避雷器在线监测装置的低温特性试验方法研究

汤 霖，黄佳瑞，侯文君

（1.中国电力科学研究院有限公司，武汉430074；2.三峡大学电气与新能源学院，宜昌443002）

0 引言

金属氧化物避雷器（metal oxide arrester，MOA）作为电力系统的重要过电压保护装置，广泛应用于各电压等级的电网中，对电网的安全运行具有非常重要的意义[1]。长期运行下，MOA的电阻片可能会受潮或劣化，一旦出现过电压，可能会引起MOA的热崩溃，甚至爆炸，最终失去过电压防护能力，因此需要监测MOA的运行状况以确保其安全稳定运行。避雷器在线监测装置可以在不停电的情况下监测MOA的运行状况，及时发现运行中的异常现象，对预防事故的发生，保证电力系统的供电可靠性具有重要作用。

国家电网公司“十二五”规划中要求：在“十二五”末，80%的运维单位实现电网设备运维一体化和检修专业化，90%高压变电站实现无人值守（少人值守）和集中监控。在线监测、在线检测、带电作业等生产运行新技术、新装备得到了大力发展。但随着输变电设备在线监测装置的大规模推广应用，因生产质量、地区环境差异等问题，在线监测装置故障问题多发。

历史上因低温天气原因引发的灾害造成过多起大规模电力设施故障及大面积停电事故，低温环境对电网的稳定运行造成了很大困扰[2]。对低温环境的适应性是输变电设备状态监测装置的实用化推广过程中必须面对的问题。目前国内对状态监测装置侧重于常温环境下准确性及可靠性的研究，缺乏对低温环境下状态监测装置长期运行影响及监测诊断技术的研究。

避雷器多安装于户外环境，低温环境对避雷器在线监测装置的影响更甚，研究避雷器在线监测装置的低温试验方法，确保监测装置在低温下的运行可靠性及准确性，对保证低温环境中避雷器的可靠运行，维护低温环境下的电力系统稳定运行有着极为重要的意义。

1 我国低温环境分类

近年来，我国发生了多起区域性极端低温事件。2008年1月，中国南方地区经历了历史上罕见的大范围低温、雨雪和冰冻灾害。2009年冬季，包括中国在内的北半球多个国家和地区遭受大范围低温冰雪的袭击。2011年1月，我国发生了近一次全国性极端低温事件。其中2008年发生的低温灾害使多级电网遭受严重的设备损害和经济损失，13个省（区、市）的电力设施遭到了破坏，造成170个县（市）停电，严重影响了人民生活[2]。据统计，在寒暑变化剧烈的内蒙地区，内蒙古电网的乌盟、鄂局、锡盟等地区的避雷器在线监测装置故障率在70%以上，严重的甚至达到了81.8%[3]。低温环境对避雷器在线监测装置的运行影响很大。

我国地域广阔，空间环境复杂，同时存在着多种不同种类的低温环境。据资料显示，我国自然低温环境可分为6类，年极值低温≤-5℃的区域占我国陆地国土面积的80%以上[4]。根据自然环境低温分布特点及对电网影响的程度，总结了适用于电力系统的低温环境分类，分为三类，如表1所示。-20℃～0℃环境下，空气湿度较大，易导致输电线路、设备发生覆冰现象。-45℃～-20℃环境下，空气湿度一般较小，空气中的小水滴将变成冰雹或雪花而不易于形成覆冰，但持续影响时间长。-55℃～-45℃可划分为极寒环境，空气湿度较小，持续时间短。

表1 低温环境分类Table 1 Low temperature environment classification

2 避雷器在线监测装置结构分析

目前MOA的在线监测技术主要是基于对泄漏电流的测量分析，主要有全电流法、谐波法、阻性电流基波补偿法和投影法等方法[5]。图1为常见的避雷器在线监测系统图，在线监测装置主要由传感器、信号预处理和数据采集系统、数据处理系统以及电源系统等部分构成[6-8]。从避雷器底部通过传感器取得避雷器的泄漏电流信号，通过光纤传送至数据采集系统，通过电压互感器取得母线上的电压信号，数据采集系统采集到电流和电压信号后，传输至上位机进行处理，根据电压、电流量的各次谐波值以及相角等参数，计算出相应的阻性电流值，继而在上位机上显示并保存数据，实现避雷器的在线监测。

图1 常见的避雷器在线监测系统图Fig.1 The common MOA on-line monitoring system

按照JJG 124—2005[9]规定的方法进行检定，在线监测装置电流测量性能应符合GB/T 7676.1—1998[10]和GB/T 7676.2—1998的各项规定，避雷器在线监测装置的量程及输出参数应满足表2的要求。

