劉海峰，王鶴許

(1.河北省電力公司，石家莊 050021；2.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003)

金屬氧化物避雷器(MOA)是當(dāng)前限制過電壓最先進(jìn)的一種保護(hù)電器，被廣泛地用于發(fā)電、輸變電和配電系統(tǒng)中，保護(hù)電氣設(shè)備的絕緣免受過電壓的損害。金屬氧化物避雷器有著優(yōu)異的非線性伏安特性，同時(shí)還具有通流容量大、殘壓低、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，近年來已逐步取代其它類型的避雷器，成為電力系統(tǒng)的主要過電壓保護(hù)設(shè)備。雖然在正常工作電壓下流過MOA的電流極小(微安級(jí))，但由于MOA內(nèi)部閥片長期承受工頻電壓作用，會(huì)逐漸劣化，引起電阻特性變化而導(dǎo)致泄漏電流增加；另外，避雷器結(jié)構(gòu)不良，密封不嚴(yán)、內(nèi)部構(gòu)件受潮也會(huì)導(dǎo)致泄漏電流增大。泄漏電流的阻性分量將形成有功損耗，使電阻片溫度升高，嚴(yán)重時(shí)可能引起MOA爆炸。因此，盡管MOA的單位造價(jià)不高，但是及時(shí)準(zhǔn)確掌握MOA的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)于防止人身和電網(wǎng)惡性事故十分必要。

1 金屬氧化物避雷器的性能與結(jié)構(gòu)

MOA的核心元件是金屬氧化物電阻片，它具有理想的伏安性能，在非線性區(qū)其非線性系數(shù)α為0.015～0.05，比普通閥型的非線性系數(shù)要小得多。正常運(yùn)行時(shí)，金屬氧化物避雷器處在正常工頻電壓下，電阻片呈現(xiàn)很大的電阻，呈絕緣狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)雷電過電壓、內(nèi)部過電壓時(shí)，電壓超過氧化物電阻片的動(dòng)作值后，電阻片瞬間呈低阻狀態(tài)，釋放電流。避雷器兩端維持較低的殘壓，以保護(hù)電氣設(shè)備不受過電壓損壞。當(dāng)過電壓結(jié)束后，避雷器氧化物電阻片即可恢復(fù)極高電阻，保持絕緣狀態(tài)，保證電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。電阻片呈圓餅狀或環(huán)狀，兩端面噴有金屬電極，側(cè)面涂有絕緣釉保護(hù)以防沿面閃絡(luò)。電阻片中心有孔，孔中穿有1根有機(jī)絕緣棒，兩端用螺栓緊固。內(nèi)部元件裝入瓷套(或復(fù)合絕緣套)內(nèi)，上、下兩端各用1個(gè)壓緊彈簧壓緊。瓷套兩端法蘭各有1個(gè)壓力釋放口，當(dāng)避雷器內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，可將內(nèi)部過高的壓力釋放出來，以防瓷套爆炸。MOA絕緣底座處除安裝動(dòng)作記錄器外，還可安裝MOA泄漏電流監(jiān)測(cè)裝置，為運(yùn)行中監(jiān)測(cè)避雷器狀態(tài)提供方便。金屬氧化物避雷器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 220 kV金屬氧化物避雷器外部結(jié)構(gòu)

2 運(yùn)行中金屬氧化物避雷器的劣化機(jī)理

金屬氧化物避雷器受電網(wǎng)和運(yùn)行環(huán)境中多種應(yīng)力因素的影響，這些應(yīng)力能夠引起避雷器的過早老化，甚至損壞其非線性電阻片。引起避雷器劣化的機(jī)理主要有以下幾種，嚴(yán)重的將造成金屬氧化物避雷器故障。

