金屬氧化物避雷器帶電測試現場干擾源分析

國網寧夏電力有限公司檢修公司 李思樸 謝怡琚 馬文長 郭 微 馬 靜 李 敏

金屬氧化物避雷器（MOA）是在電力系統中用于保護輸變電設備絕緣免受過電壓危害的一類重要電器，具有響應速度快、伏安特性優異、性能穩定、通流容量大、殘壓低、壽命長、結構簡單等優點，廣泛使用于發電、輸電、變電、配電等系統中。MOA在長期運行過程會出現以下問題：氧化鋅閥片處于電網運行電壓下產生發熱，從而引起伏安特性的變化，長期作用將導致氧化鋅閥片老化直至出現熱擊穿；在遭受沖擊電壓的情況下，氧化鋅閥片也會在巨大的沖擊電壓能量下發生老化；由于結構原因導致內部受潮或絕緣支架絕緣性能不良，會使工頻電流增加、功耗加劇，嚴重時可產生內部放電。為避免金屬氧化物避雷器出現性能劣化導致設備事故的發生，對其進行定期的停電試驗和帶電檢測顯得至關重要。

目前，金屬氧化物避雷器運行中持續電流檢測作為一種判斷其性能良好的有效手段被廣泛應用，其原理是利用金屬氧化物避雷器全電流和阻性電流在避雷器內部受潮或閥片劣化時發生變化的特點。目前測量金屬氧化物避雷器全電流和阻性電流的方法有許多，如諧波法、容性電流補償法、波形法等，原理相似且均能對避雷器運行中持續電流進行檢測，但在現場實際測試過程中往往會受到多種因素的干擾從而造成數據不準確，因此需在現場測試中對測試數據做出準確合理的判斷，這需對多因素的干擾原理有一定的掌握和了解。

1 相間干擾

相間干擾是最為普遍的一類干擾，這類干擾對測試結果影響最為嚴重，在測試現場往往對其采取一些修正措施。目前變電站普遍使用三相“一”字形排列避雷器，從圖1可看出，三相電壓向量UA、UB、UC互成120°夾角，其容性電流ICA、ICB、ICC超前各自電壓相位90°，阻性電流IRA、IRB、IRC向量與其電壓方向相同，全電流IXA、IXB、IXC為容性電流和阻性電流的合成向量[1]，∠A、∠B、∠C即為三相電壓與其全電流的夾角。假設圖中三相避雷器的性能相同，則有IRA＝IRB＝IRC、IXA=IXB=IXC、∠A=∠B=∠C。實際上三相“一”字形排列的避雷器在運行時，其相鄰相的避雷器電壓會對本相避雷器產生相間容性耦合，即產生相間干擾，為方便分析避雷器各相間干擾情況，制定相間干擾模型及相位圖。

圖1 不考慮相間干擾向量圖

由圖2可看出，B相由于同時受到A相和C相的干擾，耦合電容電流IAB和ICB大小基本相等，且關于ICB對稱，造成B相實際全電流IXB′小于IXB，但B相實際全電流IXB′與電壓UB的夾角∠B′等于∠B；A、C相同時受到B相耦合電容的干擾，且B相對A相的耦合電流IBA與B相對C相的耦合電流IBC幅值大小相同且向量關系平行。以C相為例分析，如圖2所示，根據平行四邊形法則可得出，C相實際全電流IXC′的相位向B相方向偏移，造成C相實際全電流IXC′與電壓UC的夾角∠C′大于∠C，C相實際全電流IXC′小于IXC，C相實際阻性電流IRC′小于IRC，同理可以分析A相實際全電流IXA′與電壓UA的夾角∠A′小于∠A，A相實際全電流IXA′小于IXA，A相實際阻性電流IRA′大于IRA。根據現場經驗，在避雷器各相間干擾的影響下，A、C相電流相位都會向B相方向偏移，一般偏移角度為2～4°左右。

圖2 考慮相間干擾向量圖

為了驗證前述理論分析的準確性，本文對某750kV變電站隨機抽取了6組避雷器帶電測試相位角的數據，并進行分析，其A、B、C相數據分 別 為82.86/85.18/88.34、84.62/87.48/90.03、80.13/83.43/86.68、81.19/82.77/84.85、84.41/87.55/89.80、84.81/86.07/87.75。由 此 可直觀反映出中間相B相對A、C兩相的設備產生了干擾，導致A、C相電流相位都要向B相方向偏移，且偏移角度在2～4°左°右。同時有∠A′＜∠B′＜∠C′的關系，因此這種相間干擾現象對測量結果的影響具有一定的規律性。基于此規律，在實際測試過程中，目前專業試驗儀器可對MOA的全電流、阻性電流、容性電流和阻抗角進行校正，并已有多種校正方法能消除相間干擾引起的MOA帶電測試結果偏差，校正后的數據更能真實地反映MOA的運行狀態[2]。

