500 kV氧化锌避雷器交流交接试验方法探讨

李国城,李光茂,乔胜亚,张梦慧,卢学容,郑服利,吉旺威

(广东电网有限责任公司广州供电局, 广州 510410)

0 引言

避雷器是用于保护电力设备免受雷电过电压和操作过电压破坏的重要电力设备。随着电网建设的加速,交流无间隙金属氧化物避雷器(Metal Oxide Arrester, MOA)以其对过电压抑制能力强、电流响应速度快、电流浪涌能力大、残余电压低、非线性伏安特性优异、使用寿命长、机械强度大、性能稳定等诸多优点在国内外电力系统中得到广泛应用,其对电力系统安全可靠运行的重要性日益凸显[1-3]。

关于避雷器试验,国内外专家学者主要关注避雷器的红外热成像检测[4-8]、直流试验[9-11]、阻性电流带电测试[12-16]、阻性电流在线监测[17-19]等,而鲜有专家学者聚焦于避雷器的交流交接试验方法,甚至有些试验单位因缺乏试验设备或缺少试验授权而省略避雷器的交流交接试验[20]。

在交流交接试验中,为了检验避雷器生产过程中是否发生了诸如装配中吸潮、密封不良受潮、内部元件接触不良、电阻片劣化等缺陷,检验避雷器动作特性和保护特性,需按标准GB/T 11032-2020《交流无间隙金属氧化物避雷器》开展持续电流试验和工频参考电压试验[21]。为了区别直流和交流试验,本研究称直流参考电压试验和0.75倍直流参考电压下漏电流试验为直流试验,而称持续电流试验和工频参考电压试验为交流试验。

进行避雷器交流交接试验时,这两个试验都需人为施加工频高电压,本研究以广州地区某500 kV变电站的扩建间隔500 kV避雷器现场试验为例,探讨避雷器的交流交接试验中须重点关注的若干要点。

1 现场试验概况

2021年12月22日～23日委托某试验单位对广州地区某500 kV变电站的扩建间隔500 kV某甲线、某乙线避雷器进行持续电流试验和工频参考电压试验。某甲线、某乙线避雷器基本参数列于表1。某甲线、某乙线避雷器共6相,每相分为上、中、下节,每次对单节避雷器进行试验,非被试节避雷器悬空。

表1 某甲线、某乙线避雷器基本参数Table 1 Basic parameters of line A and line B arresters

12月22日,天气晴,湿度为61%,温度为23 ℃,开展首次试验,试验电源取自变电站检修电源箱220 V电源,现场试验采用两个变压器串级升压,用避雷器带电测试仪在试验变压器低压侧量取参考电压,在被试单节避雷器尾端测量泄漏电流的方式进行试验,如图1所示。试验结果如表2～表5所示。厂家宣称的试验方法以阻性电流基波分量峰值Ir1p作为阻性电流;而国标GB/T 11032-2020规定的试验方法以阻性电流峰值Irp为准。故本次试验分别以Ir1p和Irp作为阻性电流开展试验,以作比较。

图1 首次试验接线示意图Fig.1 Schematic diagram of the first test wiring method

表2 首次试验某甲线持续电流试验数据Table 2 Continuous current test data of A line in the first test μA

表3 首次试验某乙线持续电流试验数据Table 3 Continuous current test data of B line in the first test μA

表4 首次试验某甲线工频参考电压试验数据Table 4 Power frequency reference voltage test data of A line in the first test kV

表5 首次试验某乙线工频参考电压试验数据Table 5 Power frequency reference voltage test data of B line in the first test kV

由表2～表5可知,某甲线三相上节避雷器的持续运行电压下阻性电流Ir1p均未超过800 μA;但Irp均大于800 μA,超过厂控标准。其余各节避雷器在持续运行电压下的Ir1p和Irp均未超过800 μA。六相避雷器工频参考电压(Ir1p=2mA)均超过444 kV;但某甲线三相、某乙线C相工频参考电压(Irp=2 mA)均未达到444 kV,小于厂控标准;某乙线A相和B相工频参考电压(Irp=2 mA)超过444 kV。

12月23日,天气阴,湿度为72%,温度为20 ℃,开展第二次试验,用电容分压器在试验变压器高压侧直接测量端电压,送入避雷器带电测试仪以计算阻性电流。如上所述,首次试验中某甲线三相、某乙线C相部分指标超标,故仅对该四相进行复测,复测结果如表6～表9所示。由于首次试验工频参考电压(Ir1p=2mA)试验通过,本次试验中不再进行该项试验。