2.1 密封缺陷引起內(nèi)部受潮

據(jù)統(tǒng)計(jì)，金屬氧化物避雷器爆炸事故中，內(nèi)部受潮是主要原因。金屬氧化物避雷器內(nèi)部空腔約占整個(gè)避雷器內(nèi)部空間的50%，在環(huán)境溫度冷熱循環(huán)變化下，空腔內(nèi)的氮?dú)馀蛎浕蚴湛s形成呼吸作用，如果避雷器密封不嚴(yán)，潮氣會(huì)逐步侵入，導(dǎo)致內(nèi)部受潮，使泄漏電流增大，加速電阻片的老化。

密封不良可能由以下幾方面造成：一是密封圈漏裝、移位或者密封圈達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，一般在運(yùn)行一段時(shí)間，遇到天氣驟然變化或雨季后，就會(huì)表現(xiàn)出來。二是兩端蓋板制造質(zhì)量差，有砂眼或者加工時(shí)密封槽出現(xiàn)缺口，導(dǎo)致潮氣和水分侵入。三是瓷套質(zhì)量問題，存在細(xì)小的裂紋，使潮氣緩慢侵入。

2.2 內(nèi)部局部放電

正常情況下，電阻片與瓷套之間的徑向電位差較小。當(dāng)避雷器外部瓷套受到污穢及潮氣作用時(shí)，瓷套上的電位分布發(fā)生變化，特別是在避雷器外套或下部存在干區(qū)時(shí)，電位分布將更加不均勻，電阻片與外部瓷套間存在較大的徑向電位差，該電位差接近避雷器的工作電壓。當(dāng)電位差較大時(shí)，可能發(fā)生徑向的局部放電，產(chǎn)生脈沖電流，如果電流很大，會(huì)使電阻片在電流聚集的地方溫升過高被燒熔，損壞電阻片，導(dǎo)致整個(gè)避雷器破壞[1]。

2.3 污穢引起表面放電

瓷套表面嚴(yán)重積污，除了會(huì)引起表面閃絡(luò)以外，還會(huì)引起沿電阻片電壓分布不均，造成電阻片局部過熱并導(dǎo)致?lián)p壞。一般避雷器表面的污閃或泄漏電流的增加只是在一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)，過一段時(shí)間后將消失，表明污穢導(dǎo)致的阻性電流增加與內(nèi)部受潮導(dǎo)致阻性電流長期增加有本質(zhì)區(qū)別。因此，監(jiān)測(cè)避雷器的阻性電流時(shí)，如發(fā)現(xiàn)避雷器在一段時(shí)間內(nèi)阻性電流增加，有可能是避雷器外套表面積污較嚴(yán)重，應(yīng)及時(shí)清理[1]。

2.4 暫時(shí)或暫態(tài)過電壓引起超負(fù)荷

超負(fù)荷一般出現(xiàn)在電力系統(tǒng)故障發(fā)生以后，此時(shí)在電網(wǎng)中伴隨著高的暫態(tài)過電壓。如果避雷器額定電壓設(shè)定得太低，即使暫態(tài)過電壓仍然處在本應(yīng)該能夠承受的水平，還是會(huì)增加出現(xiàn)超負(fù)荷的風(fēng)險(xiǎn)。避雷器超負(fù)荷將降低其抵御過電壓的保護(hù)能力。例如，多重雷擊引起的嚴(yán)重暫態(tài)過電壓，或高能量的暫時(shí)過電壓。因此，避雷器在尚未抑制住過電壓之前就可能發(fā)生故障，同時(shí)被保護(hù)的設(shè)備也將遭到損壞。

2.5 參數(shù)選擇不當(dāng)

避雷器的使用必須滿足絕緣配合的要求。當(dāng)避雷器技術(shù)參數(shù)不適合實(shí)際的系統(tǒng)電壓和過電壓應(yīng)力的時(shí)候便會(huì)出現(xiàn)這種問題。避雷器的殘壓值偏高，可能難以起到很好的保護(hù)作用；避雷器的額定電壓偏低，可能會(huì)加速電阻片的老化進(jìn)程，縮短避雷器的壽命；標(biāo)稱放電電流選擇偏低，會(huì)影響避雷器的保護(hù)水平和通流能力。

