金属氧化物避雷器电流参数分析

2011-11-19李小建

云南电力技术 2011年6期

李小建

(云南电网电力研究院，云南昆明 650051)

1 前言

为了解金属氧化物避雷器(英文缩写为MOA)的电气性能，一个非常有效的手段就是测量其交流运行电压下的泄漏电流，通过对泄漏电流中各分量的分析来判断MOA性能的优劣及造成劣化的原因。哪些工频电流参数能正确反映MOA性能的好坏有不同看法，为搞清楚这个问题，有必要作深入的探讨。

2 MOA的基本电流参数及物理特性

对交流运行电压下MOA的泄漏电流而言，全电流无疑是重要的基本参数之一，是主要的测量对象。全电流由容性电流和阻性电流组成。正常情况下，流过MOA阀片主要是容性电流，阻性电流相对较小，仅占全电流的10%左右。虽然容性电流被认为是线性变化，但由于MOA阀片的非线性，导致阻性电流为一非正弦波，因此全电流波也为非正弦波。当流过MOA总体的电流I为已知时，其压降U为:

式中A—与阀片高度、面积有关的常数。

变换后，已知压降U时计算I的公式为

阻性电流是另一重要的基本参数，它由阻性电流基波和各奇次谐波电流组成，其傅里叶级数的展开式为

式中各次谐波电流幅值的表达式为

由基波和各奇次谐波电流组成的阻性电流为非正弦波，因此阻性电流总是用峰值来表示。在实际分析中，由于三次以上奇次谐波电流的值很小，一般总认为阻性电流峰值由基波和三次谐波电流组成，它能综合反映MOA的受潮、元件损坏、表面污秽和阀片老化。阻性电流峰值和全电流波虽同为非正弦波，但由于全电流中的容性电流波在相位上超前阻性电流波90°，因此两者的波形还是有较大的差别。

阻性电流基波是个正弦分量，主要反映MOA有功分量的变化。与阻性电流峰值一样，阻性电流基波也能反映MOA的受潮、元件损坏、表面污秽和阀片老化情况，不同的是它是从功率损耗的角度来反映的。

阻性电流三次谐波分量也是个正弦分量，它和其它奇次谐波电流是由MOA阀片的非线性特性而产生的。三次谐波分量与阻性电流基波之间存在一定函数关系，三次谐波电流分量的大小可间接反映MOA有功损耗的变化和阀片的老化情况。目前一些阻性电流仪就是根据它们之间的这种关系制造出来的。

容性电流分量是个正弦量，随着外施电压的增大按线性规律增加。当阀片温度增加时，容性电流分量值也有微略的改变，但这种变化比起阻性电流的变化要小得多，可忽略。正常情况下容性电流中的高次谐波含量只有(容性电流)基波量的1% ～2%［2］，因此可以认为容性电流分量是线性变化的。

3 电流参数反映MOA的电气特性

根据上一节的分析，各电流量都能反映MOA电气性能的变化。那么谁是最主要的量，测试仪器应该给出哪些测量值，每次预试后应纪录哪些电流值作为判断值和今后的比较量，对这些问题各有不同看法。

3.1 全电流

电力预防性试验规程(DL/T596－1996)［6］规定“对MOA应测量运行电压下的全电流、阻性电流或功率损耗”。这表明全电流和阻性电流是必须监测的两个基本量。全电流是个非正弦量，应以峰值来表示。全电流峰值由容性电流和阻性电流组成，阻性电流所占成分很小，因此全电流对阻性电流的变化反映不灵敏，就是有反应也容易被测量的分散性所掩盖，导致无法进行正确的判别。它的价值主要体现在MOA有较大故障或老化较严重时，因此它只是一个不可缺少的参考量。

3.2 阻性电流峰值分量

阻性电流峰值由包括基波在内的各奇次谐波叠加而成。在系统持续运行电压下，正常的阻性电流峰值约100～200μA，MOA受潮和阀片老化后，阻性电流峰值的变化很容易达到这个数量级，因此阻性电流峰值综合反映MOA性能的变化是比较灵敏的，很多情况下都以它数值的大小来判别MOA性能的优劣。预防性试验规程(DL/T596－1996)规定:当阻性电流增加到初始值的一倍时，应停电检查［6］。部分避雷器的生产厂家也规定了运行电压下阻性电流(峰值)允许的上限值，作为判别MOA性能优劣的参考标准(如西瓷厂对330kV避雷器规定为0.3mA)［1］。国外一些观点还认为MOA阀片的功率损耗(或阻性电流分量)达到初始值的2倍时，或阻性电流达到10mA时，避雷器就不再能够可靠工作了，以此来推算其预期寿命［4］。阻性电流峰值IRP是一个非常重要参数，在作MOA性能的好坏的初步判断时应以它的大小作为标准。但它只是一个综合量的反映，且易受电源谐波的影响，因此在对造成阻性电流增大原因作深入分析时仅靠它是不够的。

