局部放電測試對金屬氧化物避雷器閥片缺陷的敏感度分析

楊謹銘，潘浩，馬御棠，馬儀，周仿榮，錢國超，文剛，孫再超

(1. 電力遙感技術聯合實驗室(云南電網有限責任公司電力科學研究院)，昆明 650217；2. 云南電網有限責任公司臨滄供電局，云南 臨滄677000)

0 引言

局部放電主要發生于高壓電氣設備，是設備絕緣發生劣化的重要表征，也是導致絕緣擊穿的重要原因。如果在局部范圍內存在足夠強的電場，絕緣部分會發生放電。局部放電會對介質的絕緣性能造成影響，且造成的絕緣強度下降具有累積效應，若不及時發現，可能會引發擊穿事故，導致停電甚至更大的不良影響。為了避免設備局部放電引發更大的危害，應對運行中設備加強局部放電監測，當局部放電達到一定程度時及時檢修、更換相關設備[1 - 5]。

當設備異常時，局部放電測試可以鑒定設備損壞的部位及程度[6]。通過局部放電測試，分析檢測設備是否存在介電強度過高的區域，避免設備發生進一步的破壞[7]。

金屬氧化物避雷器(metal oxide arrester，MOA)是一種能吸收過電壓能量、限制過電壓幅值的保護設備，在電力系統雷電防護方面具有重要的作用。

對金屬氧化物避雷器進行特高頻局部放電測試，能夠在不拆開避雷器外套的情況下，定位避雷器內部閥片的缺陷部位，并分析閥片缺陷、損壞的程度[8 - 9]。避雷器在進行出廠試驗時，均會要求進行局部放電測試，可有效降低產品出廠的缺陷率，但一般缺陷檢出率較低。經過運行后的避雷器一般不開展局部放電測試，預防性試驗規程亦未做相關的要求。

文獻[10]對第一節和第二節之間閥片存在裂縫的金屬氧化物避雷器進行局部放電測試，檢測出了懸浮放電。文獻[11]運用時差定位原理，通過特高頻局放檢測、高頻/特高頻聯合定位，檢測出并確定了避雷器缺陷的位置。本文在對一起金屬氧化物避雷器故障原因分析中發現，對閥片存在破損、斷裂缺陷的避雷器進行局部放電檢測，檢測不出局部放電信號。針對上述現象，本文運用COMSOL Multiphysics?多物理場仿真軟件，模擬金屬氧化物避雷器閥片柱的表面電場分布，結合局部放電檢測的數據，分析局部放電測試對金屬氧化物避雷器不同位置閥片缺陷的敏感程度，并針對仿真研究內容搭建試驗進行驗證。

1 故障概要分析

1.1 避雷器故障概況

2020年8月某110 kV站用型金屬氧化物避雷器A相發生故障。該避雷器型號為Y10W5- 108/281 GW，額定電壓為108 kV，直流1 mA參考電壓157 kV，持續運行電壓84 kV。調取現場監控視頻，發現故障時出現較大的火光。后續采取停電措施對該組避雷器進行更換，對故障組避雷器進行故障原因分析。

1.2 故障相避雷器解體情況

為了分析避雷器故障發生的原因，對該故障避雷器(A相)進行解體查看內部閥片情況。該避雷器的故障情況如圖1所示，閥片柱整體存在嚴重的燒蝕痕跡，各閥片存在不同程度的破損，其中第12片閥片破損最為嚴重，閥片整體裂開。為進一步分析該組避雷器是否存在批次性缺陷，對B、C相避雷器進行局部放電測試。

圖1 A相避雷器故障示意圖

2 金屬氧化物避雷器的局部放電測試

2.1 局部放電測試原理

使用局部放電檢測儀對設備進行局部放電測試是目前檢測局部放電最常用的方法[12 - 13]。設備在試驗電壓下產生局部放電，耦合電容Ck產生脈沖電流，由輸入單元拾取脈沖訊號，經低噪聲前置放大、濾波放大器選擇所需頻帶及主放放大后，在示波屏的橢圓掃描基線上顯示出放電脈沖，同時也送到脈沖峰值表(對數表)顯示其峰值[14]。