表2 MOA在线监测装置输出数据参数Table 2 Output data parameters of MOA on-line monitoring device

3 低温影响分析

低温环境对避雷器在线监测装置的影响主要有三方面：一是，监测装置经过一年四季冷热交替的温度变化影响后，装置密封部分如密封圈，密封胶条等出现老化或损坏，使装置局部区域出现缝隙，导致装置受潮进水，直接影响了监测装置运行；二是，电源系统、传感器、信号预处理和数据采集部分一般处于户外环境，在低温情况下，这些系统的正常运行会受到很大影响。三是，温度对避雷器本身的运行状态有着巨大影响。下面就这三方面的影响及解决方法分别进行论述。

3.1 工作温度下的密封问题

目前避雷器在线监测装置的正常工作温度范围要求是-40℃～85℃[16]。现场发现，按此工作温度设计的很多监测装置出现了密封问题，使得在线监测装置出现报警。

众多避雷器在线监测装置厂家的密封圈材料大都选择硅橡胶和发泡硅橡胶，但硅橡胶纯度一般不高，所以易出现密封问题。为此对丁腈胶（NBR）、乙丙胶（EPDM）、硅橡胶（VQM）、氯丁胶（CR）、天然橡胶（NR）等不同材料的密封圈进行不同温度下的试验，发现在-55℃时，纯度较高的硅橡胶（VQM）和三元乙丙（EPDM）具有更加优良的密封性能。

3.2 电子电路在低温下稳定工作问题

在长期低温运行工况下，监测装置受影响较大的是光电隔离器中的光纤传输，以及电子电路中的电容、电阻等元器件，表现为：1）监测设备的电源系统在低温环境下不能正常工作或者性能下降，使得监测装置的寿命大大缩短；2）低温会导致状态监测设备的传感器测量结果发生偏移，可靠性和测量精度受到较大影响，不能准确测量状态参量；3）监测装置的信号处理电路中的电子元器件受低温影响，会导致传输信号延迟，引起信号接收不同步，导致系统错误；4）监测装置的信息传输系统受到影响，导致信息传输障碍。

分析引发故障的原因，主要有：1）开关管在低温条件下载流子的密度和活性都会降低，过载保护的启动点也会因此降低；2）电解电容电解液在低温下冻结，失去电容效应，无带载能力；3）部分类型的光耦器件在低温状态下无法正常工作；4）输入端防止浪涌电流的压敏电阻，在低温下阻值变大（是常温的3～5倍），也会造成低温无法正常启动等问题。

建议选择温度特性更好的器件，来保证电子电路在低温工况下的稳定运行。

3.3 温度对避雷器运行状态特征参数的影响

一般在避雷器刚安装投运时，测取泄漏电流的初始值作为判断运行中泄漏电流变化的依据。随着氧化锌电阻片的劣化、受潮或因其它故障，避雷器总泄漏电流和阻性电流分量都将增大。阻性电流分量的变化更加明显，故而在监测中常以阻性电流变化作为氧化锌电阻片老化程度的主要判据，一般将测量值与初始值比较，若阻性电流分量增加到初始值的两倍时，应停止避雷器的运行。

文献[14-15]中研究了温度对U1mA.D.C.、功耗、泄漏电流等避雷器运行状态特征参数的影响，试验发现随着温度的升高，电阻片的阻性电流分量单调递增，平均温度系数达到了+4.5%/℃。在实验室内对20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃7种温度下荷电率为90%的避雷器电阻片泄漏电流进行了测量，试验结果如表3所示。从20℃到80℃，电阻片全电流上升了54.8%，阻性电流分量上升了280%；当温度变化达到30℃左右时，电阻片的阻性电流分量变化达到了一倍，此时可能引起在线监测装置的报警，但避雷器电阻片并未发生老化现象。在大温差下，避雷器在线监测装置可能出现误报警。

温度对避雷器运行状态特征参数的影响很大，建议根据电阻片的温度特性，考虑温度系数的影响，提出在大温差下的避雷器状态在线监测的新判断依据。

表3 不同温度下避雷器泄漏电流值Table 3 Leakage current of arrester at different temperatures

4 低温试验方法

避雷器在线监测装置的试验检测包括性能指标及重复性试验、通信功能试验、环境适应性能试验、绝缘性能试验、电磁兼容性能试验、机械性能试验、接入安全性试验、动作性能试验等内容，可按照Q/GDW 242-2010输电线路状态监测装置通用技术规范[16]和变电设备在线监测装置技术规范系列标准Q/GDW540[17]来进行。

