温度对金属氧化物避雷器（MOA）特征参量的影响及修正方法探讨

赵丹丹，肖 嵘，司文荣，韩 政，张嘉旻，周 越，郭 洁

（1，国网上海市电力公司电力科学研究院，上海200437；2，国网上海市电力公司，上海200122；3，西安交通大学电气工程学院，西安，710049）

0 引言

无间隙金属氧化物避雷器（MOA）是电力系统设备的重要保护防线。MOA现场交接试验是检验MOA出厂特性及运输过程的重要手段，MOA投入运行后，周期性的带电检测试验是检验避雷器运行状态的重要手段。其试验结果的有效性和准确性对判断MOA运行特性和运行状态起着决定性作用。

但随着MOA制造技术的改进、电阻片配方工艺的调整，MOA的状态参量特性有了明显变化[1-8]。多个超特高压变电站MOA带电检测试验结果表示，避雷器特征参量的变化并不能直观反映出故障及事故的发生，检测人员有时也无法根据现有的检测数据对MOA状态给出有效、准确的判断，甚至可能作出误判耗费人力物力停电检测影响正常运行。这在超特高压避雷器中表明更为明显。在多个交流特高压MOA现场交接试验中，不同环境下同一台MOA测量出的泄漏电流差异很大。另外，在特高压MOA带电检测中，某些泄漏电流和阻性电流均超过运行规程的MOA，在随后的返厂全面试验中并未发现任何问题。这对特高压MOA带电检测的有效性和故障判据的适应性提出了质疑[9-13]。

金属氧化物避雷器以氧化锌为主要成分，加入少量添加剂，在高温下烧结而成。从微观上讲，金属氧化物避雷器的非线性主要是由于氧化锌晶粒和晶间层之间的势垒而产生的。当温度升高，分子活动剧烈，避雷器的特征参量也必然会变化。但变化程度则与避雷器的配方和工艺有关[1-3]。

综上，笔者研究了环境温度对金属氧化物避雷器特征参量的影响，为特高压金属氧化物避雷器带电检测的有效性以及故障判据的修订提供了依据。

1 避雷器特征参量

目前，金属氧化物避雷器现场交接试验内容主要包括直流参考电压U1mA、75%参考电压下的泄露电流I，交流参考电压和交流参考电压下的泄露电流[4-5]。

另外，当避雷器绝缘性能下降，主要影响避雷器本体电阻，外在表现形式是其阻性电流成分显著增大，相应的，持续运行电流也有所增大。测量避雷器全电流及其阻性分量，就能有效地判断出金属氧化物避雷器的运行状态，这也是金属氧化物避雷器阻性电流检测和故障判断的原理[6-8]。目前，MOA带电检测试验内容主要是测量在持续运行电压下的持续运行全电流Ix、阻性电流基波分量Ir1，阻性电流三次谐波分量Ir3。

综合以上分析，笔者在研究环境温度对避雷器特征参量的影响时，主要关注MOA直流1mA参考电压U1mA、75%U1mA下的泄漏电流、持续运行全电流Ix、阻性电流基波分量Ir1和阻性电流三次谐波分量Ir3。

2 试验方法及试品

由于避雷器总体与单个阀片之间的特征参量有简单的换算关系[1]，文中的试验主要针对避雷器电阻片开展。试验选用的试品主要为目前广泛使用的ϕ50、ϕ70、ϕ105三种型号的金属氧化物电阻片。为了使试品的特性能更好的反映目前超特高压MOA的特性，本文选取国内两所特高压MOA主要生产厂家的产品进行研究。

图1和图2分别是直流测量回路和持续电压下的试验回路示意图。图中，R为保护电阻，防止回路电流过大，其参数为3.5 MΩ；Ro为精密取样电阻，其阻值随温度及电压几乎不变，其参数为2 kΩ；C为整流电容，其参数为1 μF；D为整流硅堆；V1、V2为电压表，由示波器测量；TM为变压器；TV为调压器；U为电源；MOA为金属氧化物避雷器试品。C1和C2、R1和R2分别组成分压器。