2.6 電阻片存在質(zhì)量問題

有些產(chǎn)品老化特性不好，如運(yùn)行一段時(shí)間后，部分電阻片首先劣化，造成避雷器參考電壓下降，電位分布不均勻，阻性電流和功率損耗增加，在電網(wǎng)電壓不變的情況下，避雷器荷電率增加，老化速度加快，形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致避雷器熱崩潰而爆炸。

3 金屬氧化物避雷器的狀態(tài)評(píng)估

目前，金屬氧化物避雷器狀態(tài)評(píng)估主要包括在線、離線2種運(yùn)行方式，具體包括運(yùn)行巡視、離線試驗(yàn)、帶電檢測(cè)、在線監(jiān)測(cè)等方法。

3.1 運(yùn)行巡視

運(yùn)行巡視主要是檢查運(yùn)行中避雷器的外觀、觀察泄漏電流表指示值和放電計(jì)數(shù)器動(dòng)作情況。這是一種常用的、甚至很有效的確定外部異常的方法。日常巡視中應(yīng)檢查避雷器外絕緣積污情況；瓷套有無裂紋；復(fù)合外套有無電蝕痕跡；有無異物附著；均壓環(huán)有無松動(dòng)、歪斜；引線連接情況是否正常；檢查泄漏電流表指示與同等條件下運(yùn)行的其他避雷器比較，無明顯差異。雷雨大風(fēng)及避雷器經(jīng)歷不良工況后應(yīng)進(jìn)行特殊巡視，重點(diǎn)檢查放電計(jì)數(shù)器動(dòng)作情況，避雷器表面有無放電閃絡(luò)痕跡。

3.2 離線試驗(yàn)

離線測(cè)量可以提供一種試驗(yàn)環(huán)境，這種環(huán)境下可以得到較好的測(cè)量可靠性和可重復(fù)性。這種方法要求避雷器不帶電，使用便攜式試驗(yàn)設(shè)備，或者把避雷器送到試驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)。

根據(jù)國家電網(wǎng)公司Q/GDW 168-2008《輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗(yàn)規(guī)程》，金屬氧化物避雷器的停電試驗(yàn)項(xiàng)目包括直流1 mA電壓(U1 mA)及0.75U1 mA下漏電流測(cè)量、底座絕緣電阻。U1 mA反應(yīng)金屬氧化物避雷器由小電流工作區(qū)到大電流工作區(qū)的分界點(diǎn)，對(duì)判斷避雷器老化狀態(tài)有著重要意義。若U1 mA電壓下降或0.75U1 mA下漏電流明顯增大，就可能是氧化鋅電阻片受潮老化。根據(jù)《規(guī)程》規(guī)定，金屬氧化物避雷器U1 mA初值差應(yīng)不超過±5%且不低于GB 11032規(guī)定值，0.75U1 mA泄漏電流初值差應(yīng)不大于30%或小于50 μA。

停電試驗(yàn)方法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量結(jié)果較為準(zhǔn)確可靠，缺點(diǎn)是被試設(shè)備必須停電，且試驗(yàn)過程一般需要解開避雷器引線，操作起來費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不方便。更重要的是，隨著電網(wǎng)規(guī)模的快速增長，新建及擴(kuò)建大量變電站，需要維護(hù)的電力設(shè)備數(shù)量劇增，若頻繁進(jìn)行停電試驗(yàn)，不僅工作量巨大，有時(shí)甚至由于供電可靠性而無法安排。

電網(wǎng)企業(yè)轉(zhuǎn)入狀態(tài)檢修模式后，金屬氧化物避雷器的停電檢修周期根據(jù)狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果確定，狀態(tài)良好的設(shè)備，在停電試驗(yàn)基準(zhǔn)周期4.5年的基礎(chǔ)上，可延長1～1.5年。因此，在兩次例行試驗(yàn)期間，通過運(yùn)行電流檢測(cè)和紅外測(cè)溫等帶電檢測(cè)技術(shù)掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，才能確保設(shè)備狀態(tài)的能控、在控。

3.3 帶電檢測(cè)

