劉涵，毛學(xué)鋒，吳毅

（1.長沙理工大學(xué)，湖南 長沙 410114；2.湖南省電力公司檢修公司，湖南 長沙 410015）

1 引言

隨著電力系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展及水平的提高，電力系統(tǒng)高壓設(shè)備的檢修手段也在逐步改進(jìn)，狀態(tài)監(jiān)測、狀態(tài)評估及狀態(tài)檢修是未來電力系統(tǒng)的必然方向。金屬氧化物避雷器（MOA）作為電力系統(tǒng)重要的過電壓保護(hù)設(shè)備，其本身運(yùn)行狀況的優(yōu)劣將直接影響到電力系統(tǒng)的安全，由于長期在高電壓等級以及戶外的環(huán)境下運(yùn)行，避雷器的工作性能會(huì)出現(xiàn)變化，并且極易發(fā)生損壞。而避雷器發(fā)生故障的后果是非常嚴(yán)重的，不僅會(huì)喪失保護(hù)設(shè)備及線路的基本功能，甚至還會(huì)造成電力系統(tǒng)過電壓事故。因此對金屬氧化物避雷器進(jìn)行帶電檢測就顯得尤為重要。通過研究與實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，MOA很容易發(fā)生以下兩種異常:

（1）在運(yùn)行電壓下長期工作發(fā)生MOA閥片老化現(xiàn)象，引起閥片擊穿，最終導(dǎo)致線路短路；

（2）當(dāng)溫度降低后引起MOA內(nèi)部受潮，導(dǎo)致閃絡(luò)現(xiàn)象。

2 氧化鋅避雷器的特性和工作原理

MOA（金屬氧化物避雷器）一般是由非線性壓敏電阻閥片構(gòu)成，電阻片的主要成分是ZnO，同時(shí)還有少量的CoO、Cr2O3.、Bi2O3等其他的金屬氧化物參入其中。電阻片在電網(wǎng)運(yùn)行電壓下電阻很大，一般泄漏電流很小，可視為無工頻續(xù)流，這就是可以做成無間隙氧化鋅避雷器的原因；而在高壓作用下電阻率會(huì)突然下降，可以泄放大量的雷電流，殘壓很低，使得其具有很好的非線性保護(hù)特性；它對陡波和蓄電幅值同樣有限壓作用，防雷保護(hù)功能是其突出優(yōu)點(diǎn)。另外，ZnO電阻具有很大的電容量，所以在運(yùn)行中流過閥片的電流主要是電容電流。MOA在電力系統(tǒng)中的一般等效電路圖如圖1（a）所示。

圖1 MOA等效電路簡圖及其泄漏電流分量向量圖

即MOA可以看成是一個(gè)線性電容和一個(gè)非線性電阻的并聯(lián)。在正常工作電壓下，總泄漏電流IX是MOA運(yùn)行中的最基本的特征量，IX是由阻性泄漏電流分量Ir和容性泄漏電流分量Ic組成的，其泄漏電流各電流分量相量圖如圖1（b）所示。由此可知，當(dāng)對避雷器兩端施加正弦端電壓時(shí)，阻性電流與端電壓同相，而容性電流超前端電壓90°。

3 氧化鋅避雷器帶電檢測方法及原理

3.1 概述

金屬氧化物在運(yùn)行中的劣化主要是指電氣特性和物理狀態(tài)發(fā)生變化，這些變化使其伏安特性漂移，熱穩(wěn)定性破壞，非線性系數(shù)改變，電阻局部劣化等。一般情況下這些變化都可以從避雷器的如下幾種電氣參數(shù)的變化上反映出來:

（1）運(yùn)行電壓下，泄漏電流阻性分量峰值的絕對值增大；

（2）在運(yùn)行電壓下，泄漏電流諧波分量明顯增大；

（3）在運(yùn)行電壓下的有功損耗絕對值增大；

（4）在運(yùn)行電壓下的泄漏電流的絕對值增大，但不一定明顯。

目前對氧化鋅避雷器帶電檢測的主要方法有全電流法、補(bǔ)償法（阻性電流法）、三次諧波法和測溫法等，各種方法的特點(diǎn)見表1。

表1 氧化鋅避雷器帶電檢測方法

3.2 MOA帶電檢測技術(shù)原理

（1）全電流法

全電流法是應(yīng)用較早的一種MOA帶電檢測和在線監(jiān)測方法，該方法通過在MOA的接地端串聯(lián)直流或交流毫安表來測量總的泄漏電流，并根據(jù)其大小變化來判斷MOA的運(yùn)行狀態(tài)。該方法的原理圖如圖2所示。測量時(shí)，可采用交流毫安表，也可用經(jīng)橋式整流器連接的直流毫安表，當(dāng)電流為過去的2.2倍時(shí)，可認(rèn)為MOA處于危險(xiǎn)的邊緣。該方法很簡單，并且成本較低，但由于阻性電流占全電流比例較小，經(jīng)常出現(xiàn)阻性電流已經(jīng)發(fā)生很大變化，而全電流仍變化較小的情況。因此全電流法對MOA的運(yùn)行情況進(jìn)行判斷的準(zhǔn)確度不高。該方法用于不是很重要的MOA運(yùn)行情況的初判。

（2）補(bǔ)償法（阻性電流法）

采用補(bǔ)償法測量阻性電流的是在測量泄漏電流的同時(shí)檢測系統(tǒng)的電壓信號(hào)，用以消除總泄漏電流中的容性電流分量。該方法的代表性裝置是日本的LCD－4型泄漏電流檢測儀，基本原理及向量關(guān)系如圖2所示。

圖2 全電流法原理圖

采用同相的PT采集系統(tǒng)電壓信號(hào)，通過差分移相電路將其相位向前移相90°，得到電壓信號(hào)，該信號(hào)與總電流中的容性電流分量同相。G為

0自動(dòng)增益控制放大器的放大增益，其能自動(dòng)調(diào)節(jié)G0的大小，使其與大小相等。因此，差動(dòng)放大器的輸出為:

乘法器1與差動(dòng)放大器的輸出相乘，用以調(diào)整可控增益放大器的增益，使得中的完全被抵消掉。

（3）三次諧波法

（4）其他監(jiān)測方法

最近幾年，MOA的內(nèi)部溫度測量技術(shù)引起了人們的關(guān)注。影響MOA溫度的情況有很多，例如由電特性老化或者水氣侵入引起的功率損耗上升，脈沖或暫時(shí)過電壓引起的能量吸收等，因此可以通過基于溫度的測量來判斷MOA的運(yùn)行狀況。同前面討論的測量其他參數(shù)不同，測量溫度不僅是一個(gè)直接的在線測量手段，而它本身是一個(gè)精確的運(yùn)行參數(shù)。MOA溫度是所有影響因素綜合作用的結(jié)果。任何時(shí)間，避雷器的殘余能量吸收容量都可以用實(shí)時(shí)的溫度來反映。

圖3 LCD－4型泄漏電流檢測儀原理框圖及其向量關(guān)系圖

圖4 三次諧波法原理圖

因此，MOA的溫度可以成為判斷避雷器是否處于穩(wěn)定狀況一個(gè)很好的特征量，避雷器在持續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下其溫度的高低與和功率損耗是直接相關(guān)的，而且這種關(guān)系與電壓波形無關(guān)。

4 現(xiàn)場案例分析

4.1 故障發(fā)現(xiàn)結(jié)果

2012年4月28 日，在對某變電站進(jìn)行例行試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)其主變間隔110kV側(cè)C相避雷器1mA直流參考電壓為105.9kV，遠(yuǎn)小于GB11032－2000中的規(guī)定值（不小于145kV），且與2007年10月例行試驗(yàn)數(shù)據(jù)（147.1kV）相比減少了28%，超出了狀態(tài)檢修規(guī)程中相關(guān)規(guī)定（與初值差不超過±5%）。75%U1mA下泄漏電流520μA，遠(yuǎn)大于規(guī)定值50μA的標(biāo)準(zhǔn)。絕緣電阻值為940MΩ。該相避雷器為1995年11月生產(chǎn)，型號(hào)為Y10W1－100/248，檢修人員及時(shí)將該組避雷器進(jìn)行了更換。

4.2 缺陷設(shè)備試驗(yàn)及解體情況

5月中旬，專業(yè)人員對此組換下的避雷器在試驗(yàn)大廳進(jìn)行了絕緣電阻及運(yùn)行電壓下阻性電流測試，試驗(yàn)結(jié)果如表2。

表2 避雷器在運(yùn)行電壓下試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表2中看出，C相的絕緣電阻比另外兩相偏低，運(yùn)行電壓下全電流相差不大，阻性電流比其他兩相明顯偏大，具體為A相數(shù)值的2.27倍，為B相數(shù)值的2.45倍。