Q/GDW 242和Q/GDW540中对状态监测装置的试验温度进行了相关规定，Q/GDW 242中规定的状态监测装置的最低工作温度为-40℃，而Q/GDW540中规定的试验环境温度为+15℃～+35℃，两类标准中要求的试验温度均与现实中的极端温度相差甚远。且Q/GDW 242中规定的低温试验仅仅是在-40℃下持续通电运行16 h。现行的入网标准既没有考核状态监测装置在低温或者极寒环境下的测量准确度，也没有考核状态监测装置在低温下的长期运行的可靠性。

建议对状态监测装置进行误差试验及重复性试验考核在低温下的测量准确度，进行低温环境适应性能试验考核在低温下的长期运行可靠性。

4.1 误差测量及重复性试验

4.1.1 误差测量试验

在线监测装置的误差测量试验原理如图2所示，通过改变输出电流的大小，模拟不同数值的泄漏电流。使用在线监测装置和标准测量仪器同时采集电流信号，以标准测量仪器的测量值作为标准读数，进行在线监测装置的相关测量参数误差计算。

测量点选取原则如下：在避雷器绝缘在线监测装置全电流的测量范围内选取包括最低检测限值、最高检测限值以及其它4个测量点在内的，共6个测量点，通过试验电路，对所选测量点的全电流进行误差测量试验。

图2 误差测量试验原理图Fig.2 Schematic diagram of error measurement test

1）测量一致性试验

在实验室模拟试验的条件下，全电流有效值2.000 mA，连续测量5次，测量结果的标准偏差应不大于允许误差的1/10。在每个测量电流下，若测量误差满足表2的要求，则试验合格。

2）温度范围内误差测量试验

准确度与温度关系的测试应在下列条件下进行：①测试过程中被试产品一直处于正常工作状态；②在线监测装置处在其规定的最高和最低环境气温。温度循环测试应严格按照图3进行。

图3 温度循环测试程序图Fig.3 Program diagram of temperature cycle test

温度的变化速率为20 K/h，热时间常数为1 h，在各测量点测量在线监测装置的误差。在线监测装置在整个运行温度范围内的误差均应满足表2要求。

4.1.2 重复性试验

必要时，为验证试验前后或者试验中在线监测装置性能未发生改变，可在试验前后或试验中每隔一段时间使用在线监测装置对所监测的状态量进行测量，计算前后两次的测量误差的变化量。前后两次误差试验的测量误差应满足表2要求。

4.2 环境适应性能试验

4.2.1 低温运行试验

按“GB/T 2423.1电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法试验A：低温[18]”中规定的试验要求，在线监测装置的户外组件与户内组件应能分别承受温度为表1规定的低温温度、持续时间（8小时）的低温试验。试验期间产品应处于误差测量回路，实时或定时监测装置的测量误差，试验期间在线监测装置应能正常工作且测量误差满足要求。

4.2.2 低温投切试验

在线监测装置应处于误差测量回路中，置于温度控制箱中正常运行，当处于各温度等级的低温温度时，断掉在线监测装置的供电电源使装置停止运行，静置30分钟后，电源重新上电，在启动过程中不允许异常输出，监测装置应能正常启动和工作。

4.2.3 温度变化试验

按“GB/T 2423.22电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法试验N：温度变化”中规定的试验要求和试验方法进行，在线监测装置应能承受温度变化老化试验，试验低温温度和高温温度按照表1的规定选取，还应遵循以下原则：在线监测装置在最高温+50℃和如表1所示的最低环境温镜温度下稳定时间为8 h。温度变化速率为1 k/h，常温-高温-低温-高温-常温为一个循环，温度循环次数为2次的温度变化试验。试验期间产品应处于误差测量回路，实时或定时监测装置的测量误差，试验期间在线监测装置应能正常工作且测量误差满足要求。

5 结论

低温环境对避雷器在线监测装置的影响很大，本文通过总结我国低温环境特点，分析低温环境的影响，结合相关标准，提出了避雷器在线监测装置的低温试验方法，对有关标准的修订具有一定参考意义。

1）根据自然环境低温分布特点及对电网影响的程度，总结了适用于电力系统的低温环境分类，可分为三类：-55℃～-45℃，-45℃～-20℃，-20℃～0℃。

2）分析了低温环境对避雷器运行状况及在线监测装置的影响，并提出了相应的解决办法。建议使用纯度较高的硅橡胶（VQM）和三元乙丙（EPDM）作为密封圈材料，建议使用温度特性更好的元器件来设计电源、采集系统等电子电路。建议根据电阻片的温度特性，考虑温度系数的影响，提出在大温差下的避雷器状态在线监测的新判断依据。

3）根据低温环境的特点，结合相关标准，提出了避雷器在线监测装置的低温试验方法，包括误差测量及重复性试验、环境适应性能试验等试验内容，以检验相关产品在低温下的安全稳定运行。

[1] 王秉钧.金属氧化物避雷器[M].北京：水利电力出版社，1993.