试验时将试品放置于恒温箱中，通过温控调节使试品维持在一定温度下，测量状态检测中的交流特征参量与直流特征参量。

图1 氧化锌电阻片的直流测量回路示意图Fig.1 Schematic diagram of DC measurement circuit for zinc oxide resistor

图2 氧化锌电阻片的工频试验回路示意图Fig.2 Schematic diagram of AC measurement circuit for zinc oxide resistor

3 温度对直流特征参量的影响

表1和表2是不同温度下不同厂家生产的不同规格电阻片的直流参考电压和直流泄漏电流，图3和图4是不同厂家生产的不同规格电阻片的直流参考电压和直流泄漏电流随温度变化的曲线。

表1 温度对MOA直流参考电压的影响Table1 The influence of temperature on MOA’s DC reference voltage

表2 温度对MOA直流泄露电流的影响Table 2 The influence of temperature on MOA’s DC leakage current

图3 温度对MOV直流参考电压的影响Fig.3 The influence of temperature on MOA’s DC reference voltage

图4 温度对MOV直流泄漏电流的影响Fig.4 The influence of temperature on MOA’s DC leakage current

根据研究结果，随着温度从0℃逐渐加温到80℃，MOV直流1mA参考电压U1mA近似线性降低，而75%直流参考电压下的泄漏电流则呈指数增长。根据近五年的气象记录，上海地区极高温度为39℃。通常情况下，设备出厂参数均是在20℃的温度下试验所得。若以20℃为初始温度，当温度升到40℃时，电阻片的直流参考电压最多下降1.7%，而75%直流参考电压下的泄漏电流则最大可增长3.2倍。

例如，某特高压交流避雷器出厂参数中直流8 mA参考电压为225～230 kV，75%参考电压下的泄漏电流为33～50 μA，平均40 μA。假如现场交接试验时气温为40℃，则以厂家A的ϕ105电阻片的温度特性来计算，则该组避雷器75%直流参考电压下的平均泄漏电流可达106 μA，超过了国标要求的100 μA[14]。以上情况为现场交接试验结果判定带了很大迷惑性。

4 温度对交流特征参量的影响

图5至图7分别是不同规格型号的MOV在持续运行全电流、阻性电流基波分量以及三次谐波分量相比于20℃下的参考值的增长率随温度的变化规律。可以看出，随着温度的上升，金属氧化物电阻片中持续运行电流、基波分量、阻性电流三次谐波分量均呈指数增长趋势。

图5 持续运行电流随温度变化率Fig.5 The change rate of continuous running current with temperature

图6 阻性电流基波分量随温度变化率Fig.6 the change rate of fundamental component of resistive current changes with temperature

图7 阻性电流三次谐波分量随温度变化率Fig.7 The change rate of three harmonic component of resistive current with temperature

根据试验结果，避雷器本体温度从0℃逐渐增加到40℃，在80%的荷电率下，厂家A生产的ϕ105电阻片持续电流增长不大，约增长了2.7%，阻性电流基波分量增大约60%，阻性电流三次谐波分量增大约46%。而厂家B生产的电阻片的增长率更高。

某特高压交流避雷器20℃下持续运行电流出厂值平均为12.79 mA，阻性电流基波峰值平均为2.043 mA。假如现场带电检测时气温在40℃，以厂家A的ϕ105电阻片的温度特性来计算，该组避雷器的持续运行电流平均应为13.01 mA，而阻性电流基波峰值平均应为2.834 mA。在带电检测试验中，由于环境环境温度的升高，在避雷器运行状态正常情况下，测量阻性电流基波峰值也升高，甚至超过规程规定限制，在一定程度上影响了超特高压避雷器带电检测的有效性和准确性。

5 避雷器试验温度修正方法探讨

根据试验研究结果，环境温度的升高可能对避雷器设备的现场交接试验和带电检测试验带来较大干扰。因此，本节基于试验结果，以厂家A生产的ϕ105电阻片为例，对无间隙氧化物避雷器设备试验结果的温度修正方法进行探讨，以减小环境温度对试验结果的影响，提高超特高压避雷器现场交接试验和带电检测试验的有效性和准确性。