圖2為金屬氧化物避雷器局部放電測試原理圖。局部放電測試得到的局部放電量是故障分析的重要參考依據。

圖2 避雷器局部放電測試原理圖

根據GB/T 11032—2010[15]的要求，進行避雷器的局部放電測試前，首先應在試品上施加工頻額定電壓持續2～10 s，然后將電壓降至試品的1.05倍持續運行電壓，在該電壓下，按照GB/T 7354—2018[16]的相關規定測量局部放電。依據GB/T 11032—2020[17]，避雷器在1.05倍持續運行電壓下的局部放電量不應超過10 pC。

2.2 B、C相避雷器局部放電試驗結果及解體情況

對1.2節中所述B、C相避雷器閥片柱進行局部放電測試，得到的局部放電量見表1，未超過規程規定的局部放電放電量(10 pC)。

表1 局部放電測試數據

對B、C相避雷器進行解體，避雷器閥片柱破損情況如圖3所示。圖中紅色圓圈部分為閥片破損較為明顯的位置。B相避雷器總計36片金屬氧化物閥片中有13片閥片破損及電弧燒蝕痕跡嚴重，具體為金屬氧化物避雷器由上端到下端計數第11、17、18、20、21、23、24、26、27、29、30、32、33片金屬氧化物閥片破損，破損類型為閥片斷裂；C相避雷器總計38片金屬氧化物閥片中有14片閥片存在不同程度的破損，其中第22片閥片的破損為邊緣缺陷，其余13片破損閥片與B相避雷器的局部破損情況相同。B、C相避雷器閥片破損情況如圖4所示。

圖3 B、C相避雷器閥片柱破損情況

圖4 B、C相避雷器閥片破損情況

在B、C相避雷器的閥片存在上述破損的前提下，對B、C相避雷器閥片柱進行局部放電測試，卻未檢測出局部放電。

2.3 B、C相避雷器局放測試結果分析

文獻[10]中對第一節和第二節之間存在裂縫的金屬氧化物避雷器進行局部放電測試，能夠檢測出局部放電。而該B、C相避雷器的閥片缺陷位于閥片柱的中間部分，通過局部放電測試卻沒有檢測出局部放電。

因此推測金屬氧化物避雷器閥片存在缺陷時，局部放電測試對不同位置閥片缺陷的敏感程度不同，對閥片柱兩端的缺陷敏感，而對閥片柱中間的缺陷不敏感。

3 基于COMSOL的金屬氧化物避雷器閥片表面電場分布仿真

3.1 金屬氧化物避雷器COMSOL模型

為了驗證2.3節中的推測，進一步分析局部放電測試對金屬氧化物避雷器閥片缺陷的敏感程度，使用COMSOL Multiphysics?軟件進行建模[18]，建立金屬氧化物避雷器閥片柱模型，分析閥片存在缺陷時的金屬氧化物閥片表面電場分布規律。

COMSOL中三維電場的求解，本構關系采用相對介電常數的電介質模型，運用麥克斯韋微分方程，以標量電位V作為中間量，結合邊界條件求解，三維電場應滿足方程：

(1)

式中：V(x,y,z)為三維空間中的標量電位；εr(x,y,z)為3個方向矢量上的相對介電常數；ε0為真空介電常數；ρv(x,y,z)為體電荷密度。

電流密度J可由式(2)得到[19]。

(2)

金屬氧化物避雷器閥片柱結構如圖5所示，該金屬氧化物避雷器為氧化鋅避雷器，金屬氧化物閥片為氧化鋅閥片。閥片柱由55個閥片構成，包括36個氧化鋅閥片和19個鋁片，單個閥片呈空心圓柱體，底面外徑69 mm，內徑22 mm，氧化鋅閥片高22 mm、鋁片高20 mm。

圖5 金屬氧化物避雷器閥片柱結構圖

閥片材料的設置如圖6所示。沿著閥片柱的軸向，以1個鋁片接2個氧化鋅閥片的排列方式相間分布。左側閥片柱的藍色閥片為鋁片，右側閥片柱的藍色閥片為氧化鋅閥片。介電材料的相對介電常數越小絕緣性越好，氧化鋅為為N型半導體，屬于特殊類型的電介質，氧化鋅閥片的相對介電常數設置為4.5；理想導體的相對介電常數趨于無窮大，因此鋁片的相對介電常數設置為10 000。網格劃分采用極細化單元。閥片柱中的鋁片經過了均壓電場處理，作用是保證整個閥片柱的高度，從而在研究閥片的局部放電規律時，只需要考慮氧化鋅閥片表面的局部放電。