金屬氧化物避雷器的帶電檢測(cè)，目前采用的主要測(cè)試手段是帶電測(cè)試避雷器阻性電流和紅外熱像檢測(cè)。

3.3.1 阻性電流帶電檢測(cè)

帶電檢測(cè)避雷器持續(xù)電流主要是檢測(cè)泄漏的全電流及其阻性分量，這是發(fā)現(xiàn)避雷器早期缺陷的有效手段。在交流電壓下，MOA總泄漏電流中包含阻性電流(有功分量)和容性電流(無功分量)。在正常情況下，通過MOA的主要為容性電流，阻性電流只占很小一部分，約為10%～20%。但當(dāng)電阻片老化時(shí)，避雷器受潮、內(nèi)部絕緣部件受損以及表面嚴(yán)重污穢時(shí)，容性電流變化不大，而阻性電流大大增加。全電流的變化反映避雷器的嚴(yán)重受潮、內(nèi)部元件接觸不良、電阻片嚴(yán)重老化，而阻性電流的變化則對(duì)電阻片初期老化的反應(yīng)比較靈敏。所以監(jiān)測(cè)阻性電流可以更有效地監(jiān)測(cè)MOA的絕緣狀況。

目前，帶電檢測(cè)MOA運(yùn)行中持續(xù)電流的原理主要分為基波法、三次諧波法和補(bǔ)償法，3種測(cè)量方法原理見圖2-4。基波法的主要原理為：在正弦波電壓的作用下，MOA的阻值電流中只有基波電流做功產(chǎn)生功耗，另外，無論諧波電壓如何，阻性基波電流都是一個(gè)定值，因此全電流經(jīng)數(shù)字諧波分析，提取基波進(jìn)行阻性電流分解，即可得到阻性電流的基波，根據(jù)阻性電流基波所占比例的變化來判斷MOA的狀況。實(shí)際測(cè)量中，一般在采得MOA全電流的同時(shí)，還要測(cè)取PT二次側(cè)的電壓，然后將電壓和電流信號(hào)進(jìn)行FFT計(jì)算，得到電壓和電流基波分量的幅值和相位，將基波電流在基波電壓上投影就可以得到阻性電流的基波分量。三次諧波法是利用氧化鋅電阻片的非線性，在電壓作用于非線性電阻時(shí)會(huì)產(chǎn)生含有三次諧波的電流，電流三次諧波初相角與電壓基波初相角相關(guān)，由此計(jì)算出電壓的基波初相角與泄漏電流的阻性分量。三次諧波法需用數(shù)字測(cè)量的方式，優(yōu)點(diǎn)是無需參考電壓信號(hào)，操作簡便。但是，受到電網(wǎng)中固有的三次諧波的影響，其測(cè)量誤差大，一般只能進(jìn)行定性測(cè)量。補(bǔ)償法是將流經(jīng)避雷器總電流中的容性電流平衡掉，它用PT二次側(cè)的電壓信號(hào)通過硬件方式來補(bǔ)償容性電流分量進(jìn)而得到阻性電流。該方法對(duì)單支MOA測(cè)得的阻性電流較為精確，但現(xiàn)場試驗(yàn)中，三相避雷器呈一字形布置，各相避雷器除受本相電壓作用外，還通過相間耦合到相鄰相電壓，從而帶來測(cè)量誤差，并且系統(tǒng)電壓等級(jí)越高，誤差越大。

圖2 基波法測(cè)量原理

圖3 三次諧波法測(cè)量原理

圖4 電容電流補(bǔ)償法測(cè)量原理

現(xiàn)場帶電檢測(cè)MOA持續(xù)電流時(shí)受到很多因素影響，如電網(wǎng)諧波電壓、相間干擾、表面污穢泄漏電流、電壓波動(dòng)、環(huán)境溫度、濕度、PT相移、傳輸誤差等，這些因素都會(huì)影響測(cè)量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。相比之下，基波法能有效抑制電網(wǎng)的諧波干擾，并且容易排除相間干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，因此目前現(xiàn)場多采用該方法。