3.3 阻性电流基波分量

阻性电流基波是从功率损耗角度综合反映MOA性能的分量。与阻性电流峰值IRP一样，作MOA缺陷的深入分析和判断时它的局限性就体现出来了，因此在MOA性能变化和缺陷的判断方面它也是一个综合判断量。由于阻性电流基波不受电源电压谐波的影响，因此有人提出用测量阻性电流基波的方法代替测量阻性电流峰值，并以此制造出了测量仪器［5］。这样做是否正确下面还要深入进行讨论。

3.4 阻性电流三次谐波分量

阻性电流三次谐波是由MOA阀片的非线性产生的。MOA阀片老化之后，阻性电流中的三次谐波成分增大［1］。三次谐波分量只反映MOA阀片的老化，是一个不折不扣的局部判断量。

3.5 用各电流分量判断MOA性能的方法

从以上分析可看出，MOA的各个基本电流量在反映MOA缺陷方面都有一定的局限性，都不能单独作为一个判断量来确认MOA性能变化的原因。正确的方法是准确地测量各个基本电流量，根据各个电流量的大小综合分析和判断MOA性能的好坏和变化的原因。

目前流行这样一种观点，认为阻性电流基波IR1是反映MOA性能的好坏的主要参数，测量仪器与测它为主;试验中只纪录全电流和阻性电流基波IR1，并以其作判断值及试验的初始比较值。持这样观点的人认为①IR1既包括MOA受潮等的信息也包括其老化的信息。②电源电压谐波会给MOA阻性电流峰值的测量带来较大的误差，而IR1并不包括谐波分量。

根据公式(2)和(3)，当MOA阀片老化后其β值增大，从而基波电流IR1及谐波电流IRN也相应增大。IR1的老化增大与IR3的老化增大是有区别的，IR1反映的是阀片老化导致的有功量的增加，而IR3等反映的是阀片老化后电流非线性的变大。文［3］指出根据国外的研究，MOA阀片的劣化主要使其中的IR3加大，受潮将主要使其中的IR1加大。文［3］还给出了相邻两奇次(n次、n－2次)谐波阻性电流幅值间的关系

公式显示，n=3时，随着β值的增加，IR3占IR1的比例越来越大，最终趋近1:1。如n=3对，当β=3时，当β=10时I=R3已超过1/2。由此可见I对阀片老化的反R3映是十分灵敏的。IR1主要反映MOA有功分量的变化，因此对诸如MOA瓷套表面脏污、内部元件损坏和受潮及老化等均有反映，是个综合判断量。如果测试后只给出一个有变化的IR1值，测试者能知道是什么状况造成这种变化的吗?事实上IR1与IRP一样只能笼统地对MOA性能作出反映，对阀片老化的反映也不灵敏，因此仅凭IR1这一参数是不能有效地对造成MOA性能变化的原因作出正确判断的。

对MOA性能变化原因正确测量和判别的方法是，用能全面正确测量MOA参数的记录仪记录I、IRP、IR1和 IR3等参数。当发现 I和 IRP有增加，说明MOA有问题，比较IR1和IR3的变化，IR1增大;IR3没变化，可认为MOA有受潮、脏污等。反之IR3明显增大;IR1有增加但变化不明显，则可断定MOA的阀片在老化。

3.6 电压的谐波含量对阻性电流测量的影响

电压的谐波含量对阻性电流幅值是有影响的，如电压谐波含量增大则影响更为显著［2］。但实际上除个别谐波较大的区域(如冶炼厂、电力机车等)外，电力系统中的电压谐波分量并不大。按标准规定110kV及以上电网的谐波含量应在1.5%以内。谐波的影响主要表现在谐波含量的变化方面，如系统内的电压谐波含量基本保持恒定，相对比较时，这个影响可以被排除。在停电状态下的预试中，电压谐波主要来自试验电源(如试验变压器等)。如每次试验采用同一电源，在相对比较中，谐波的影响也可以被排除。另外利用IR1只反映MOA阀片老化有功分量变化的特性，对各测量参数进行综合比较，可有效地判断是谐波的影响还是MOA阀片的老化。准确测量IRP、IR1和IR3等参数，当仅由系统电压谐波造成MOA谐波电流增加而阀片未老化时，只有IRP和IR3会变化，而IR1不会变化;当IRP、IR1和IR3三个电流参数同时变大时(增大比例不一样)，说明MOA阀片在老化，应引起注意。这样的综合分析和判断有利于克服电压谐波造成的测量不确定性和误差。

3.7 用优良的仪器和正确的测量方法

目前不少厂家生产的阻性电流测试仪只能测量部分电流参数，且不少参数还有很大的测量误差。对这样的仪器，可以认为不具备正确测量的能力，不能有效用于MOA阻性电流的测量，厂家应对其进行改造和完善，使其真正能用于现场的阻性电流测量。对现场测试人员而言，掌握正确的测量方法，全面准确地测量各性能参数，认真分析综合比较，不能只以部分参数来判别MOA的性能变化，这样才能不断提高测试水平，对试品性能作出正确的判断。