直流高压发生器绝缘电阻综合测试装置的市场应用

广东电网有限责任公司中山供电局 刘 磊 陈英杰 马 跃

1 引言

高压直流试验的直流高电压是通过直流高压发生器产生的。直流高压发生器是高压试验的一项基本设备，广泛应用于电气设备的绝缘试验以及作为冲击电压发生器、冲击电流发生器等高压试验设备的充电电源，在各种直流高压试验中起着举足轻重的作用[1-2]。

避雷器作为设备过电压的重要保护，是一种结构简单、质量轻、耐污秽、电阻性能稳定、保护机能优胜的防雷设备，在电力系统中被应用广泛[3-4]。定期对避雷器开展电力试验，能够确保其正常工作和电网的安全运行，其中主要包含绝缘电阻试验和直流泄漏电流试验等[5-6]。两项试验的开展由于使用不同仪器而接线方式却基本一致等原因，存在有重复接线限制了试验效率并且存在一定的作业风险。具体来说，中山供电局目前对避雷器的高压试验（绝缘电阻试验和直流电流试验）主要存在有以下三点不足。

1.1 试验需重复接线

根据规程要求，避雷器预试包括绝缘电阻和直流泄漏电流试验，中山供电局10kV 避雷器数量接近5000个，年平均预试量为1000个，预试工作量大。绝缘电阻测试和直流泄漏电流测试试验接线方式基本一致，而试验要求在直流泄漏电流试验前后分别开展一次绝缘电阻试验，目前两项试验采用不同仪器而需要分别接线开展试验，因此整个试验过程存在大量重复接线操作。

1.2 接线需重复爬梯

由于主变10kV 低压侧避雷器和部分电容间隔的避雷器的安装位置较高，需要爬梯进行试验接线，同一个避雷器预试需至少4次爬梯进行试验接线（接线和拆线），大量的爬梯作业存在一定的高空作业风险。

1.3 仪器需多次搬运布置

由于前述两项试验需分别使用直流高压发生器和绝缘电阻测试仪，试验需多次搬运和放置仪器。

综上，目前避雷器预试工作存在大量重复性作业，即限制了试验效率，也存在一定的作业风险，对此需要研发一套可以实现两种测试于一身的综合测试设备，除了保证测试安全外，还要保证测试精度满足试验要求。本文针对目前避雷器高压试验存在的问题，基于10kV 金属氧化物避雷器试验而提出，设计开发了一套轻型化避雷器综合测试装置，该装置实现绝缘电阻测试功能和直流泄漏电流测试功能，仅需一次接线即可完成避雷器绝缘测试和泄漏电流测试项目，无需根据不同试验项目更换试验接线，也避免了大量的爬梯作业和多次搬运布置现场，优化了试验流程，提高了试验效率，降低了试验风险。

2 金属氧化物避雷器及其高压试验

2.1 避雷器介绍

避雷器（又名：过电压保护器）是用来保护电力系统中各种电器设备免受雷电过电压、操作过电压、工频暂态过电压冲击而损坏的一个电器。通常避雷器连接在电网导线与地线之间，有时也连接在电器绕组旁或导线之间[7-8]。

避雷器按照其发展先后可以分为：

管型避雷器：管型避雷器是一个保护间隙，是最简单的避雷器，但它能在放电后自行灭弧。

阀型避雷器：阀型避雷器是将单个放电间隙分成许多短的串联间隙，同时增加了非线性电阻，提高了保护性能。

磁吹避雷器：磁吹避雷器利用了磁吹式火花间隙，提高了灭弧能力，同时还具有限制内部过电压能力。

氧化锌避雷器（MOA）：氧化锌避雷器利用了氧化锌阀片理想的伏安特性，非线性极高，即在高电压时呈低电阻特性，限制了避雷器上的电压。氧化锌避雷器是现用普及较多的避雷器，具有良好保护性能[9]。利用氧化锌良好的非线性伏安特性，在正常工作电压时流过避雷器的电流极小（微安或毫安级）；当过电压作用时，电阻急剧下降，泄放过电压的能量，达到保护的效果。如图1这种避雷器和传统的避雷器的差异是它没有放电间隙，利用氧化锌的非线性特性起到泄流和开断的作用。

避雷器的主要基本参数包含以下几点：

持续运行电压：允许长期工作电压。它应等于或大于系统的最高相电压。

额定电压（kV）：允许短时最大工频电压（灭弧电压）。避雷器能在此工频电压下动作放电并熄弧，但不能在此电压下长期运行。它是避雷器特性和结构的基本参数，也是设计的依据。

工频耐受伏秒特性：表明氧化锌避雷器在规定条件下，耐受过电压的能力。

标称放电电流（kA）：用于划分避雷器等级的放电电流峰值，220kV 及以下系统不应超过5kA。由于金属氧化物避雷器不带有间隙，一经接入电网，电阻片即长期承受工频工作电压，使原件自身发热，随着温度升高，其泄漏电流将增加，再加上冲击电压、表面污秽和内部受潮这些累计效应的影响，将导致热崩溃，甚至引发爆炸，所以为确保金属氧化物避雷器的正常工作和电网安全运行，有必要定期对其进行预防性试验[10]。

