湯 霖，黃佳瑞，侯文君

（1.中國電力科學(xué)研究院有限公司，武漢430074；2.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，宜昌443002）

0 引言

金屬氧化物避雷器（metal oxide arrester，MOA）作為電力系統(tǒng)的重要過電壓保護裝置，廣泛應(yīng)用于各電壓等級的電網(wǎng)中，對電網(wǎng)的安全運行具有非常重要的意義[1]。長期運行下，MOA的電阻片可能會受潮或劣化，一旦出現(xiàn)過電壓，可能會引起MOA的熱崩潰，甚至爆炸，最終失去過電壓防護能力，因此需要監(jiān)測MOA的運行狀況以確保其安全穩(wěn)定運行。避雷器在線監(jiān)測裝置可以在不停電的情況下監(jiān)測MOA的運行狀況，及時發(fā)現(xiàn)運行中的異?，F(xiàn)象，對預(yù)防事故的發(fā)生，保證電力系統(tǒng)的供電可靠性具有重要作用。

國家電網(wǎng)公司“十二五”規(guī)劃中要求：在“十二五”末，80%的運維單位實現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備運維一體化和檢修專業(yè)化，90%高壓變電站實現(xiàn)無人值守（少人值守）和集中監(jiān)控。在線監(jiān)測、在線檢測、帶電作業(yè)等生產(chǎn)運行新技術(shù)、新裝備得到了大力發(fā)展。但隨著輸變電設(shè)備在線監(jiān)測裝置的大規(guī)模推廣應(yīng)用，因生產(chǎn)質(zhì)量、地區(qū)環(huán)境差異等問題，在線監(jiān)測裝置故障問題多發(fā)。

歷史上因低溫天氣原因引發(fā)的災(zāi)害造成過多起大規(guī)模電力設(shè)施故障及大面積停電事故，低溫環(huán)境對電網(wǎng)的穩(wěn)定運行造成了很大困擾[2]。對低溫環(huán)境的適應(yīng)性是輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測裝置的實用化推廣過程中必須面對的問題。目前國內(nèi)對狀態(tài)監(jiān)測裝置側(cè)重于常溫環(huán)境下準(zhǔn)確性及可靠性的研究，缺乏對低溫環(huán)境下狀態(tài)監(jiān)測裝置長期運行影響及監(jiān)測診斷技術(shù)的研究。

避雷器多安裝于戶外環(huán)境，低溫環(huán)境對避雷器在線監(jiān)測裝置的影響更甚，研究避雷器在線監(jiān)測裝置的低溫試驗方法，確保監(jiān)測裝置在低溫下的運行可靠性及準(zhǔn)確性，對保證低溫環(huán)境中避雷器的可靠運行，維護低溫環(huán)境下的電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行有著極為重要的意義。

1 我國低溫環(huán)境分類

近年來，我國發(fā)生了多起區(qū)域性極端低溫事件。2008年1月，中國南方地區(qū)經(jīng)歷了歷史上罕見的大范圍低溫、雨雪和冰凍災(zāi)害。2009年冬季，包括中國在內(nèi)的北半球多個國家和地區(qū)遭受大范圍低溫冰雪的襲擊。2011年1月，我國發(fā)生了近一次全國性極端低溫事件。其中2008年發(fā)生的低溫災(zāi)害使多級電網(wǎng)遭受嚴(yán)重的設(shè)備損害和經(jīng)濟損失，13個?。▍^(qū)、市）的電力設(shè)施遭到了破壞，造成170個縣（市）停電，嚴(yán)重影響了人民生活[2]。據(jù)統(tǒng)計，在寒暑變化劇烈的內(nèi)蒙地區(qū)，內(nèi)蒙古電網(wǎng)的烏盟、鄂局、錫盟等地區(qū)的避雷器在線監(jiān)測裝置故障率在70%以上，嚴(yán)重的甚至達(dá)到了81.8%[3]。低溫環(huán)境對避雷器在線監(jiān)測裝置的運行影響很大。