專業(yè)人員對C相避雷器進(jìn)行解體后，發(fā)現(xiàn)避雷器的內(nèi)壁及閥片干燥清潔，無明顯受潮現(xiàn)象。避雷器的頂蓋密封處密封緊實(shí)，并無明顯缺口與受損點(diǎn)，現(xiàn)場相關(guān)人員初步分析判斷為避雷器氧化鋅閥片老舊劣化引起缺陷。

接著對避雷器的所有氧化鋅閥片（共34個(gè)）進(jìn)行了絕緣電阻測試，發(fā)現(xiàn)有5個(gè)閥片的絕緣電阻值僅為20～30MΩ，有8個(gè)閥片的絕緣電阻值僅為120～180MΩ，其他閥片（21個(gè)）的絕緣電阻值為 400～600MΩ，具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 氧化鋅閥片絕緣電阻測試結(jié)果

從表3可知該C相避雷器多塊閥片絕緣電阻值過低，造成1mA直流參考電壓降低，75%U1mA下泄漏電流增大，帶電檢測測得的阻性電流增大，該缺陷為內(nèi)部閥片在運(yùn)行過程中老化引起。

4.3 結(jié)論及建議

帶電檢測工作中，阻性電流分量對反映內(nèi)部閥片老化比較明顯。若能加強(qiáng)帶電檢測工作，對在停電例試周期內(nèi)更早地發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷及故障有重大意義。為確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，必須選擇在晴好的氣候條件下進(jìn)行測量。

5 氧化鋅避雷器帶電檢測的意義

隨著電力系統(tǒng)高壓電力設(shè)備的大容量化和設(shè)備結(jié)構(gòu)的多樣化，以及對電力系統(tǒng)的越來越高的安全可靠性要求，使得傳統(tǒng)的停電預(yù)試診斷方法顯得越來越不適應(yīng)。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

（1）試驗(yàn)時(shí)需要停電。停電不僅運(yùn)行人員需要大量的倒閘操作，還給用戶的生產(chǎn)帶來影響。

（2）試驗(yàn)周期長，試驗(yàn)時(shí)間集中，耗費(fèi)大量人力物力。在現(xiàn)場經(jīng)常發(fā)生預(yù)防性試驗(yàn)合格的設(shè)備投運(yùn)不久，就發(fā)生事故的情況。國網(wǎng)公司依據(jù)我國國情和現(xiàn)狀，提出了合理且合情的電氣設(shè)備狀態(tài)檢修，提倡通過帶電檢測等手段，對設(shè)備狀態(tài)情況進(jìn)行科學(xué)有效的評估，并根據(jù)評估結(jié)果，確定維修計(jì)劃。以帶電檢測、在線監(jiān)測為主要依據(jù)的狀態(tài)檢修，與傳統(tǒng)模式的檢修體制相比，在成本控制方面，有明顯的優(yōu)勢:克服定期檢修的盲目性，具有很強(qiáng)的針對性。根據(jù)狀態(tài)的不同采取不同的處理方法，降低運(yùn)行檢修費(fèi)用。對于狀態(tài)差的設(shè)備及時(shí)安排預(yù)試，對于狀態(tài)好的設(shè)備可以延長檢修周期，從而節(jié)省人力、物力和財(cái)力，有效地降低維護(hù)成本和檢修風(fēng)險(xiǎn)。減少維護(hù)工作量，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，有利于減員增效，提高經(jīng)濟(jì)效益。減少停運(yùn)時(shí)間，提高設(shè)備可靠性和可用系數(shù)，延長設(shè)備使用壽命。

［1］李瑞.氧化鋅避雷器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用及其維護(hù)［D］.南昌大學(xué)，2008:1－40.

［2］吳桂林.氧化鋅避雷器在線監(jiān)測技術(shù)的研究與系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.武漢理工大學(xué)，2008:2－50.

［3］李虹山，史陽.金屬氧化鋅避雷器（MOA）的在線監(jiān)測及故障診斷［J］.電力監(jiān)測，2008，29（4）:28 －31.

［4］宋繼軍，管稚弘，潘仰光.金屬氧化物避雷器現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.電力設(shè)備，2005.8.

［5］吳烽，林方彬，郭靖源，等.氧化鋅避雷器的帶電測試及在線監(jiān)測［J］.電力系統(tǒng)裝備，2007（3）:66 －67.