漏電流，其工作原理是：一個傳感器采樣正常泄漏電流，另一個測量在過電壓情況下沖擊大電流的峰值以記錄動作次數，并根據相應的參考電流值來區分動作原因，如區分雷擊或操作過電壓等，信號經轉換后進行數字信號處理，用電壓信號來判斷電網諧波對測量泄漏電流阻性分量的影響。這種方法依靠強大的支持軟件來實現在線監測功能，同時考慮了來自電網的諧波和溫度的影響，實現功能較強大，在線監測完善，但經濟性不夠好，且其長期穩定性還有待時間檢驗。

（六）基于溫度的測量法

溫度監測法是一種全新方法，簡單、實用，但會到受能量吸收能力和老化或受潮導致的能量損耗的影響。正常運行條件下，吸收能量損耗，溫度變化很小，出現過電壓時，溫度可能暫時會有所上升，但會慢慢恢復。在老化或受潮時，溫度會逐步上升，測量溫度不是一種了解運行狀態的直接方法，但溫度是影響運行狀態參數的綜合結果，在持續運行電壓下的過熱直接與能量損失相關，而與運行電壓的質量及外界干擾等無直接關系。

三、結論

本文所列舉的幾種方法都有一定的局限性，總泄漏電流法靈敏度較差，結果不夠準確補償法和三次諧波法易受電網諧波的影響，溫度測量法主要用于正準備安裝的避雷器，而基次諧波法能夠較好的實現檢測工作。另外，在選取時要考慮以下幾個方面的影響因素：電網諧波電壓；相間干擾；表面污穢；電網電壓波動；環境溫度、濕度。實際使用中要充分考慮應用場景的特點，根據現場工程實際選擇合理、實用，可靠的方法成為在線監測及診斷系統的主要任務。

【參考文獻】

[1]羅光偉，向守兵，陳蹺東高壓電氣設各絕緣在線監測系統的研究[J].月黑龍江電力，2004，26（4）：29-30.

[2]郝致遠.基于LabVIEW的氧化鋅避雷器在線監測系統的研究與設計[D].山東大學，2011.

[3]楊曉東.氧化鋅避雷器監測方法分析[J].新疆電力技術，2008（2）：26-29.

[4]趙玲艷.氧化鋅避雷器帶電測試分析[J].華電技術，2009，31（9）：55-57.

[5]孟飛.金屬氧化物避雷器泄漏電流監測儀的研制電測與儀表.電測與儀表，2009，46（519）：57-62.