圖6 金屬氧化物避雷器閥片材料設置

根據該110 kV避雷器參數，持續運行電壓為84 kV，因此在閥片柱的上端施加1.05倍持續運行電壓88.2 kV，并將閥片柱下端接地。MOA的劣化，一方面是由于在生產裝配中閥片發生破損；另一方面，在雷電沖擊下，均勻度較差的MOA閥片會發生熱燃燒和粉碎性破裂，雷電造成的MOA閥片內部損傷積累，破壞形式以邊角損壞和斷裂為主[20]。因此，本文針對閥片存在邊緣缺陷和閥片斷裂的情況，對整個閥片柱中的金屬氧化物閥片表面電場的分布情況進行仿真，研究局部放電檢測對閥片缺陷的敏感度。

3.2 MOA不同位置的單個閥片存在缺陷時的電場分布

3.2.1 不同位置的閥片存在邊緣缺陷時的電場分布規律及表面電場最大值

如圖7所示，在金屬氧化物閥片的邊緣添加矩形空氣層模擬閥片的邊緣缺陷。改變矩形空氣層的大小、位置，仿真研究當存在邊緣缺陷的閥片位置不同時，閥片柱中金屬氧化物閥片表面電場的分布及表面電場的最大值。為更好地研究沿閥片柱軸向的閥片表面電場變化規律，在研究避雷器閥片表面電場分布的同時，對一條沿閥片柱表面平行于閥片柱中軸的三維截線生成一維電場模線圖。

圖7 模擬閥片邊緣缺陷示意圖

對于底面半徑為R、 長為2l的帶電圓柱體，以圓柱中心為原點、中心軸線為z軸，對于空間中任一點的電場強度E(r,z)， 拆分為徑向分量Er(r,z)和軸向分量Ez(r,z)。 由文獻[21]可知：

(3)

(4)

而圓柱中心軸線上的電場強度為：

(5)

式中：σ為圓柱的電荷面密度；ε0為真空介電常數。

對于帶電圓柱的側面表面電場，r=R，由式(3)—(4)可得，Er(r,z)和Ez(r,z)與E(z)呈正相關，使用MATLAB可得到E(z)隨z的變化規律，E(0)=0， 當|z|增大時，|E(z)|增大，|Er(r,z)|和|Ez(r,z)|也隨之增大。因此，帶電圓柱體側面的表面電場強度呈現兩端高中間低的規律。金屬氧化物避雷器閥片柱呈圓柱體，表面電場強度呈現兩端高中間低的規律。

無缺陷的避雷器的金屬氧化物閥片電場分布如圖8所示；沿閥片柱表面平行于閥片柱中軸的三維截線生成一維電場模線圖如圖9所示，圖中的橫坐標“z坐標”方向為閥片柱的軸向。當閥片存在斷裂缺陷時，閥片柱的電場強度亦呈現兩端高中間低的規律，并且電場最大值出現的位置在上下兩端金屬氧化物閥片的邊緣。

圖8 無缺陷時金屬氧化物閥片表面電場分布

圖9 無缺陷時金屬氧化物閥片一維電場模線圖

通過仿真得出，當閥片無缺陷時，金屬氧化物閥片表面電場的最大值為1.73×106V/m。首先模擬了尺寸為1 mm×1 mm×1 mm(邊緣缺陷表面長×寬×缺陷深度)的閥片邊緣缺陷，當該尺寸的邊緣缺陷分別位于閥片柱中不同位置的閥片時，金屬氧化物閥片表面電場的最大值統計見表2。

表2 不同邊緣缺陷位置時金屬氧化物閥片表面電場最大值

圖10為不同位置閥片存在邊緣缺陷時的電場最大值與無缺陷時的電場最大值比較，“閥片邊緣缺陷位置n”表示邊緣缺陷位于金屬氧化物避雷器閥片柱從上往下的第n個閥片。由表2和圖10中的結果可以看出，只有當閥片2或閥片54(即閥片柱上下兩端的金屬氧化物閥片)存在邊緣缺陷時，金屬氧化物閥片表面電場的最大值明顯大于無缺陷時的表面電場最大值。

