电网高压避雷器安全问题探讨

倪子俊，张 颖，赵 蕾

（1.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001；2.山西百灵天地环保科技工程有限公司山西分公司，山西 太原 030002；3.山西大学，山西 太原 030002）

电网高压避雷器安全问题探讨

倪子俊1，张 颖2，赵 蕾3

（1.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001；2.山西百灵天地环保科技工程有限公司山西分公司，山西 太原 030002；3.山西大学，山西 太原 030002）

分析了电网高压避雷器存在的安全隐患，对阻性泄漏电流进行了风险辨识，提出了改善现有泄漏电流检测方法、集中自动在线监视等措施，促进了电网、变电站以及高压用电场所安全、可靠和经济运行。

高压避雷器；阻性电流检测；泄漏电流

0 引言

随着智能电网的不断发展，电网安全问题就显得尤为重要。氧化锌避雷器是保护电网设备免受过电压侵害的一种保护设备。由于氧化锌避雷器优越的非线性特性（伏安特性）和良好的通流能力，现已广泛使用于电网和变电站，然而随着氧化锌避雷器的大量使用，因避雷器本身发生事故而导致被保护设备发生损坏并且引起电力事故时有发生，因此在不断提高避雷器的制造水平、保证避雷器制造质量的基础上，有效地开展对避雷器的运行状态研究将有助于电网设备的安全运行。

1 电网高压避雷器存在的问题及风险辨识

电网高压避雷器的运行品质取决于避雷器内在的氧化锌阀片的伏安特性、通流容量、绝缘部件的选择、组装的工艺水平、严格的试验技术、运行状态的监测等。目前，虽然采取了多种技术措施，但均未达到理想的监测效果。

1.1 目前电网高压避雷器存在的问题

随着智能电网的进一步发展，对电网安全可靠运行提出了更高的要求，由于受到多方面条件的限制，目前为止在线监测避雷器阻性泄漏电流存在以下技术瓶颈。

a）缺乏有效的高压隔离变送方式，无法提高设备的安全等级和抗干扰能力。

b）缺乏准确获取有效参考点的手段，无法提高监视仪的测量精度和稳定度。

c）缺乏有效的、精确的分析计算方法，无法提高产品的精度、速度和灵敏度。

d）缺乏有效的数据传输通讯方案，无法及时传送监视仪的测量数据和参数。

对于敞开式避雷器可以通过红外成像技术进行诊断，但是，目前开关柜内的避雷器一般只安装全电流监视仪，对掌握设备的状态不灵敏、不全面。因此，有必要在运行中进行避雷器全电流测量的基础上，对避雷器阻性电流的测量进行研究。

1.2 电网高压避雷器存在的风险

1.2.1 高压避雷器的热稳定风险

如果电网高压避雷器在动作负载时引起温度上升后，避雷器在持续运行电压和当地环境条件下，非线性电阻片的温度随时间而降低，可能造成高压避雷器热稳定性下降。

1.2.2 高压避雷器的热崩溃风险

当避雷器的功率损耗随金属氧化物非线性电阻片的温度升高而增大，引起温度进一步上升，可能导致高压避雷器热崩溃。

1.2.3 高压避雷器脱离器风险

在避雷器故障时，高压避雷器脱离器不能立刻使避雷器引线与系统断开，可能导致电网重大事故的发生。

2 阻性电流检测

阻性电流检测是电网高压避雷器运行状态检测的关键，造成氧化锌避雷器运行问题的主要原因为长期工作在高压状态下，器件老化和绝缘降低，使阻性泄漏电流增加，有功损失增大，导致避雷器热崩溃，引起电力事故[1]。

对电网高压避雷器的运行状态监测的有效手段是在线监测氧化锌避雷器的泄漏阻性电流。在电网高压避雷器处于正常运行电压状态下，阻性泄漏电流分量远远小于容性泄漏电流分量，一般阻性泄漏电流分量占全部泄漏电流的比例不会超过10%~15%的数值。所以，阻性分量即使增加一倍，全电流的变化不会超过5.0%。阻性电流增大对全电流增大的幅度并不大，全电流不能快速、正确发现避雷器内部的质量变化，检测出的阻性电流也不能有效地、可靠地反映氧化锌避雷器内部的质量变化。