我國地域廣闊，空間環(huán)境復(fù)雜，同時存在著多種不同種類的低溫環(huán)境。據(jù)資料顯示，我國自然低溫環(huán)境可分為6類，年極值低溫≤-5℃的區(qū)域占我國陸地國土面積的80%以上[4]。根據(jù)自然環(huán)境低溫分布特點及對電網(wǎng)影響的程度，總結(jié)了適用于電力系統(tǒng)的低溫環(huán)境分類，分為三類，如表1所示。-20℃～0℃環(huán)境下，空氣濕度較大，易導(dǎo)致輸電線路、設(shè)備發(fā)生覆冰現(xiàn)象。-45℃～-20℃環(huán)境下，空氣濕度一般較小，空氣中的小水滴將變成冰雹或雪花而不易于形成覆冰，但持續(xù)影響時間長。-55℃～-45℃可劃分為極寒環(huán)境，空氣濕度較小，持續(xù)時間短。

表1 低溫環(huán)境分類Table 1 Low temperature environment classification

2 避雷器在線監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)分析

目前MOA的在線監(jiān)測技術(shù)主要是基于對泄漏電流的測量分析，主要有全電流法、諧波法、阻性電流基波補償法和投影法等方法[5]。圖1為常見的避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)圖，在線監(jiān)測裝置主要由傳感器、信號預(yù)處理和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及電源系統(tǒng)等部分構(gòu)成[6-8]。從避雷器底部通過傳感器取得避雷器的泄漏電流信號，通過光纖傳送至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過電壓互感器取得母線上的電壓信號，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到電流和電壓信號后，傳輸至上位機進行處理，根據(jù)電壓、電流量的各次諧波值以及相角等參數(shù)，計算出相應(yīng)的阻性電流值，繼而在上位機上顯示并保存數(shù)據(jù)，實現(xiàn)避雷器的在線監(jiān)測。

圖1 常見的避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)圖Fig.1 The common MOA on-line monitoring system

按照J(rèn)JG 124—2005[9]規(guī)定的方法進行檢定，在線監(jiān)測裝置電流測量性能應(yīng)符合GB/T 7676.1—1998[10]和GB/T 7676.2—1998的各項規(guī)定，避雷器在線監(jiān)測裝置的量程及輸出參數(shù)應(yīng)滿足表2的要求。

表2 MOA在線監(jiān)測裝置輸出數(shù)據(jù)參數(shù)Table 2 Output data parameters of MOA on-line monitoring device

3 低溫影響分析

低溫環(huán)境對避雷器在線監(jiān)測裝置的影響主要有三方面：一是，監(jiān)測裝置經(jīng)過一年四季冷熱交替的溫度變化影響后，裝置密封部分如密封圈，密封膠條等出現(xiàn)老化或損壞，使裝置局部區(qū)域出現(xiàn)縫隙，導(dǎo)致裝置受潮進水，直接影響了監(jiān)測裝置運行；二是，電源系統(tǒng)、傳感器、信號預(yù)處理和數(shù)據(jù)采集部分一般處于戶外環(huán)境，在低溫情況下，這些系統(tǒng)的正常運行會受到很大影響。三是，溫度對避雷器本身的運行狀態(tài)有著巨大影響。下面就這三方面的影響及解決方法分別進行論述。

3.1 工作溫度下的密封問題

目前避雷器在線監(jiān)測裝置的正常工作溫度范圍要求是-40℃～85℃[16]?，F(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，按此工作溫度設(shè)計的很多監(jiān)測裝置出現(xiàn)了密封問題，使得在線監(jiān)測裝置出現(xiàn)報警。