圖10 不同位置閥片存在邊緣缺陷時的電場最大值與無缺陷時的電場最大值比較

通過改變矩形空氣層的大小，可模擬不同尺寸的邊緣缺陷下閥片柱中金屬氧化物閥片表面的電場分布及電場最大值。分別模擬了5 mm×5 mm×5 mm(簡稱5 mm尺寸)、2 mm×2 mm×2 mm(2 mm尺寸)、1 mm×1 mm×1 mm(1 mm尺寸)3種尺寸(邊緣缺陷表面長×寬×缺陷深度)的閥片邊緣缺陷。仿真結果顯示，當閥片的邊緣缺陷尺寸不同時，電場分布規律相似。各尺寸的閥片邊緣缺陷下，都只有當邊緣缺陷在閥片2或閥片54(即閥片柱上下兩端的金屬氧化物閥片)時，金屬氧化物閥片表面電場的最大值明顯大于無缺陷時的表面電場最大值(1.73×106V/m)，邊緣缺陷位于其他位置的閥片時，電場最大值約等于或略小于無缺陷時。3種尺寸的邊緣缺陷位于兩端閥片時，金屬氧化物閥片表面電場的最大值統計見表3。可以看出，邊緣缺陷的體積越小，金屬氧化物閥片的表面電場最大值越大。

表3 3種尺寸邊緣缺陷位于閥片柱兩端時金屬氧化物閥片表面電場最大值

上述對邊緣缺陷的模擬是基于損壞的閥片沒有發生性質上的變化的情況，而當閥片被擊穿導致的邊緣缺陷，受損閥片會從非線性半導體變為一個線性導體。在仿真中改變受損閥片的材料，將存在邊緣缺陷的閥片設置為線性導體，研究1 mm尺寸的缺陷閥片位于不同位置時，表面電場的最大值。當線性導體的缺陷閥片為閥片2和閥片54時，表面電場最大值為3.61×106V/m和2.51×106V/m，從定性分析的角度，缺陷閥片為線性導體的仿真結果與圖11的結果相同。

3.2.2 不同位置的閥片斷裂時的電場分布規律及表面電場最大值

如圖11所示，在閥片中添加厚度為0.2 mm的矩形空氣層模擬閥片的斷裂缺陷，與3.2.1小節中的邊緣缺陷模擬同理，通過改變矩形空氣層所在閥片的位置進行仿真，研究當閥片柱中不同位置的金屬氧化物閥片斷裂時，整個閥片柱中的金屬氧化物閥片表面電場的分布。

圖11 模擬閥片斷裂示意圖

圖12為不同位置閥片斷裂時的電場最大值與無缺陷時的電場最大值的比較，仿真結果表明，當金屬氧化物閥片斷裂時，閥片柱中金屬氧化物閥片的電場分布規律與3.2.1小節中閥片存在邊緣缺陷時一致。

圖12 不同位置閥片斷裂時的電場最大值與無缺陷時的電場最大值比較

3.3 多個閥片存在缺陷時的金屬氧化物閥片電場分布規律及表面電場最大值

由3.2節的仿真結果看出，金屬氧化物閥片存在邊緣缺陷和閥片整體斷裂時，閥片柱中金屬氧化物閥片的表面電場分布規律相似。因此，在研究多個閥片存在缺陷的金屬氧化物閥片表面電場最大值時，只研究破壞程度更嚴重的閥片斷裂的情況。

運用3.2.2小節中添加厚度為0.2 mm的矩形空氣層的方法模擬多個閥片斷裂，將閥片斷裂時的金屬氧化物閥片表面電場最大值與無缺陷時的電場最大值(1.73×106V/m)做比較。由圖13可知，當單個閥片斷裂位于閥片2或閥片54時，電場最大值分別為3.61×106V/m和3.67×106V/m；根據COMSOL仿真結果，當閥片柱中有2個閥片斷裂時，只有當1個斷裂的閥片至少有1個為閥片2或閥片54時，電場最大值大于3.6×106V/m，其余情況的電場最大值在1.73×106V/m上下，且當閥片2和閥片54同時斷裂時，電場最大值與兩閥片只有其一斷裂時差別不大。存在3個及以上閥片斷裂時的電場最大值情況和2個閥片斷裂時相同。

仿真結果顯示，只有當存在斷裂缺陷的閥片至少包括了閥片柱上下兩端的兩個金屬氧化物閥片的其中一個時，閥片斷裂時的金屬氧化物閥片表面電場最大值才明顯大于無缺陷時的電場最大值；否則，即使閥片柱的中間部分存在多個金屬氧化物閥片斷裂，閥片斷裂時的金屬氧化物閥片表面電場最大值也不會明顯大于無缺陷時的電場最大值。

