金属氧化物避雷器带电测试现场干扰源分析

国网宁夏电力有限公司检修公司 李思朴 谢怡琚 马文长 郭 微 马 静 李 敏

金属氧化物避雷器（MOA）是在电力系统中用于保护输变电设备绝缘免受过电压危害的一类重要电器，具有响应速度快、伏安特性优异、性能稳定、通流容量大、残压低、寿命长、结构简单等优点，广泛使用于发电、输电、变电、配电等系统中。MOA在长期运行过程会出现以下问题：氧化锌阀片处于电网运行电压下产生发热，从而引起伏安特性的变化，长期作用将导致氧化锌阀片老化直至出现热击穿；在遭受冲击电压的情况下，氧化锌阀片也会在巨大的冲击电压能量下发生老化；由于结构原因导致内部受潮或绝缘支架绝缘性能不良，会使工频电流增加、功耗加剧，严重时可产生内部放电。为避免金属氧化物避雷器出现性能劣化导致设备事故的发生，对其进行定期的停电试验和带电检测显得至关重要。

目前，金属氧化物避雷器运行中持续电流检测作为一种判断其性能良好的有效手段被广泛应用，其原理是利用金属氧化物避雷器全电流和阻性电流在避雷器内部受潮或阀片劣化时发生变化的特点。目前测量金属氧化物避雷器全电流和阻性电流的方法有许多，如谐波法、容性电流补偿法、波形法等，原理相似且均能对避雷器运行中持续电流进行检测，但在现场实际测试过程中往往会受到多种因素的干扰从而造成数据不准确，因此需在现场测试中对测试数据做出准确合理的判断，这需对多因素的干扰原理有一定的掌握和了解。

1 相间干扰

相间干扰是最为普遍的一类干扰，这类干扰对测试结果影响最为严重，在测试现场往往对其采取一些修正措施。目前变电站普遍使用三相“一”字形排列避雷器，从图1可看出，三相电压向量UA、UB、UC互成120°夹角，其容性电流ICA、ICB、ICC超前各自电压相位90°，阻性电流IRA、IRB、IRC向量与其电压方向相同，全电流IXA、IXB、IXC为容性电流和阻性电流的合成向量[1]，∠A、∠B、∠C即为三相电压与其全电流的夹角。假设图中三相避雷器的性能相同，则有IRA＝IRB＝IRC、IXA=IXB=IXC、∠A=∠B=∠C。实际上三相“一”字形排列的避雷器在运行时，其相邻相的避雷器电压会对本相避雷器产生相间容性耦合，即产生相间干扰，为方便分析避雷器各相间干扰情况，制定相间干扰模型及相位图。

图1 不考虑相间干扰向量图

由图2可看出，B相由于同时受到A相和C相的干扰，耦合电容电流IAB和ICB大小基本相等，且关于ICB对称，造成B相实际全电流IXB′小于IXB，但B相实际全电流IXB′与电压UB的夹角∠B′等于∠B；A、C相同时受到B相耦合电容的干扰，且B相对A相的耦合电流IBA与B相对C相的耦合电流IBC幅值大小相同且向量关系平行。以C相为例分析，如图2所示，根据平行四边形法则可得出，C相实际全电流IXC′的相位向B相方向偏移，造成C相实际全电流IXC′与电压UC的夹角∠C′大于∠C，C相实际全电流IXC′小于IXC，C相实际阻性电流IRC′小于IRC，同理可以分析A相实际全电流IXA′与电压UA的夹角∠A′小于∠A，A相实际全电流IXA′小于IXA，A相实际阻性电流IRA′大于IRA。根据现场经验，在避雷器各相间干扰的影响下，A、C相电流相位都会向B相方向偏移，一般偏移角度为2～4°左右。

图2 考虑相间干扰向量图

为了验证前述理论分析的准确性，本文对某750kV变电站随机抽取了6组避雷器带电测试相位角的数据，并进行分析，其A、B、C相数据分 别 为82.86/85.18/88.34、84.62/87.48/90.03、80.13/83.43/86.68、81.19/82.77/84.85、84.41/87.55/89.80、84.81/86.07/87.75。由 此 可直观反映出中间相B相对A、C两相的设备产生了干扰，导致A、C相电流相位都要向B相方向偏移，且偏移角度在2～4°左°右。同时有∠A′＜∠B′＜∠C′的关系，因此这种相间干扰现象对测量结果的影响具有一定的规律性。基于此规律，在实际测试过程中，目前专业试验仪器可对MOA的全电流、阻性电流、容性电流和阻抗角进行校正，并已有多种校正方法能消除相间干扰引起的MOA带电测试结果偏差，校正后的数据更能真实地反映MOA的运行状态[2]。