2 諧波干擾

電網諧波干擾廣泛存在于避雷器帶電檢測現場中，其產生的干擾也應不容忽視。假設電網電壓不含諧波分量，則有根據歐姆定律可知氧化鋅閥片具有非線性伏安特性，因此電阻R為一個變量，導致iR為非線性變量，對其進行傅里葉分解可以得到：

在此式中 I1sinωt 、I3sin（3 ωt+φ3）、I5sin（5 ωt+φ5）、Insin（ n ωt+φn） 分別為避雷器阻性電流的基波、3次諧波、5次諧波、n次諧波。

從式中可看出，此時阻性電流iR中i'來自于非線性電阻，i''來自于電壓諧波，即阻性電流中的諧波成分將會包括因電壓諧波而引起的諧波分量。同理可得，電容電流也會受到電網諧波影響。有相關仿真試驗表明電壓諧波的影響取決于其諧波的含量和諧波的相位，諧波含量增大，阻性電流及其諧波分量也增大，并且各次諧波相位的影響也不同[3]。

在對某地區330kV變電站進行避雷器阻性電流測試時發現，該站兩組避雷器測試異常，其全電流波形和阻性電流波形均發生畸變，三相相位角均較大。分析發現，該站啟風Ⅰ線對側為風電場，結合風電場諧波分布特性進行分析。由表1可知，風電場接入電力系統時在受端可注入大量的奇次諧波，其中5次諧波最大，可推斷為可能引起避雷器阻性電流數據異常的原因。因此在實際測試過程中，對于電源側有風電或其它分布式電源時應著重考慮電網諧波產生的干擾。

表1 某風電場的諧波潮流數據

3 空間母線干擾及其他干擾因素

變電站內的空間母線也會對避雷器帶電測試產生干擾。本文以一組靠近母線的避雷器為例進行分析，等效圖如圖3所示。假設三相避雷器性能相同，均靠近C相母線且距離相同，圖3中C0為母線對三相避雷器的耦合電容。考慮相間干擾，為方便分析以A相避雷器為例制定圖4所示的向量圖，可看出，IXA′為相間干擾時的全電流，當存在母線干擾時，即存在母線對避雷器耦合電容電流IC0時導致IXA′向C相偏移，從而使得相位角增大，A相阻性電流比僅受到相間干擾時的阻性電流小。同理可知IC0的影響使B相阻性電流偏大、相位角減小，但對C相阻性電流并無影響。

圖3 母線干擾等效圖

圖4 母線干擾向量圖

在實際現場測試中往往會出現單相偏移角較大情況，極有可能為某一特定相位角的強電磁場存在，如空間母線干擾，導致各相相位角在僅受到相間干擾情況下向著干擾相位偏移，因此出現了某相相位角較小或較大情況，現場強電磁場復雜多變，影響情況或大或小且此類干擾無法消除，測試時應保存原始干擾數據。除上述的相間干擾、諧波干擾及空間母線干擾之外，避雷器帶電檢測現場還存在著許多其他因素的干擾，這些干擾也會對測試結果造成一定的影響，因此需在現場測試過程中注意觀察，多次試驗，以便多方面考慮現場干擾，合理分析比較測試結果。

避雷器外表面污穢。避雷器絕緣外表污穢會使其泄漏電流明顯增大，從而對測試精度造成影響。同時污穢對氧化鋅電阻片的電壓分布有一定的影響，也會對內部泄漏電流產生影響[4]；溫、濕度影響。設備長期處在運行電壓下，其內部有功損耗的熱量會使電阻片的溫度高于環境溫度，造成避雷器的阻性電流增大，此外環境濕度較大時也會使避雷器瓷套的泄漏電流增大；參考電壓方法選取的不同。金屬氧化物避雷器測量儀器一般具有電壓互感器二次電壓法、檢修電源法、感應板法、末屏電流法等幾種參考電壓方式，各種方法不同帶來的系統誤差也會影響實驗結果；試驗儀器受電磁場干擾。試驗儀器是置于電磁場中的，電磁感應會在測試儀的測試回路中引入干擾電流而使得阻性電流偏大。

4 結語

由于金屬氧化鋅避雷器的帶電測試干擾與誤差是非常復雜的問題，因此在對運行中的避雷器進行阻性電流測試分析時無法準確測出各持續電流的量。在判斷避雷器性能好壞時，應首先結合測試數據及現場狀況合理分析現場干擾情況，然后通過歷次避雷器運行中持續電流測試值橫向和縱向判斷避雷器的健康狀態及性能。初次測試值極為重要，之后的例行試驗應與歷史進行比較，通過各項電流值和角度值得變化進行趨勢分析，發現異常時再進行停電試驗。