氧化锌避雷器带电检测方法及现场故障分析

刘涵，毛学锋，吴毅

（1.长沙理工大学，湖南 长沙 410114；2.湖南省电力公司检修公司，湖南 长沙 410015）

1 引言

随着电力系统自动化技术的发展及水平的提高，电力系统高压设备的检修手段也在逐步改进，状态监测、状态评估及状态检修是未来电力系统的必然方向。金属氧化物避雷器（MOA）作为电力系统重要的过电压保护设备，其本身运行状况的优劣将直接影响到电力系统的安全，由于长期在高电压等级以及户外的环境下运行，避雷器的工作性能会出现变化，并且极易发生损坏。而避雷器发生故障的后果是非常严重的，不仅会丧失保护设备及线路的基本功能，甚至还会造成电力系统过电压事故。因此对金属氧化物避雷器进行带电检测就显得尤为重要。通过研究与实践发现，MOA很容易发生以下两种异常:

（1）在运行电压下长期工作发生MOA阀片老化现象，引起阀片击穿，最终导致线路短路；

（2）当温度降低后引起MOA内部受潮，导致闪络现象。

2 氧化锌避雷器的特性和工作原理

MOA（金属氧化物避雷器）一般是由非线性压敏电阻阀片构成，电阻片的主要成分是ZnO，同时还有少量的CoO、Cr2O3.、Bi2O3等其他的金属氧化物参入其中。电阻片在电网运行电压下电阻很大，一般泄漏电流很小，可视为无工频续流，这就是可以做成无间隙氧化锌避雷器的原因；而在高压作用下电阻率会突然下降，可以泄放大量的雷电流，残压很低，使得其具有很好的非线性保护特性；它对陡波和蓄电幅值同样有限压作用，防雷保护功能是其突出优点。另外，ZnO电阻具有很大的电容量，所以在运行中流过阀片的电流主要是电容电流。MOA在电力系统中的一般等效电路图如图1（a）所示。

图1 MOA等效电路简图及其泄漏电流分量向量图

即MOA可以看成是一个线性电容和一个非线性电阻的并联。在正常工作电压下，总泄漏电流IX是MOA运行中的最基本的特征量，IX是由阻性泄漏电流分量Ir和容性泄漏电流分量Ic组成的，其泄漏电流各电流分量相量图如图1（b）所示。由此可知，当对避雷器两端施加正弦端电压时，阻性电流与端电压同相，而容性电流超前端电压90°。

3 氧化锌避雷器带电检测方法及原理

3.1 概述

金属氧化物在运行中的劣化主要是指电气特性和物理状态发生变化，这些变化使其伏安特性漂移，热稳定性破坏，非线性系数改变，电阻局部劣化等。一般情况下这些变化都可以从避雷器的如下几种电气参数的变化上反映出来:

（1）运行电压下，泄漏电流阻性分量峰值的绝对值增大；

（2）在运行电压下，泄漏电流谐波分量明显增大；

（3）在运行电压下的有功损耗绝对值增大；

（4）在运行电压下的泄漏电流的绝对值增大，但不一定明显。

目前对氧化锌避雷器带电检测的主要方法有全电流法、补偿法（阻性电流法）、三次谐波法和测温法等，各种方法的特点见表1。

表1 氧化锌避雷器带电检测方法

3.2 MOA带电检测技术原理

（1）全电流法

全电流法是应用较早的一种MOA带电检测和在线监测方法，该方法通过在MOA的接地端串联直流或交流毫安表来测量总的泄漏电流，并根据其大小变化来判断MOA的运行状态。该方法的原理图如图2所示。测量时，可采用交流毫安表，也可用经桥式整流器连接的直流毫安表，当电流为过去的2.2倍时，可认为MOA处于危险的边缘。该方法很简单，并且成本较低，但由于阻性电流占全电流比例较小，经常出现阻性电流已经发生很大变化，而全电流仍变化较小的情况。因此全电流法对MOA的运行情况进行判断的准确度不高。该方法用于不是很重要的MOA运行情况的初判。

（2）补偿法（阻性电流法）

采用补偿法测量阻性电流的是在测量泄漏电流的同时检测系统的电压信号，用以消除总泄漏电流中的容性电流分量。该方法的代表性装置是日本的LCD－4型泄漏电流检测仪，基本原理及向量关系如图2所示。

图2 全电流法原理图

采用同相的PT采集系统电压信号，通过差分移相电路将其相位向前移相90°，得到电压信号，该信号与总电流中的容性电流分量同相。G为

0自动增益控制放大器的放大增益，其能自动调节G0的大小，使其与大小相等。因此，差动放大器的输出为:

乘法器1与差动放大器的输出相乘，用以调整可控增益放大器的增益，使得中的完全被抵消掉。

（3）三次谐波法

（4）其他监测方法

最近几年，MOA的内部温度测量技术引起了人们的关注。影响MOA温度的情况有很多，例如由电特性老化或者水气侵入引起的功率损耗上升，脉冲或暂时过电压引起的能量吸收等，因此可以通过基于温度的测量来判断MOA的运行状况。同前面讨论的测量其他参数不同，测量温度不仅是一个直接的在线测量手段，而它本身是一个精确的运行参数。MOA温度是所有影响因素综合作用的结果。任何时间，避雷器的残余能量吸收容量都可以用实时的温度来反映。

图3 LCD－4型泄漏电流检测仪原理框图及其向量关系图

图4 三次谐波法原理图

因此，MOA的温度可以成为判断避雷器是否处于稳定状况一个很好的特征量，避雷器在持续运行状态下其温度的高低与和功率损耗是直接相关的，而且这种关系与电压波形无关。

4 现场案例分析

4.1 故障发现结果

2012年4月28 日，在对某变电站进行例行试验时，发现其主变间隔110kV侧C相避雷器1mA直流参考电压为105.9kV，远小于GB11032－2000中的规定值（不小于145kV），且与2007年10月例行试验数据（147.1kV）相比减少了28%，超出了状态检修规程中相关规定（与初值差不超过±5%）。75%U1mA下泄漏电流520μA，远大于规定值50μA的标准。绝缘电阻值为940MΩ。该相避雷器为1995年11月生产，型号为Y10W1－100/248，检修人员及时将该组避雷器进行了更换。

4.2 缺陷设备试验及解体情况

5月中旬，专业人员对此组换下的避雷器在试验大厅进行了绝缘电阻及运行电压下阻性电流测试，试验结果如表2。

表2 避雷器在运行电压下试验数据

从表2中看出，C相的绝缘电阻比另外两相偏低，运行电压下全电流相差不大，阻性电流比其他两相明显偏大，具体为A相数值的2.27倍，为B相数值的2.45倍。

专业人员对C相避雷器进行解体后，发现避雷器的内壁及阀片干燥清洁，无明显受潮现象。避雷器的顶盖密封处密封紧实，并无明显缺口与受损点，现场相关人员初步分析判断为避雷器氧化锌阀片老旧劣化引起缺陷。

接着对避雷器的所有氧化锌阀片（共34个）进行了绝缘电阻测试，发现有5个阀片的绝缘电阻值仅为20～30MΩ，有8个阀片的绝缘电阻值仅为120～180MΩ，其他阀片（21个）的绝缘电阻值为 400～600MΩ，具体数据如表3所示。

表3 氧化锌阀片绝缘电阻测试结果

从表3可知该C相避雷器多块阀片绝缘电阻值过低，造成1mA直流参考电压降低，75%U1mA下泄漏电流增大，带电检测测得的阻性电流增大，该缺陷为内部阀片在运行过程中老化引起。

4.3 结论及建议

带电检测工作中，阻性电流分量对反映内部阀片老化比较明显。若能加强带电检测工作，对在停电例试周期内更早地发现设备缺陷及故障有重大意义。为确保数据准确，必须选择在晴好的气候条件下进行测量。

5 氧化锌避雷器带电检测的意义

随着电力系统高压电力设备的大容量化和设备结构的多样化，以及对电力系统的越来越高的安全可靠性要求，使得传统的停电预试诊断方法显得越来越不适应。主要表现在以下几个方面:

（1）试验时需要停电。停电不仅运行人员需要大量的倒闸操作，还给用户的生产带来影响。

（2）试验周期长，试验时间集中，耗费大量人力物力。在现场经常发生预防性试验合格的设备投运不久，就发生事故的情况。国网公司依据我国国情和现状，提出了合理且合情的电气设备状态检修，提倡通过带电检测等手段，对设备状态情况进行科学有效的评估，并根据评估结果，确定维修计划。以带电检测、在线监测为主要依据的状态检修，与传统模式的检修体制相比，在成本控制方面，有明显的优势:克服定期检修的盲目性，具有很强的针对性。根据状态的不同采取不同的处理方法，降低运行检修费用。对于状态差的设备及时安排预试，对于状态好的设备可以延长检修周期，从而节省人力、物力和财力，有效地降低维护成本和检修风险。减少维护工作量，降低劳动强度，有利于减员增效，提高经济效益。减少停运时间，提高设备可靠性和可用系数，延长设备使用寿命。

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