高频脉冲电流法在氧化锌避雷器带电测试中的应用

王俊波, 章涛, 邱太洪, 张思寒, 李国伟

(广东电网有限责任公司佛山供电局，广东 佛山 528000)



高频脉冲电流法在氧化锌避雷器带电测试中的应用

王俊波, 章涛, 邱太洪, 张思寒, 李国伟

(广东电网有限责任公司佛山供电局，广东 佛山 528000)

分析电力系统氧化锌避雷器(metal oxide surge-arrester, MOA)带电测试的发展现状及其目前主流测试方法存在的不足，提出MOA高频脉冲电流的带电测试方法，从理论上说明高频脉冲电流法测试原理和缺陷判据的图谱特征，根据现场测试经验总结可操作的实用测试方法，最后通过一起典型案例的应用说明该方法在现场测试中的有效性。

氧化锌避雷器(MOA)；高频脉冲电流；带电测试

氧化锌避雷器(metal oxide surge-arrester, MOA)在电力系统广泛应用，其功能在于限制系统因各种外在或者内在原因产生的过电压。作为电力系统中过电压保护的主要设备，运行的稳定性直接关系到电力系统的安全[1]。目前，电力设备健康状况主要通过停电预防性试验、带电测试、在线监测三大手段来保障。停电预防性试验作为传统的试验手段，其地位在现阶段仍然无可取代。在线监测不但需要投入大量的前端监测设备，而且需要进行后台以及通信维护，一次性投资较大。带电测试可以降低因停电造成的系统负担，又可以达到实时准确的监测目的，比在线监测更灵活，是目前电力设备绝缘监测的重要手段[2-3]。

MOA带电测试主要采用全电流及阻性电流测试，分全电流法、基波法、高次谐波法、补偿法等。多年的现场应用证明该方法可以发现MOA内部受潮、阀片劣化、内部元件接触不良等缺陷[4-6]。全电流法虽然简单，但是不能检测MOA的早期劣化；MOA阀片老化后，伏安特性非线性变差，阻性电流高次谐波增大，而阻性电流的基波分量则不发生明显变化，但是受潮后表现出的状况正好与老化引起的状况相反，基波分量发生明显变化，而高次谐波分量则不发生明显变化，鉴于基波法和高次谐波法的局限性，分析过程困难；补偿法在一定程度提高了检测的准确性，但最大的弊端在于无法消除相间耦合电容电流和系统高次谐波的影响[7-12]。现有全电流法及阻性电流法的带电测试手段，主要根据电流幅值的大小以及变化趋势，通过时间序列上的纵向对比、同类设备或者不同相别之间的横向对比等统计分析方法来判断MOA的健康状况，对绝缘老化及其损害程度进行一定程度上的定向判断，虽然这种判断方法在相关的试验规程中都作了明确的规定，但得出的数据能否对MOA的运行状态进行全面、正确的反馈是值得商榷和继续研究；对于目前应用较为广泛的红外测温，由于避雷器属于电压值致热型设备，温差范围较窄，对仪器和测试人员要求高，在内部劣化初期很难通过温升反映出来，或者是微小的变化也难以被检测出来，对于外绝缘积污等表面爬电导致的异常温升容易被发现。

采用全电流及阻性电流法对MOA进行带电测试，发现凡是阻性电流偏大的MOA，无论其数值有无超过规程规定值，阻性电流波形都存在毛刺，并非标准的正弦波，这些毛刺属于泄漏电流中的高频成分，需要使用宽频电流传感器才能将其完整捕获。采用高频脉冲电流法进行局部放电测试已在电缆中广泛应用，笔者尝试了使用该方法对多组MOA进行带电测试并取得良好效果。

1 高频脉冲电流法测试原理及典型缺陷的图谱特征

运行中的MOA，其绝缘部分可等效为一个电容，三相间存在一个耦合电容。当MOA绝缘状况发生变化或者内部元件松动时，等效电容的两极出现电荷变化，并伴随一个持续、短暂的脉冲电流信号贯通等效电容的两极，这个脉冲电流信号类似微观雷电流，即高频脉冲电流。高频脉冲电流法就是捕获脉冲电流信号，频率较高，普通的电流传感器不能有效获取其完整信息，因此必须使用高频电流传感器(high frequency current transformer，HFCT)，它可以捕获的电流频率高达几十兆赫兹甚至上百兆赫兹[13-16]。

HFCT捕获的高频脉冲电流信号既可用于示波器直接观察波形特征，也可用于频谱分析，还可以输入给智能诊断系统形成幅值、相位和脉冲个数相关联的图谱，即Φ-Q-N图谱，用于缺陷类型的判断。MOA常见缺陷包括内部受潮、阀片老化、顶部压紧弹簧松动造成悬浮放电、连接部位的尖端等，其中最常见、威胁最大的是内部受潮和阀片老化。内部受潮主要源于产品生产过程避雷器阀片烘干不彻底，含水分或者装配时避雷器的密封垫圈安放位置不当甚至没有安装；厂家使用材料不合格，瓷瓶质量差，带有看不见的小孔也会造成水分渗入，造成内部受潮。阀片老化主要产生于运行过程中，由于避雷器阀片的均一性差，其老化程度不尽相同，造成阀片电位分布不均匀，部分阀片首先劣化导致其余阀片负担加重，老化速度加快，形成恶性循环。