眾多避雷器在線監(jiān)測裝置廠家的密封圈材料大都選擇硅橡膠和發(fā)泡硅橡膠，但硅橡膠純度一般不高，所以易出現(xiàn)密封問題。為此對丁腈膠（NBR）、乙丙膠（EPDM）、硅橡膠（VQM）、氯丁膠（CR）、天然橡膠（NR）等不同材料的密封圈進行不同溫度下的試驗，發(fā)現(xiàn)在-55℃時，純度較高的硅橡膠（VQM）和三元乙丙（EPDM）具有更加優(yōu)良的密封性能。

3.2 電子電路在低溫下穩(wěn)定工作問題

在長期低溫運行工況下，監(jiān)測裝置受影響較大的是光電隔離器中的光纖傳輸，以及電子電路中的電容、電阻等元器件，表現(xiàn)為：1）監(jiān)測設(shè)備的電源系統(tǒng)在低溫環(huán)境下不能正常工作或者性能下降，使得監(jiān)測裝置的壽命大大縮短；2）低溫會導(dǎo)致狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備的傳感器測量結(jié)果發(fā)生偏移，可靠性和測量精度受到較大影響，不能準(zhǔn)確測量狀態(tài)參量；3）監(jiān)測裝置的信號處理電路中的電子元器件受低溫影響，會導(dǎo)致傳輸信號延遲，引起信號接收不同步，導(dǎo)致系統(tǒng)錯誤；4）監(jiān)測裝置的信息傳輸系統(tǒng)受到影響，導(dǎo)致信息傳輸障礙。

分析引發(fā)故障的原因，主要有：1）開關(guān)管在低溫條件下載流子的密度和活性都會降低，過載保護的啟動點也會因此降低；2）電解電容電解液在低溫下凍結(jié)，失去電容效應(yīng)，無帶載能力；3）部分類型的光耦器件在低溫狀態(tài)下無法正常工作；4）輸入端防止浪涌電流的壓敏電阻，在低溫下阻值變大（是常溫的3～5倍），也會造成低溫?zé)o法正常啟動等問題。

建議選擇溫度特性更好的器件，來保證電子電路在低溫工況下的穩(wěn)定運行。

3.3 溫度對避雷器運行狀態(tài)特征參數(shù)的影響

一般在避雷器剛安裝投運時，測取泄漏電流的初始值作為判斷運行中泄漏電流變化的依據(jù)。隨著氧化鋅電阻片的劣化、受潮或因其它故障，避雷器總泄漏電流和阻性電流分量都將增大。阻性電流分量的變化更加明顯，故而在監(jiān)測中常以阻性電流變化作為氧化鋅電阻片老化程度的主要判據(jù)，一般將測量值與初始值比較，若阻性電流分量增加到初始值的兩倍時，應(yīng)停止避雷器的運行。

文獻(xiàn)[14-15]中研究了溫度對U1mA.D.C.、功耗、泄漏電流等避雷器運行狀態(tài)特征參數(shù)的影響，試驗發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，電阻片的阻性電流分量單調(diào)遞增，平均溫度系數(shù)達(dá)到了+4.5%/℃。在實驗室內(nèi)對20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃7種溫度下荷電率為90%的避雷器電阻片泄漏電流進行了測量，試驗結(jié)果如表3所示。從20℃到80℃，電阻片全電流上升了54.8%，阻性電流分量上升了280%；當(dāng)溫度變化達(dá)到30℃左右時，電阻片的阻性電流分量變化達(dá)到了一倍，此時可能引起在線監(jiān)測裝置的報警，但避雷器電阻片并未發(fā)生老化現(xiàn)象。在大溫差下，避雷器在線監(jiān)測裝置可能出現(xiàn)誤報警。

溫度對避雷器運行狀態(tài)特征參數(shù)的影響很大，建議根據(jù)電阻片的溫度特性，考慮溫度系數(shù)的影響，提出在大溫差下的避雷器狀態(tài)在線監(jiān)測的新判斷依據(jù)。