表6 第二次试验某甲线持续电流试验数据Table 6 Continuous current test data of A line in the second test μA

表7 第二次试验某乙线持续电流试验数据Table 7 Continuous current test data of B line in the second test μA

表8 第二次试验某甲线工频参考电压试验数据Table 8 Power frequency reference voltage test data of A line in the second test kV

表9 第二次试验某乙线工频参考电压试验数据Table 9 Power frequency reference voltage test data of B line in the second test kV

从表6～表9可知,某甲线三相避雷器和某乙线C相避雷器的持续运行电压下阻性电流峰值Irp均小于800 μA,工频参考电压(Irp=2 mA)均超过444 kV,持续电流的阻性电流和工频参考电压(Irp=2 mA)均符合厂控标准,试验结果合格。

2 交流试验方法探讨

2.1 制造厂家宣称的试验方法不当

避雷器制造厂家宣称在出厂试验中采用定制的避雷器泄漏电流测试仪器,在持续电流试验中使用仪器测试了避雷器泄漏电流的全电流峰值Ixp和阻性电流基波分量峰值Ir1p;在工频参考电压试验中将泄漏电流的Ir1p加至2 mA,测试试品的工频电压。换而言之,厂家宣称的试验方法将“阻性电流”理解为阻性电流基波分量峰值Ir1p。

而标准GB/T 11032-2020《交流无间隙金属氧化物避雷器》对持续运行电流和工频参考电压试验规定如下:持续电流试验“在整只避雷器上进行,对试品施加持续运行电压,测量通过试品的全电流和阻性电流”;而工频参考电压试验是“对避雷器(或者避雷器元件)施加工频电压,当通过试品的阻性电流等于工频参考电流时,测出试品上的工频电压峰值”。换而言之,标准GB/T 11032-2020规定的试验方法应将“阻性电流”理解为包括各次谐波分量的阻性电流峰值Irp。文献[22-24]也指出如果只计算阻性电流基波分量,能诊断出与基波分量有关的避雷器劣化或者老化,但无法反映其余情况下避雷器的工作状态,要求严格执行国标规定。

然而,由于避雷器自身的非线性特性会导致上述两类试验中出现大量谐波,导致Ir1p和Irp不能相互等效,具体阐述如下:

电压达到持续运行电压时,进入避雷器的伏安特性曲非线性区域,避雷器可视为一个非线性电阻,所以即使避雷器两端所加电压为纯正弦波,其流过电流必然畸变,电流为非正弦尖波,含有大量的谐波分量。电压持续加压至工频参考电压时,避雷器伏安特性曲线到达拐点,避雷器的非线性特征更明显,其流过电流畸变更明显,谐波含量更高。具体的谐波产生示意图如图2所示。

图2 避雷器的非线性特性产生电流谐波示意图Fig.2 Schematic diagram of current harmonic generated by nonlinear characteristics of arrester

如上所述,持续电流试验和工频参考电压试验均会产生大量电流谐波分量。从而导致施加持续运行电压进行持续电流试验时,所测得Irp总是大于Ir1p,具体可见表4～表5。换而言之,若采用厂家宣称的试验方法,事实上就相当于放松了避雷器持续电流试验的验收标准。工频参考电压试验时,Irp达到2 mA,此时Ir1p并未达到2 mA,需要继续提高试验电压,Ir1p才能达到2 mA,因此,现场试验测得工频参考电压(Irp=2 mA)总是比工频参考电压(Ir1p=2 mA)偏小,具体可见表4～表5。也就是说厂家宣称的试验方法事实上也放宽了避雷器工频参考电压试验的验收标准。须要求制造厂家严格执行国标GB/T 11032-2020中相关规定,即:以包括各次谐波分量的阻性电流峰值Irp来开展交流出厂试验。

2.2 被试设备端电压测量方法不当

某试验单位采用了两个试验变压器级联的方法进行升压,在试验变压器低压侧测取电压,乘以计算变比kU,即得出高压侧电压。而计算变比kU在试验仪器中可手动设置。现场要求某试验单位测试级联试验变压器变比,发现实际变比大于计算变比。换而言之,实际加在避雷器上电压大于其计算值。而工频参考电压试验所加电压较高,已达避雷器伏安特性曲线拐点,也就是只需很小的电流变化量就会引起较大的电压变化量。可见计算变比的设置将很大程度上影响着工频参考电压,被试设备端电压测量方法显然不恰当。

另外,由于试验回路中各部分对地电容及试验变压器的存在,往往会诱发容升电压,从而导致被试设备两端的电压高于所施加电源电压,造成试验数据异常。其原理在文献[25]中有详细推导过程,本研究不再赘述。