现在运行中，可以将MOA典型缺陷归结为绝缘类放电、悬浮电位放电、尖端放电3种情形。3种典型局部放电的通用Φ-Q-N图谱如图1所示。将高频脉冲电流法应用于避雷器局部放电测试，可以参考以下通用图谱作为判据。

图1 MOA典型缺陷Φ-Q-N图谱

缺陷1情形如图1(a)所示，它属于受潮或者阀片劣化的绝缘类放电[17]，缺陷图谱呈现双极性“馒头状”分布特征，属于内部绝缘缺陷，随着电压升高，MOA出现放电，电压下降继续充电再放电，如此反复，在电压峰值过后电压下降放电暂停，直到达到反相的放电电压值后又开始新一轮的放电，电压越高放电幅值越大，因此放电呈现出双极性的“馒头状”特征。

缺陷2情形如图1(b)所示[17]，它属于内部元件松动的悬浮电位放电，缺陷图谱呈现“平台状”分布特征，属于悬浮电位缺陷，一般由MOA顶部压紧弹簧松动引起，若松动程度不随电动力或机械振动发生变化则属于固定间隙的悬浮电位，反之则属于非固定间隙的悬浮电位。固定间隙在起始放电电压之后击穿电压之前，放电幅值均不会发生太大变化，因此放电图谱呈现规则的“平台状”特征；而非固定间隙放电电压随间隙尺寸变化而变化，图谱呈现不规则的“平台状”特征。

缺陷3情形如图1(c)所示[17],它属于连接部位的尖端放电[17]。缺陷图谱呈现单极性的“馒头状”分布特征，属于尖端放电缺陷。一般由接线板连接部位的尖端、毛刺等引起，属于高压端为尖端的缺陷。当尖端为高压端时，负极性时电子容易发射，同时正离子撞击阴极发生二次电子发射，使得放电总是在尖角为负极性时先出现，这个时候正离子很快移向尖角的尖端而复合，电子在平移电极过程中，附着于中性分子而成为负离子，负离子的迁移速度较为缓慢，众多的负离子远离尖角后，尖角附近的电场又得到升高，于是出现第二次放电，放电脉冲就出现在外加电压负半周的峰值附近。

2 现场检测方法

高频脉冲电流法带电测试，可在放电计数器的接地引下线处卡接HFCT，如图2(a)所示。为了消除放电计数器的影响或者现场空间的影响也可以人为构造1条高频信号通道，即在放电计数器两端并联一个电容，在电容通道上卡接HFCT，如图2(b)所示。相位同步信号可以从邻近的电压互感器二次获取，也可以采集被测MOA的泄漏电流，使其通过电阻转化成电压信号来获取。

图2 测试示意图

2.1 基于三相信号的同步检测

MOA三相并列运行，在三相设备上同时卡接HFCT。三相设备同时发生相同故障的情况很少，如果存在外部干扰，三相设备会同时检测到类似的高频脉冲电流信号；如果存在高频脉冲电流信号又存在干扰，则可根据波形特征进行干扰剔除，即三相设备都能检测到波形干扰信号，而放电信号则在某一相上存在与之不同波形的信号。

2.2 基于三相信号的极性鉴别法

当一组MOA三相之间的耦合电容较大时，某一相因缺陷出现高频脉冲电流信号，其他两相同样可以检测到高频脉冲电流信号，此时可以利用三相信号波形的极性进行判断，故障相的高频脉冲电流波峰的极性与其他两相相反，可以通过如图3所示回路进行分析，图3(a)为“一”字排列的三相MOA，图3(b)为其等效回路。

CU、CV、CW分别为MOA三相等效电容；C11、C22为等效相间耦合电容。图3 极性鉴别回路分析

当MOA的 U相出现缺陷时，等效电容CU(其值为CU，其余类推)两端的电压降低，而此时等效电容CV、CW两端电压并不发生变化，CV通过C11向CU充电，充电电流为i1，CW通过C11、C12向CU充电，充电电流为i2，i1和i2即为高频脉冲电流，若规定入地的电流为“+”，则在U相检测到的电流为“+”、V相和W相检测到的电流为“-”。同理，V相出现缺陷时，则在V相检测到的电流为“+”，U相和W相检测到的电流为“-”；W相出现缺陷时，则在W相检测到的电流为“+”、U相和V相检测到的电流为“-”。因此，利用缺陷相高频脉冲电流极性与其余两相相反的原理可以清楚判断出缺陷相，即利用极性鉴别法定相，如果三相信号同极性，则判断为外界干扰信号。