在测量技术上，对于氧化锌避雷器的阻性电流测量的直观性和正确性已经有了明确的技术结论和相应的技术标准（DL/T804—2002使用导则等），电网高压避雷器运行状态在线监测的技术水平得到提高，并且已经有了一些相应的在线监视装置[2]。

结合智能电网的推进发展，对于如何使监视装置的功能更加适合现场的工况要求和智能电网的标准；如何量化地对各种类型的氧化锌避雷器阻性泄漏电流的安全运行范围、变化规律和报警阀值进行数据标定，形成有效的判别依据；如何提供实时的监视手段和记录的数据，并且远距离传递信息，提供了避雷器运行状态数据的趋势变化和运行环境数据的趋势变化是目前技术上和生产上迫切需要研究解决的问题。

2.1 现有避雷器阻性电流测试存在的技术缺陷

由于受到多方面技术条件的限制，目前为止高压电网采用的在线监测避雷器阻性泄漏电流的设备，尚需解决以下技术难题。

a）高灵敏度的高压隔离技术，精确测量小于1mA的泄漏电流。

b）不取电压参考点的算法，提高监视设备的整体精度。

c）运行状态下的低功耗控制模式，延长监视设备的工作寿命。

d）运行状态下的数据通讯传输，及时传送测量数据和参数。

2.2 对现有泄漏电流检测方法的不足进行改善和

提高

以110 kV氧化锌避雷器的全电流700μA为例，测量的阻性电流基波大约是110μA（相当于15.7%的全电流），容性电流大约是692μA，当电压升高到105%时，全电流也增加到105%，达到735μA，这个数值的变化是由于运行电压的变化造成，所以在运行电压上下有5%的波动时，全电流也有上下5%的波动。

如果阻性电流在运行中由于特性的变化，而使阻性电流的数值增加一倍，达到220μA时，全电流的数值仅仅增加到726μA，增加的幅度仅仅是3.7%，不到5%，全电流所反映的灵敏度是不能较有效反映内部质量的变化。或者说，电压波动产生的全电流变化远大于特性变化引起的阻性电流的变化（实际的试验结果是对于瓷套式的避雷器在运行电压为110 kV时的相电压为63.5 kV，在这个电压下的全电流一般为600~630μA，而阻性电流的基波峰值仅仅是110~118μA，就是其有效值为83 μA的水平，相当于13%的全电流。所以如果阻性电流变化达到一倍的时候，全电流的变化不会超过3.5%）。因此，全电流的变化不能有效反映避雷器内部特性已经发生较大的变化。

2.3 在线检测避雷器运行状态功能的集中

a）采用测量全电流的功能判断。

b）采用测量阻性电流峰值的功能判断。

c）采用测量泄漏电流基波和三次谐波的功能判断。

根据目前的测量技术基本归纳为上面的运行检测两类，在运行中往往遇到的是动作计数器不动作，设备运行中受到过电压的影响而损坏。因为计数器的动作需要ms级以上的时间，过电压的时间往往是μs级的时间，所以，在避雷器中通过电流或者是避雷器是不是在过电压下有通流作用的情况无法记录。

通过对现在的记录功能的理解，新研究的仪器包含避雷器的全电流测量、阻性电流的测量、过电压下瞬时电流的测量与记录。

2.4 自动在线监视

到目前为止，对于避雷器的监视电流还不能进行远距离的输送和自动监视，或者虽然已经有试验的设备，但是由于测量的方法是停留在避雷器的测量方法没有改进前的阶段，所以即使有测量的远传数据，由于测量误差大的原因，也不能作为避雷器故障的有效判据。

为了提高监视的长期性和有效性，应当有可以实时的监视手段和记录的数据，所以检测数据的远传，可以通过各个途径上传到有关的部门，提高监视的实时性。

3 高压避雷器故障对电网造成的危害

图1为电网高压避雷器等效示意图。图1左边为实际电网高压避雷器安装示意图，右边为电网高压避雷器等效示意图，由等效示意图可以看出，当等效电阻值下降，则电阻泄漏电流就会相应增大。