厂家A生产的ϕ105电阻片75%直流参考下的泄漏电流随温度的变化规律进行了曲线拟合，如图8所示。

对试验结果进行拟合，得到电阻片泄漏电流增量与温度的变化曲线拟合公式如下（以20℃下的泄漏电流为基础）

式中，T为温度，单位为℃；Idc,T为温度T下75%直流参考下的泄漏电流，单位为μA。

图8 避雷器直流泄漏电流变化量随温度变化（基准温度为20℃）Fig.8 The change rate of DC leakage current of MOA with temperature(the reference temperature is 20℃)

现场试验时，应用拟合公式可将20℃下的避雷器直流泄漏电流参考值折算至环境温度T下，再试验结果与该值进行比较。

以某特高压交流避雷器为例，现场交接试验时环境温度达38℃，该避雷器20℃下75%直流参考电压下的泄漏电流出厂值为40 μA，现场交接试验得该避雷器直流8 mA参考电压为223 kV，75%直流参考下的泄漏电流为102 μA。

若对试验结果不进行温度修正，则该避雷器75%直流参考下的泄漏电流超过了GB 24845-2009《1 000 kV交流系统用无间隙金属氧化物避雷器技术规范》规定值100 μA，且初值差达155%，应判定避雷器状态欠佳，谨慎起见，对其状态进行复测或开展更多试验，以确定其真实状态[15]。

以笔者提供的方法对环境温度进行修正如下：

根据公式（1），该避雷器75%直流参考电压下的泄漏电流参考值折算至38℃下为90.5 μA，即在38℃下该避雷器75%直流参考电压下的泄漏电流参考值应为90.5 μA。该避雷器75%直流参考下的泄漏电流现场试验值为102 μA，泄漏电流增长率为12.7%。

参考《金属氧化物避雷器状态评价导则》，75%直流参考下的泄漏电流的初值差为12.7%，小于30%，由此判定该避雷器状态良好，试验结果合格[16]。

该避雷器自2013年投运至今，运行状态一直良好，说明对超特高压避雷器开展温度修正是可行的，也是必要的。

综上，笔者建议超特高压避雷器现场交接试验和带电检测试验结果对环境温度进行修正，温度修正流程如图9所示。

由于泄漏电流和日光直射等缘故，运行中的避雷器温度与环境温度有一定差异，如果可以结合红外测温试验估算避雷器本体温度，则能收到更好的结果。

图9 超特高压避雷器电流特征参量温度修正流程Fig.9 Temperature correction flow of current characteristic parameters of EHV and UHV MOA

但值得注意的是，由于避雷器电阻片的配方和工艺的差别，每个厂家生产的各种规格金属氧化物电阻片的温度特性是不同的，在实际应用中，应掌握厂家特定规格的电阻片的温度特性。

目前，带电检测试验还未开展温度修正工作中，可通过每周期的纵向分析和历年同时期的纵向分析综合判断避雷器运行状态，减小温度对特征参量的影响；

6 结论及建议

试验研究了温度对金属氧化物避雷器多种特征参量的影响，并根据试验结果，初步探讨了超特高压金属氧化物避雷器特征参量的温度修正方法，得出以下结论：

1）避雷器直流参考电压随着温度的升高呈线性减小趋势，在60℃以内，其变化率基本在3%以内，对于全国大部分地区来说，该变化不会避雷器的交接试验和带电检测试验带来困扰。

2）试验结果表明，电流性特征参量随着温度升高呈指数增大趋势，其中，75%直流参考电压下的泄漏电流增速最快。

3）笔者提出将避雷器特征参量的参考值按照电阻片特性折算至当前环境温度，并根据修正以后的初值差判断避雷器状态的方法，可大大提高避雷器试验的有效性和准确性。

4）鉴于目前温度对电阻片特征参量影响较大，各厂家各规格避雷器的温度特性各异，建议厂家提供同类产品电流类特征参量的温度特性，以便现场交接试验及带电检测试验中对测试结果进行温度修正。

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