當(dāng)阻性電流增加到1.5倍初始值時(shí)，應(yīng)縮短監(jiān)測(cè)周期；當(dāng)阻性電流增加到2倍初始值時(shí)，應(yīng)停電進(jìn)行檢查。

3.3.2 紅外熱像檢測(cè)

對(duì)于金屬氧化物避雷器，紅外熱像檢測(cè)同樣是一種常用和有效的狀態(tài)評(píng)估手段。大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，熱成像技術(shù)能夠有效地用于跟蹤避雷器的劣化。避雷器電阻片老化后，運(yùn)行中發(fā)熱會(huì)加劇，與相同運(yùn)行條件下的其他避雷器相比，整體或局部溫度偏高，相間溫差加大，因此通過紅外熱像檢測(cè)可有效檢出避雷器內(nèi)部缺陷。紅外熱像檢測(cè)具有不停電、不取樣、不接觸，直觀、準(zhǔn)確、靈敏度高及應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。然而，使用紅外熱像儀的靈敏度必須能夠檢測(cè)到升高的電阻片溫度波及到了避雷器外套的表面。

3.4 在線監(jiān)測(cè)

在線測(cè)量方法以臨時(shí)帶電或連續(xù)帶電為基礎(chǔ)，使用便攜式儀器以及非移動(dòng)式永久安裝的裝置。這種方法的優(yōu)勢(shì)是，無需拆下運(yùn)行中的避雷器便能得到其狀態(tài)評(píng)估數(shù)據(jù)。如果在線測(cè)量發(fā)現(xiàn)任何疑問，可以結(jié)合離線試驗(yàn)綜合判斷避雷器的狀態(tài)。對(duì)避雷器實(shí)施在線監(jiān)測(cè)可以在不停電的情況下隨時(shí)了解避雷器的泄漏電流變化情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象和事故隱患，以采取有效預(yù)防措施，防止運(yùn)行中的避雷器發(fā)生事故。

目前，35 kV及以上的MOA一般都配有帶泄漏電流表的在線監(jiān)測(cè)裝置，還可以通過電纜將測(cè)量信號(hào)接入狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該泄漏電流表用于監(jiān)視MOA運(yùn)行中流過的電流，即總泄漏電流的有效值Ix。該電流為流過避雷器電阻片和瓷套外表面的泄漏電流，能粗略地反映MOA的絕緣狀況。如Ix超

過同等條件下120%總泄漏電流基數(shù)(即正?？傂孤╇娏髦?或相與相之間相差超過20%，應(yīng)視為異常。

近年來，隨著智能變電站技術(shù)的發(fā)展，變電站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)MOA的全電流和阻性電流，并傳輸?shù)秸{(diào)控中心和相關(guān)檢修班組，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備狀態(tài)的可視化。智能變電站通常采用總線式結(jié)構(gòu)的絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，現(xiàn)場檢測(cè)單元具備信號(hào)提取、數(shù)字化和處理功能，由后臺(tái)機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和故障診斷。

4 結(jié)論

a. 受潮和老化是金屬氧化物避雷器電阻片劣化的主要原因，這種缺陷在不同階段有不同的發(fā)熱表現(xiàn)，直至最終發(fā)展成為熱崩潰。

b. 金屬氧化物避雷器受潮及電阻片老化將造成阻性電流和全電流的增大，帶電檢測(cè)阻性電流可以快速、方便地發(fā)現(xiàn)避雷器缺陷，避免避雷器狀態(tài)進(jìn)一步惡化。

c. 金屬氧化物避雷器電阻片老化會(huì)造成避雷器外部溫度場畸變，可以通過紅外熱像檢測(cè)方法發(fā)現(xiàn)[2]。

d. 通過帶電檢測(cè)、在線監(jiān)測(cè)與傳統(tǒng)停電試驗(yàn)相結(jié)合的方式可以延長金屬氧化物避雷器停電周期，確保金屬氧化物避雷器長周期安全可靠運(yùn)行，真正實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修。

參考文獻(xiàn):

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