综合考虑上述变比问题和容升问题,须精确测量高压侧电压,而不能够用间接方法来估算高压侧电压。建议在高压侧直接连接分压器或者高精度电压互感器,直接测出高压侧电压,禁止使用计算变比的方法间接测出高压侧电压。

2.3 试验人员对相间干扰补偿角度认识不足

现场试验人员因对试验仪器、试验原理不甚了解,导致在现场为了得到合格数据,将补偿角度Φ0设置为180°。事实上,补偿角度Φ0是为了补偿相间干扰所引起的相位变化,所引入的补偿量。泛华AI-6103氧化锌避雷器带电测试仪使用说明书中给出了补偿方法:

(1)

该补偿角度一般为2°～4°[26-27]。

上述相间干扰补偿角度只有三相避雷器同时带电,也就是避雷器的带电测试时才有意义,而在交流交接试验中,由于仅是单相单节加压,不存在上述干扰问题。对此,交流交接试验中,要求试验单位禁止使用相位补偿功能。

2.4 现场两次试验结果存在的差异原因

12月23日试验测得的上节避雷器全电流峰值Ixp均比12月22日试验测得数据大,12月23日试验测得的阻性电流峰值Irp均比12月22日试验测得数据小,12月23日试验测得的工频参考电压(Irp=2 mA)比12月22日试验测得数据小,主要原因分析如下:

2.4.1 现场试验环境的温度不同

随着温度的升高,避雷器电阻片的等值阻抗均呈指数下降趋势[28-30],现场试验时,12月23日较前一日温度低,因此,12月23日避雷器等值阻抗比12月22日高,导致12月23日试验时避雷器全电流Ixp会有所降低。

随着温度的升高,避雷器电阻片的阻性电流基波分量、阻性电流3次谐波分量均呈指数增长趋势。而12月23日较前一日温度低,因此,导致12月23日试验时,测得避雷器的阻性电流峰值Irp会有所降低,而工频参考电压(Irp=2 mA)也相应地提高。

为了方便避雷器现场交流交接试验的判断,对此建议厂家提供制造产品的电流类特征参量的温度特性,以便对试验结果进行温度修正。

2.4.2 现场试验环境的湿度不同

空气湿度的增大,高压试验引线对避雷器和对地的杂散电容将增大,避雷器法兰间以及空间杂散电容也将增大,导致避雷器全电流增大,导致电容电流增大。12月23日试验时,现场环境的湿度较12月22日有所增加,导致持续运行电压下避雷器泄露全电流有所增加。

2.4.3 均压环的影响

12月23日所有避雷器均安装了均压环,均压环起到改善避雷器电场分布的作用,主要改善上节避雷器的电场分布。但均压环的引入将增加上节避雷器顶端对地电容、顶端对避雷器的电容和顶端对空间周围物体的电容,使得上节避雷器整个测试回路中的容性电流增大,而中、下节避雷器受影响较小,从而导致12月23日试验时测得上节避雷器全电流明显增大。需要注意的是,均压环只影响电容电流,基本不会影响阻性电流。建议现场交接试验与出厂试验保持一致,不安装均压环。

3 结论及建议

分别针对上述问题,逐一给出相应避雷器的交流交接试验如下建议:

1)制造厂家应严格执行国家标准GB/T 11032-2020《交流无间隙金属氧化物避雷器》,以包括各次谐波分量的阻性电流峰值Irp来开展交流出厂试验。即:持续电流试验中对被试品施加持续运行电压,测量通过试品的全电流峰值Ixp和阻性电流峰值Irp;工频参考电压试验中对避雷器(或者避雷器元件)施加工频电压,当通过试品的阻性电流峰值Irp等于工频参考电流时,测出试品上的工频电压峰值。否则阻性电流按照Ir1p进行交流交接试验,将会造成验收标准的放宽,无法给予后续诊断性试验提供合理参考数据,严重影响避雷器状态的判断。

2)综合考虑变比问题和容升问题,须精确测量高压侧电压。要求禁止使用计算变比的方法间接测出高压侧电压,建议在高压侧直接连接分压器或者高精度电压互感器,直接测出高压侧电压。

3)试验单位须加强试验人员的仪器设备操作及试验原理培训,避雷器的交流交接试验中,禁止使用相位补偿功能。

4)现场两次试验结果存在差异的主要原因是现场试验环境和均压环等因素。为了方便避雷器现场交流交接试验的判断,建议制造厂家提供产品的电流类特征参量的温度特性,以便对试验结果进行温度修正。