[2] 吴向东，张国威.冰雪灾害对电网的影响及防范措施[J].中国电力，2008，41（12）：14-18.

WU Xiangdong，ZHANG Guowei.Ice and snow disaster on the electric power grid and preventive measures[J].Electric Power，2008，41（12）:14-18.

[3] 王振宁.避雷器在线监测系统在内蒙古电网运行分析[D].[出版地不详]：华北电力大学，2015.

[4] 李继红，文静，徐勇，等.我国自然环境低温分布统计分析[J].装备环境工程，2015（2）：87-90，103.

LI Jihong，WEN Jing，XU Yong，et al.Statistical analysis ondistributionofnaturallowtemperatureinChina[J].Equip⁃ment Environmental Engineering，2015（2）:87-90，103.

[5] 殷雄开，邵涛，高翔，等.金属氧化物避雷器检测方法的现状与发展[J].高电压技术，2002，28（6）：34-36.

YIN Xiongkai，SHAO Tao，GAO Xiang，et al.Present state and future of detecting methods of MOA[J].High Voltage Engineering，2002，28（6）:34-36.

[6] 汤霖，王保山，熊易，等.数字式交流特高压避雷器在线监测系统[J].高电压技术，2009，35（11）：2624-2628.

SHANG Lin，WANG Baoshan，XIONG Yi，et al.Online monitor system of digital AC UHV surge arrester[J].High Voltage Engineering，2009，35（11）:2624-2628.

[7] 刘晋孝，祝嘉喜.MOA-BC型避雷器在线监测系统的研制[J].电瓷避雷器，2017（3）：97-100.

LIU Jinxiao，ZHU Jiaxi.The development of online moni⁃toring system for moa-bc type arrester[J].Electric Porce⁃lain Arrester，2017（3）:97-100.

[8] 赵冬一，胡淑慧，王兰义，等.智能变电站用金属氧化物避雷器在线监测技术的研究发展[J].电瓷避雷器，2013（5）：66-72.

ZHAO Dongyi，HU Shuhui，WANG Lanyi，et al.Research and development of On-Line monitoring technology of met⁃al oxide surge arresters for smart substation[J].Insulators and Surge Arresters，2013（5）:66-72.

[10]直接作用模拟指示电测量仪表及其附件第1部分定义和通用要求:GB/T 7676.1-1998[S].北京：中国计量出版社，1998.

[11]直接作用模拟指示电测量仪表及其附件第2部分:电流表和电压表的特殊要求:GB/T 7676.2—1998[S].北京：中国计量出版社，1998.

[12]蒋延磊，郑俊洋，王迪，等.一起110 kV避雷器爆炸故障原因分析[C].2012年中国电机工程学会年会论文集.北京：[s.l.]，2012.

[13]郭洁，王森，冯敏.无间隙金属氧化物避雷器运行状态特征参数温度特性研究[J].电瓷避雷器，2006（2）：32-35.

GUO Jie，WANG Sen，FENG Min.The study on tempera⁃ture character of operating state parameter of metal oxide surge arrester without Gaps in service[J].Insulators and Surge Arresters，2006（2）:32-35.

[14]郭洁，朱跃.温度对MOA电阻片主要电气性能的影响[J].电瓷避雷器，2002（2）：28-30，33.

GUO Jie，ZHU Yue.Impact of firing temperature on some basic electrical characteristics of MOV[J].Insulators and Surge Arresters，2002（2）:28-30，33.

[15]丁国成，李伟，刘云鹏，等.外部环境因素对MOA在线监测影响的试验[J].高电压技术，2008，34（6）：1283-1287.

DING Guocheng，LI Wei，LIU Yunpeng，et al.Experimen⁃tal study of influence of environmental conditions on online monitoring data of metal oxide surge arrester[J].High Voltage Engineering，2008，34（6）:1283-1287.

[17]Q/GDW 242-2010输电线路状态监测装置通用技术规范[M].北京：中国电力出版社，2011.

[18]Q/GDW 540.1-2010变电设备在线监测装置检验规范第1部分:通用检验规范[M].北京：中国电力出版社，2011.