2.2 耐压试验和泄漏电流试验

为确保避雷器的安全运行，在每年的雷雨季节前或必要时需要进行预防性试验[11]，耐压试验和泄漏电流试验的测试主要包含直流1mA 下的临界动作电压U1mA 及0.75U1mA 直流电压下的泄漏电流。试验的接线图如图2所示，需要用到的是直流高压发生器以及微安表。

图2 直流泄漏电流试验原理图

具体的试验步骤以及说明要求如下：

（1）直流高压发生器启动后，先均匀升压，避免造成电流的剧烈波动，待微安表上的电流显示为1mA 即1000uA 时，读取其电压值，即为1mA时的临界动作电压U1mA。测量氧化物避雷器的U1mA 主要是检查阀片是否受潮、老化，确定其动作性能是否符合使用要求，直流1mA 参考电压一般等于或大于避雷器额定电压的峰值。

（2）再按下0.75U1mA 按钮，待数据稳定后读取微安表上面的电流值，即为0.75U1mA 直流电压下泄漏电流值。由于0.75U1mA 直流电压值一般比最大相电压峰值要高，因此，测量此电压下的泄漏电流主要是验证长期允许工作电流是否符合规定，这一泄露电流与氧化物避雷器的寿命有直接关系，一般在同一温度下，此泄露电流与寿命成反比。

参照于规程规定应满足以下要求：

金属氧化物避雷器对应直流参考电流下的直流参考电压，整支或分节进行的测试值，不应低于现行国家标准《交流无间隙金属氧化物避雷器》GB11032规定值，并应符合产品技术条件的规定。实测值与制造厂实测值比较，其允许偏差为±5%

0.75倍直流电流参考电压下的泄漏电流值不应大于50uA，或符合产品相关技术条件的规定。750kV 电压等级的金属氧化物避雷器应测试1mA和3mA 下的直流参考电压值，测试值应符合产品技术条件的规定；0.75倍直流参考电压下的泄漏电流值不应大于65uA，尚应符合产品技术条件的规定。

试验时若整流回路中的纹波系数大于1.5%时，应加装滤波电容器，可选用0.01uF-0.1uF，试验电压应在高压侧测量。

2.3 绝缘电阻的测试

绝缘电阻是指绝缘物在规定条件下的直流电阻，是电气设备和电气线路最基本的绝缘指标。通过在绝缘介质（MOA）两边加载一个已知的直流电压（这个电压低于耐压试验的试验电压），然后测量流过绝缘材料的电流，即可计算出绝缘电阻值。这个电阻值表征了两个导体之间的绝缘质量，并指示出绝缘材料发生泄漏电流的风险[14]。

2.3.1 绝缘电阻的特性及影响因素

当对金属氧化物避雷器加载一个持续恒定的电压时，有许多因素会影响被测物绝缘电阻的阻值，即影响其流经绝缘材料的电流值。例如温度和湿度等外界环境因素可能会很大程度地影响到测量结果。首先，分析在绝缘试验中，流经被测物（绝缘材料）电流的自然特性，并假设这些因素不影响测量结果。

绝缘试验流经金属氧化物避雷器的总电流，由以下三个电流组成。

电容电流：试验加压瞬间，电容充电电流即是对被测MOA 的电容充电。这个电流为瞬时电流，开始时相对较大，但如被测材料充电完毕后，会以曲线速度快速降低接近于零。一般在几秒或十几秒后，电容电流相对于总电流来说，即可忽略不计。

吸收电流：吸收电流，是绝缘材料分子，在外电场的电效应下，重新排列分布所需要的额外能量。吸收电流的衰减速度与电容电流相比来说要慢得多，有时需要很多分钟后才能降到接近于零的数值。

泄漏电流：泄漏电流或电导电流，表征了绝缘材料的质量特征，并在试验过程中保持恒定不变的。

当被测电路加载以固定电压时，流经金属氧化物避雷器的总电流会随时间而变化，如图3所示，可以发现随着时间的增加泄漏电流先增加后保持恒定，而电容充电电流随着时间增加而快速减小到0，吸收电流随时间增加而缓慢减小，这意味着绝缘电阻试验的测量值于测量时间是紧密相关。

图3 绝缘电阻试验总电流和时间关系

而外界环境和干扰对绝缘电阻测量的影响如下：

（1）温度的影响。

温度是影响金属氧化物避雷器绝缘特性的关键因素之一，通常情况下，随着温度的升高金属氧化物避雷器的吸收比和绝缘电阻呈下降趋势。其原因包含两面：一是由于温度升高，内部的电子和离子产生剧烈运动；二是内部的水分在常温状态下与其他介质结合及其紧密。所以温度发生变化时，会使得绝缘电阻的阻值接近指数曲线函数关系随之变动。在对设备的预防性维护计划中，绝缘电阻试验应该在相近的温度条件下进行，如果无法符合此要求，则应以相对于参考温度的相关运算，来校正其温度测量值，具体的温度校正系数图如图4所示，给出了K 系数与金属氧化物避雷器的绕组温度关系。