2 谐波干扰

电网谐波干扰广泛存在于避雷器带电检测现场中，其产生的干扰也应不容忽视。假设电网电压不含谐波分量，则有根据欧姆定律可知氧化锌阀片具有非线性伏安特性，因此电阻R为一个变量，导致iR为非线性变量，对其进行傅里叶分解可以得到：

在此式中 I1sinωt 、I3sin（3 ωt+φ3）、I5sin（5 ωt+φ5）、Insin（ n ωt+φn） 分别为避雷器阻性电流的基波、3次谐波、5次谐波、n次谐波。

从式中可看出，此时阻性电流iR中i'来自于非线性电阻，i''来自于电压谐波，即阻性电流中的谐波成分将会包括因电压谐波而引起的谐波分量。同理可得，电容电流也会受到电网谐波影响。有相关仿真试验表明电压谐波的影响取决于其谐波的含量和谐波的相位，谐波含量增大，阻性电流及其谐波分量也增大，并且各次谐波相位的影响也不同[3]。

在对某地区330kV变电站进行避雷器阻性电流测试时发现，该站两组避雷器测试异常，其全电流波形和阻性电流波形均发生畸变，三相相位角均较大。分析发现，该站启风Ⅰ线对侧为风电场，结合风电场谐波分布特性进行分析。由表1可知，风电场接入电力系统时在受端可注入大量的奇次谐波，其中5次谐波最大，可推断为可能引起避雷器阻性电流数据异常的原因。因此在实际测试过程中，对于电源侧有风电或其它分布式电源时应着重考虑电网谐波产生的干扰。

表1 某风电场的谐波潮流数据

3 空间母线干扰及其他干扰因素

变电站内的空间母线也会对避雷器带电测试产生干扰。本文以一组靠近母线的避雷器为例进行分析，等效图如图3所示。假设三相避雷器性能相同，均靠近C相母线且距离相同，图3中C0为母线对三相避雷器的耦合电容。考虑相间干扰，为方便分析以A相避雷器为例制定图4所示的向量图，可看出，IXA′为相间干扰时的全电流，当存在母线干扰时，即存在母线对避雷器耦合电容电流IC0时导致IXA′向C相偏移，从而使得相位角增大，A相阻性电流比仅受到相间干扰时的阻性电流小。同理可知IC0的影响使B相阻性电流偏大、相位角减小，但对C相阻性电流并无影响。

图3 母线干扰等效图

图4 母线干扰向量图

在实际现场测试中往往会出现单相偏移角较大情况，极有可能为某一特定相位角的强电磁场存在，如空间母线干扰，导致各相相位角在仅受到相间干扰情况下向着干扰相位偏移，因此出现了某相相位角较小或较大情况，现场强电磁场复杂多变，影响情况或大或小且此类干扰无法消除，测试时应保存原始干扰数据。除上述的相间干扰、谐波干扰及空间母线干扰之外，避雷器带电检测现场还存在着许多其他因素的干扰，这些干扰也会对测试结果造成一定的影响，因此需在现场测试过程中注意观察，多次试验，以便多方面考虑现场干扰，合理分析比较测试结果。

避雷器外表面污秽。避雷器绝缘外表污秽会使其泄漏电流明显增大，从而对测试精度造成影响。同时污秽对氧化锌电阻片的电压分布有一定的影响，也会对内部泄漏电流产生影响[4]；温、湿度影响。设备长期处在运行电压下，其内部有功损耗的热量会使电阻片的温度高于环境温度，造成避雷器的阻性电流增大，此外环境湿度较大时也会使避雷器瓷套的泄漏电流增大；参考电压方法选取的不同。金属氧化物避雷器测量仪器一般具有电压互感器二次电压法、检修电源法、感应板法、末屏电流法等几种参考电压方式，各种方法不同带来的系统误差也会影响实验结果；试验仪器受电磁场干扰。试验仪器是置于电磁场中的，电磁感应会在测试仪的测试回路中引入干扰电流而使得阻性电流偏大。

4 结语

由于金属氧化锌避雷器的带电测试干扰与误差是非常复杂的问题，因此在对运行中的避雷器进行阻性电流测试分析时无法准确测出各持续电流的量。在判断避雷器性能好坏时，应首先结合测试数据及现场状况合理分析现场干扰情况，然后通过历次避雷器运行中持续电流测试值横向和纵向判断避雷器的健康状态及性能。初次测试值极为重要，之后的例行试验应与历史进行比较，通过各项电流值和角度值得变化进行趋势分析，发现异常时再进行停电试验。