表3 不同溫度下避雷器泄漏電流值Table 3 Leakage current of arrester at different temperatures

4 低溫試驗方法

避雷器在線監(jiān)測裝置的試驗檢測包括性能指標(biāo)及重復(fù)性試驗、通信功能試驗、環(huán)境適應(yīng)性能試驗、絕緣性能試驗、電磁兼容性能試驗、機械性能試驗、接入安全性試驗、動作性能試驗等內(nèi)容，可按照Q/GDW 242-2010輸電線路狀態(tài)監(jiān)測裝置通用技術(shù)規(guī)范[16]和變電設(shè)備在線監(jiān)測裝置技術(shù)規(guī)范系列標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW540[17]來進行。

Q/GDW 242和Q/GDW540中對狀態(tài)監(jiān)測裝置的試驗溫度進行了相關(guān)規(guī)定，Q/GDW 242中規(guī)定的狀態(tài)監(jiān)測裝置的最低工作溫度為-40℃，而Q/GDW540中規(guī)定的試驗環(huán)境溫度為+15℃～+35℃，兩類標(biāo)準(zhǔn)中要求的試驗溫度均與現(xiàn)實中的極端溫度相差甚遠(yuǎn)。且Q/GDW 242中規(guī)定的低溫試驗僅僅是在-40℃下持續(xù)通電運行16 h。現(xiàn)行的入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)既沒有考核狀態(tài)監(jiān)測裝置在低溫或者極寒環(huán)境下的測量準(zhǔn)確度，也沒有考核狀態(tài)監(jiān)測裝置在低溫下的長期運行的可靠性。

建議對狀態(tài)監(jiān)測裝置進行誤差試驗及重復(fù)性試驗考核在低溫下的測量準(zhǔn)確度，進行低溫環(huán)境適應(yīng)性能試驗考核在低溫下的長期運行可靠性。

4.1 誤差測量及重復(fù)性試驗

4.1.1 誤差測量試驗

在線監(jiān)測裝置的誤差測量試驗原理如圖2所示，通過改變輸出電流的大小，模擬不同數(shù)值的泄漏電流。使用在線監(jiān)測裝置和標(biāo)準(zhǔn)測量儀器同時采集電流信號，以標(biāo)準(zhǔn)測量儀器的測量值作為標(biāo)準(zhǔn)讀數(shù)，進行在線監(jiān)測裝置的相關(guān)測量參數(shù)誤差計算。

測量點選取原則如下：在避雷器絕緣在線監(jiān)測裝置全電流的測量范圍內(nèi)選取包括最低檢測限值、最高檢測限值以及其它4個測量點在內(nèi)的，共6個測量點，通過試驗電路，對所選測量點的全電流進行誤差測量試驗。

圖2 誤差測量試驗原理圖Fig.2 Schematic diagram of error measurement test

1）測量一致性試驗

在實驗室模擬試驗的條件下，全電流有效值2.000 mA，連續(xù)測量5次，測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差應(yīng)不大于允許誤差的1/10。在每個測量電流下，若測量誤差滿足表2的要求，則試驗合格。

2）溫度范圍內(nèi)誤差測量試驗

準(zhǔn)確度與溫度關(guān)系的測試應(yīng)在下列條件下進行：①測試過程中被試產(chǎn)品一直處于正常工作狀態(tài)；②在線監(jiān)測裝置處在其規(guī)定的最高和最低環(huán)境氣溫。溫度循環(huán)測試應(yīng)嚴(yán)格按照圖3進行。

圖3 溫度循環(huán)測試程序圖Fig.3 Program diagram of temperature cycle test

溫度的變化速率為20 K/h，熱時間常數(shù)為1 h，在各測量點測量在線監(jiān)測裝置的誤差。在線監(jiān)測裝置在整個運行溫度范圍內(nèi)的誤差均應(yīng)滿足表2要求。