2.3 基于Φ-Q-N图谱相位特征进行干扰剔除

当从邻近电压互感器或被测MOA获得相位信息时，可根据检测到的信号是否存在相位特征进行干扰剔除，随机干扰与工频50 Hz不存在固定的关系，而放电信号则与工频具有特定的关系。如果检测到的信号充满了整个工频周期，没有明显的相位特征，即可以判断为干扰信号。

3 典型案例应用

2013年3月13日试验人员对某220 kV变电站全站110 kV及以上MOA进行交流泄漏电流带电测试时，发现110 kV旭华乙线MOA W相全电流及阻性电流与历年测试数据相比有较大的增长，而在历次的红外巡测中并未发现温度有出现明显异常的现象，历年测试数据见表1。全电流及阻性电流变化曲线如图4(a)、(b)所示。

表1 历年带电测试数据

测试日期全电流有效值Ieq/μAU相V相W相阻性电流峰值Imax/μAU相V相W相2009-04-2768660659711097912010-02-21686613523111100912011-04-0168961152311098912012-05-06706641571113100932013-03-24683604908115105132

图4 电流变化趋势图

从图4(a)、(b)可以看出，全电流及阻性电流值比之前数值有明显增大。阻性电流的波形如图5所示，将其与相邻间隔的110 kV旭华甲线测试结果进行对比，可以发现110 kV旭华乙线MOA W相阻性电流上叠加有脉冲毛刺。

图5 阻性电流波形

通过以上全电流及阻性电流的变化趋势可以看到110 kV旭华乙线MOA W相测试结果出现了异常，特别是阻性电流最后测试值相对以往测试值已经增加了0.5倍，按照南方电网预试规程关于“金属氧化物避雷器带电测试时，阻性电流与初始值相比，增加0.5倍时应分析原因，加强监测，适当缩短检测周期”的规定，直接采取了高频脉冲电流法局部放电检测。

采用高频脉冲电流法对110 kV旭华乙线MOA进行带电测试，HFCT卡接在放电计数器接地处，使用高速示波器观察三相高频脉冲电流波形，得到W相电流极性为“+”，而U、V相电流极性为“-”，采用极性鉴别法判断W相避雷器存在缺陷，其Φ-Q-N图谱如图6所示，呈现双极性“馒头状”的分布特征，为内部绝缘缺陷，判断可能为内部受潮或者阀片劣化所致。

图6 Φ-Q-N图谱

把该支MOA退运后进行一系列的电气试验，发现绝缘电阻合格，但是交流伏安特性曲线失去非线性特征，解体MOA，在端部沿金具和绝缘子接触部位进行横切，切开后发现有水从避雷器内部流出，说明MOA上端部存在严重的受潮进水情况，缺陷原因判断为MOA注塑孔密封不良，在长期运行过程中，水汽逐步侵入密封腔内，使部分阀片受潮，丧失非线性特性导致。解体结果与高频脉冲电流法带电测试的Φ-Q-N图谱呈现双极性“馒头状”的分布特征相吻合。

4 结束语

MOA预防性试验的主要手段是带电测试，基本取代了停电试验。目前广泛使用的全电流、阻性电流带电测试以及红外测温等手段要继续保持并实现精细化。本文提出的将高频脉冲电流法应用于MOA，可作为一个很好的带电测试手段，发现MOA的潜在缺陷，对现有的带电测试检测手段起到了补充和验证作用，可根据高频脉冲电流波形的极性进行缺陷相别判断，并且可以根据图谱特征初步分析放电类型，对于综合诊断提供了更加有用的信息，对指导设备检修起到一定的作用，为更好把握MOA健康情况积累宝贵的经验。当然，目前局放测试也未做到受潮或者绝缘劣化程度的定量判断，同时实际缺陷的图谱特征更有待积累以完善和动态修正判据，在提高检测和综合判断的信度与效度上还需要进一步的研究和工程实践。

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(编辑 王夏慧)

Application of High-frequency Pulse Current Method in MOA On-line Detection

WANG Junbo, ZHANG Tao, QIU Taihong, ZHANG Sihan, LI Guowei

(Foshan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Foshan, Guangdong 528000, China)

This paper analyzes development status quo of metal oxide surge-arrester (MOA) on-line detection of power system and shortages of present main testing methods.It presents an on-line detection method based on MOA high-frequency pulse current and explains testing principles of high-frequency pulse current method and graph spectral features of defect criteria in theory.According to field testing experiences, it summarizes operable practical detection methods and expounds effectiveness of this method in field detection by means of one case of typical example.

MOA; high-frequency pulse current; on-line detection

2016-07-29

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.11.022

TM862

B

1007-290X(2016)11-0114-06

王俊波(1986)，男，山西临汾人。高级工程师，工学硕士，主要从事高压试验及状态监测工作。

章涛(1977)，男，湖北钟祥人。高级工程师，工学硕士，主要从事高压试验及状态监测管理工作。

邱太洪(1983)，男，福建龙岩人。工程师，工学硕士，主要从事高压试验及状态监测工作。