图4 绝缘电阻的温度校正系数图

（2）湿度的影响。

当环境空气相对湿度比较大时，金属氧化物避雷器的绝缘部分会出现表面受潮，空气中的各类污秽物中可溶的导电物质将会溶解于潮湿的空气，形成一层导电层，增加其导电能力，导致其绝缘性能下降，那么泄漏电流也会随之增加。所以湿度主要影响绝缘电阻表面的脏污程度来影响绝缘电阻的大小，并且需要注意的是，当温度降至露点以下时，绝不可进行绝缘电阻的测量。

（3）外界干扰影响。

金属氧化物避雷器加上直流电压后，通过试样的电流是很微小的，极易受到外界干扰的影响，造成较大的测试误差。外界干扰主要是杂散电流的耦合或静电感应产生的电势。在测试电流小于10-10A或测量电阻超过1011欧姆时；被测试样、测试电极和测试系统均应采取严格的屏蔽措施，消除外界干扰带来的影响。

2.3.2 金属氧化物避雷器绝缘电阻的测量

针对10kV 金属氧化物避雷器的绝缘电阻测试接线方式如图5、图6所示，分别为避雷器的绝缘电阻和避雷器基座绝缘电阻测试原理接线图。其中，将10kV金属氧化物避雷器的高压端接在“L”端子上，“E”是接金属氧化物避雷器的接地段，“G”用来接屏蔽段。

图5 避雷器绝缘电阻测试接线原理图

图6 避雷器基座绝缘电阻测试接线

相应的对于10kV 氧化物避雷器规程规定如下：35kV 以下电压等级，应采用2500V 兆欧表，绝缘电阻不应小于1000MΩ；基座绝缘电阻不应低于5MΩ。

3 10kV 金属氧化物避雷器综合测试仪

3.1 功能实现

针对目前避雷器高压试验存在的问题，基于10kV 金属氧化物避雷器试验而提出，设计开发了一套轻型化10kV 避雷器综合测试仪，通过本装置可以一次性完成避雷器预防性试验项目（绝缘电阻试验、直流泄漏电流试验），创新了试验操作，优化了试验流程，显著地提高了作业效率，降低了作业风险。具体功能测试实现了：

一体开展实验：设计开发的10kV 避雷器综合测试仪集成了绝缘电阻试验和直流泄漏电流试验功能，可一体化开展避雷器预试项目，优化试验流程，提高试验效率。

一次试验接线：由于10kV 金属氧化物避雷器的高压试验主要包含绝缘电阻试验和直流泄漏电流试验两项，且接线方式一致，可以只需一次接线即可开展试验，避免了重复接线和重复爬梯，优化了试验流程，降低了试验风险。

一体式仪器搬运：只需要搬运10kV 避雷器综合测试仪即可完成试验，便于试验仪器的布置，降低试验环境和区域的影响，提高了试验效率，降低了试验风险。

所以综合该套轻型化10kV 避雷器综合测试仪的功能测试实现，所突出的最大创新有两点，试验一体化：集成了绝缘电阻试验和直流泄漏电流试验功能，实现了避雷器预试作业一体化，优化了试验流程，提高了工作效率；接线一次化：一次试验接线即可完成避雷器预试工作，避免了重复搬运、爬梯和接线操作，优化了试验流程，降低了试验风险，也提高了试验效率。如图7所示为轻型化10kV 避雷器综合测试仪的测试页面，能较为清楚观测到绝缘电阻以及泄漏电流的功能实现。

图7 轻型化10kV 避雷器综合测试仪模型机界面

3.2 应用前景

10kV 避雷器预试包括绝缘电阻试验和直流泄漏电流试验，目前试验采用不同仪器，需要分别接线开展试验，整个过程存在大量重复接线、爬梯和搬运作业，操作繁琐，也有一定的作业风险。如果采用本设计开发的轻型化避雷器综合试验装置，一次搬运、一次接线即可一体完成试验，创新了试验操作方式，优化了试验流程。

由于各类10kV 避雷器预试原理和过程基本一致，该综合试验装置具有很强的适应性，可以在全省甚至全国推广使用，有效解决目前行业内该项试验过程中遇到的问题。

同时，由于10kV 避雷器作为电网必不可少的电气设备而被广泛应用，避雷器预试工作繁重。使用了该综合试验装置后，能有效的减少试验工作量，在满足试验要求的情况下，显著地提高效率，降低风险，具有很广阔的应用前景。

综上，本文针对目前避雷器高压预防性试验存在的问题，基于10kV 金属氧化物避雷器试验而提出，设计开发了一套轻型化10kV 避雷器综合测试仪，该仪器集成了绝缘电阻测量功能和直流泄漏电流测量功能，仅需一次试验接线即可完成避雷器所有停电试验项目，无需根据不同试验项目更换试验接线，也避免了大量的爬梯作业，优化了试验流程，提高了试验效率，降低了试验风险。并且试验装置具有很强的适应性，可以在全省甚至全国推广使用，有效解决目前行业内该项试验过程中遇到的问题，具有很广阔的前景。