4.1.2 重復(fù)性試驗

必要時，為驗證試驗前后或者試驗中在線監(jiān)測裝置性能未發(fā)生改變，可在試驗前后或試驗中每隔一段時間使用在線監(jiān)測裝置對所監(jiān)測的狀態(tài)量進行測量，計算前后兩次的測量誤差的變化量。前后兩次誤差試驗的測量誤差應(yīng)滿足表2要求。

4.2 環(huán)境適應(yīng)性能試驗

4.2.1 低溫運行試驗

按“GB/T 2423.1電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第2部分：試驗方法試驗A：低溫[18]”中規(guī)定的試驗要求，在線監(jiān)測裝置的戶外組件與戶內(nèi)組件應(yīng)能分別承受溫度為表1規(guī)定的低溫溫度、持續(xù)時間（8小時）的低溫試驗。試驗期間產(chǎn)品應(yīng)處于誤差測量回路，實時或定時監(jiān)測裝置的測量誤差，試驗期間在線監(jiān)測裝置應(yīng)能正常工作且測量誤差滿足要求。

4.2.2 低溫投切試驗

在線監(jiān)測裝置應(yīng)處于誤差測量回路中，置于溫度控制箱中正常運行，當(dāng)處于各溫度等級的低溫溫度時，斷掉在線監(jiān)測裝置的供電電源使裝置停止運行，靜置30分鐘后，電源重新上電，在啟動過程中不允許異常輸出，監(jiān)測裝置應(yīng)能正常啟動和工作。

4.2.3 溫度變化試驗

按“GB/T 2423.22電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第2部分：試驗方法試驗N：溫度變化”中規(guī)定的試驗要求和試驗方法進行，在線監(jiān)測裝置應(yīng)能承受溫度變化老化試驗，試驗低溫溫度和高溫溫度按照表1的規(guī)定選取，還應(yīng)遵循以下原則：在線監(jiān)測裝置在最高溫+50℃和如表1所示的最低環(huán)境溫鏡溫度下穩(wěn)定時間為8 h。溫度變化速率為1 k/h，常溫-高溫-低溫-高溫-常溫為一個循環(huán)，溫度循環(huán)次數(shù)為2次的溫度變化試驗。試驗期間產(chǎn)品應(yīng)處于誤差測量回路，實時或定時監(jiān)測裝置的測量誤差，試驗期間在線監(jiān)測裝置應(yīng)能正常工作且測量誤差滿足要求。

5 結(jié)論

低溫環(huán)境對避雷器在線監(jiān)測裝置的影響很大，本文通過總結(jié)我國低溫環(huán)境特點，分析低溫環(huán)境的影響，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，提出了避雷器在線監(jiān)測裝置的低溫試驗方法，對有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的修訂具有一定參考意義。

1）根據(jù)自然環(huán)境低溫分布特點及對電網(wǎng)影響的程度，總結(jié)了適用于電力系統(tǒng)的低溫環(huán)境分類，可分為三類：-55℃～-45℃，-45℃～-20℃，-20℃～0℃。

2）分析了低溫環(huán)境對避雷器運行狀況及在線監(jiān)測裝置的影響，并提出了相應(yīng)的解決辦法。建議使用純度較高的硅橡膠（VQM）和三元乙丙（EPDM）作為密封圈材料，建議使用溫度特性更好的元器件來設(shè)計電源、采集系統(tǒng)等電子電路。建議根據(jù)電阻片的溫度特性，考慮溫度系數(shù)的影響，提出在大溫差下的避雷器狀態(tài)在線監(jiān)測的新判斷依據(jù)。

3）根據(jù)低溫環(huán)境的特點，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，提出了避雷器在線監(jiān)測裝置的低溫試驗方法，包括誤差測量及重復(fù)性試驗、環(huán)境適應(yīng)性能試驗等試驗內(nèi)容，以檢驗相關(guān)產(chǎn)品在低溫下的安全穩(wěn)定運行。

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