3.4 仿真結果分析

局部放電產生的原因多數是電介質的不均勻導致絕緣體各部分的電場強度不均勻，在電場強度達到擊穿場強的區域發生放電[22]。運用文獻[23]中的方法可以對電介質的擊穿場強進行試驗測量，但在本文中只做定性分析。根據局部放電的定義，當局部場強高到足以引起該區域的局部擊穿，就會發生局部放電[12]。從定性分析的角度，如果金屬氧化物閥片存在缺陷時的表面電場最大值明顯大于無缺陷時的表面電場最大值，則發生局部放電的可能性大；如果有無缺陷時的電場最大值差別不大，則發生局部放電的可能性小。從而通過比較金屬氧化物避雷器閥片在存在缺陷時與無缺陷時的表面電場最大值，可以判別閥片存在缺陷時是否發生局部放電。

由3.2節的仿真結果可以看出，金屬氧化物閥片存在邊緣缺陷或整體斷裂時，閥片柱整體的電場分布規律與無缺陷時相似，閥片有無缺陷的區別主要體現于金屬氧化物閥片表面的電場最大值。金屬氧化物閥片存在邊緣缺陷或斷裂時，都只有當閥片柱上下兩端的金屬氧化物閥片存在缺陷時，電場最大值會明顯大于無缺陷時的電場最大值，即閥片柱發生局部放電的可能性大。對于閥片柱兩端相同位置的邊緣缺陷，邊緣缺陷的體積越小，發生局部放電的可能性越大。

由3.3節得出，只有當存在缺陷的閥片包括了閥片柱上下兩端的兩個金屬氧化物閥片的至少其中一個時，閥片柱才可能發生局部放電；即使閥片柱的中間部分存在多個金屬氧化物閥片缺陷，閥片柱也不會發生局部放電。

金屬氧化物避雷器電場強度呈兩端高中間低的分布規律，電場畸變導致閥片發生局部放電，當位于閥片柱兩端的閥片存在缺陷時，電場發生畸變導致局部達到擊穿場強，發生局部放電，而閥片柱中間的閥片，電場畸變后無法達到擊穿場強。因此，局部放電測試對于金屬氧化物中間閥片損壞不敏感而對兩端損壞較為敏感。

由COMSOL仿真結果結合2.2節中局部放電檢測試驗的現象，可以初步得出結論，即局部放電對氧化鋅避雷器缺陷的檢出性受到閥片缺陷位置的影響，閥片柱兩端的缺陷能夠檢出而中間的缺陷無法檢出。

4 試驗驗證

為了進一步驗證仿真結果的正確性和普適性，對某110 kV金屬氧化物避雷器進行人工破壞，在避雷器的一個金屬氧化物閥片使閥片邊緣制造缺口，人為損壞的金屬氧化物閥片如圖13所示。將該閥片置于閥片柱的上、中、下端，分別進行局部放電測試，得到的局部放電量如表4所示。上、下端的缺陷能夠被局部放電測試檢測出，而中端的缺陷無法被測出。圖14為局部放電測試儀檢測出局部放電時的波形圖。

圖13 人為損壞的金屬氧化物閥片

表4 人為損壞避雷器的局部放電量

圖14 局部放電測試儀檢測出局部放電時的波形圖

人為破壞閥片的局部放電試驗結果與仿真結果一致，驗證了3.4節中定性分析的合理性。

5 結論

本文通過對一起金屬氧化物避雷器故障分析的局部放電進行測試和解體檢查情況，發現局部放電檢測無法反映避雷器閥片柱中間部分的缺陷，說明局部放電測試對金屬氧化物避雷器的閥片缺陷檢出有局限性。

運用COMSOL Multiphysics?多物理場仿真軟件得到了金屬氧化物避雷器存在不同種類、位置的缺陷時的閥片表面電場分布情況和電場最大值，說明了缺陷位于閥片柱兩端時，電場最大值明顯大于無缺陷時；而缺陷位于閥片柱中間時，電場最大值與無缺陷時差別不大，且不同缺陷種類對閥片柱的電場分布影響相似。

通過仿真分析和試驗驗證，證實局部放電測試對金屬氧化物避雷器缺陷的檢出性受到閥片缺陷位置的影響，對端部缺陷有效，而對中間缺陷可能無效。