图1 电网高压避雷器实际安装及等效示意图

通过多年的运行经验表明，由于电网高压避雷器的运行是一直处在高电压下，会使避雷器内部的电阻片老化；同时，由于环境条件的影响,其电阻片易发生受潮劣化，引起阻性泄漏电流的增加。若不能迅速将不正常的避雷器及时退出运行，在一段时间内（几月、几天或数小时），当系统中出现过电压,避雷器可能热崩溃，发生爆炸，引发大面积电力事故。

图2所示的是2个避雷器的伏安特性曲线，曲线1为故障避雷器，曲线2为正常避雷器，横坐标为运行电压，纵坐标为泄漏阻性电流，故障避雷器电阻片老化，同等电压条件下泄漏阻性电流远大于正常避雷器，其绝缘性能大大降低。

图2 避雷器伏安特性

避雷器热崩溃所引起的电网线路故障从经济角度来讲是比较巨大的，以山西省为例，2002年的故障统计表明，雷击跳闸引起的线路故障占故障总数的1/2以上，其中500 kV以上线路共有3次。故障重合成功率为90%，高压跳闸和未及时重合的经济损失巨大，如表1所示。

表1 2002年220 kV以上线路雷击跳闸情况

4 特高压线路故障重点防治分析

对于特高压工程，交流特高压避雷器作为1 000 kV交流特高压系统的重要过电压保护装置，其安全运行对电力设备乃至整个特高压系统的安全运行具有非常重要的意义。1989年和1990年，前苏联l150 kV线路每年每百公里雷击跳闸的次数分别为0.3次和0.4次。特高压交流输电线路杆塔的高度和宽度均较超高压输电线路增加得多，因此线路遭雷击的概率也会增加，防雷将是1 000 kV特高压交流线路故障防治的重点。避雷器在线监测系统能及时监测避雷器运行状态下的绝缘特性，是防雷措施中的一种安检措施。

我国研发特高压交流输电技术，既面临高电压、强电流的电磁与绝缘技术世界级挑战，又面临重污秽、高海拔的严酷自然环境影响，创新难度极大。通过关键技术研发、设备研制和示范项目建设，制定智能电网技术标准。加快推广应用智能电网技术和设备，提升电网信息化、自动化、互动化水平。

5 结束语

电网安全是关系到国家经济和民生的主要问题之一。近10多年来，随着智能电网的不断发展，对大电网的安全问题就显得尤为重要，所以，在运行电压下对电网高压避雷器的阻性泄漏电流的实时精确检测就成为电网状态监测的一项重要内容，它对线路运行安全以及避雷器设备的状态变化趋势检测预判起到了至关重要的作用。

［1］ 刘涵，毛学锋，吴毅.氧化锌避雷器带电检测方法及现场故障分析［J］.电气开关，2013，02（4）：73-75.

［2］ 中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL/T987—2005 氧化锌避雷器阻性电流测试仪通用技术条件［S］.北京：中国电力出版社，2006：1-8.

Discussion on Power Grid High Voltage Lightning Arrester

NIZi-jun1，ZHANG Ying2，ZHAO Lei3
（1.State Grid Shanxi Electric Power Research Institute of SEPC，Taiyuan，Shanxi 030001，China；2.Shanxi Larkworld Environmental Technology Engineering Co.，Ltd.，Taiyuan，Shanxi 030002，China；3.Shanxi University，Taiyuan，Shanxi 030002，China）

The hidden danger existing in powergrid high-voltage lightning arresterwasanalysed,and risk identification for resistive leakage currentwasmade.Correspondingmeasures，including improving the currentdetectionmethod for leakge currentand centralizing automatic on-linemonitoring etc.，were put forward to promote the safe，reliable and economic operation of substationsand high-voltage powerutilizing sites.

high-voltage lightningarrester；resistive currentdetection；leakage current

TM862+.1

A

1671-0320（2014）03-0023-04

2014-01-04，

2014-04-05

倪子俊（1961-），男，江苏盐城人，1985年毕业于山西广播电视大学计算机自动化专业，高级工程师，主要研究方向为电厂自动化；

张 颖（1989-），女，河北保定人，2012年毕业于山西林业职业技术学院管理专业，市场专员，主要研究方向为电厂安全评价；

赵 蕾（1992-），女，山西沁源人，2011级山西大学工程学院电气工程及自动化专业在读。