范焱煒，費(fèi)肇胤，商忠韜

(國網(wǎng)上海市電力公司松江供電公司，上海 201600)

金屬氧化鋅避雷器(Metal Oxide Surge Arresters,簡稱MOA)具有過電壓保護(hù)特性好、流通容量大、動(dòng)作反應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)已逐步取代了老的閥式避雷器，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。由于避雷器要長期承受系統(tǒng)運(yùn)行電壓作用，將會出現(xiàn)MOA閥片的老化現(xiàn)象，而且老化、潮濕、污穢和過電壓等因素的作用會導(dǎo)致阻性電流及避雷器功率的增加，閥片會逐漸加劇劣化，致使MOA絕緣特性遭到破壞，失去保護(hù)作用引起熱崩潰，嚴(yán)重時(shí)甚至還會發(fā)生爆炸，而一旦發(fā)生MOA事故，會引起嚴(yán)重后果。為了能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)MOA受潮、老化和其他的隱患，避免因事故造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，一方面要提高M(jìn)OA產(chǎn)品可靠性，強(qiáng)化質(zhì)量管理；同時(shí)要對MOA進(jìn)行有效的性能優(yōu)劣檢測和狀態(tài)診斷。

目前，檢測MOA的方式主要有周期性停電預(yù)試和在線帶電測試和監(jiān)測等。周期性預(yù)防試驗(yàn)一般在停電狀態(tài)下進(jìn)行，是電力系統(tǒng)最早使用的較為普遍的檢測手段[1]。這種測試方法的優(yōu)點(diǎn)是測量的結(jié)果較為準(zhǔn)確可靠，缺點(diǎn)就是必須要使避雷器停電試驗(yàn)，過程也較為麻煩，既影響正常的供電又費(fèi)時(shí)費(fèi)力，于是結(jié)合實(shí)際需求出現(xiàn)了在線帶電檢測方法。在線帶電檢測MOA可以在不停電的情況下隨時(shí)了解MOA的運(yùn)行性能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象和事故隱患。MOA在線帶電檢測已是近年來國內(nèi)外同行研究的一個(gè)重要課題，其研究成果的進(jìn)一步突破必將對電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行有著深遠(yuǎn)的意義，本文在分析MOA工作原理的基礎(chǔ)上，對避雷器性能檢測方法研究現(xiàn)狀進(jìn)行比較分析。

1 MOA工作原理分析

在運(yùn)行電壓下流過MOA的泄漏電流，主要有瓷套外表面電流及內(nèi)部電流(包括絕緣構(gòu)架電流和閥體電流)[2]。如受潮或有缺陷，泄漏電流會明顯增大，在工頻電壓下，ZnO閥片(MOV)在小電流區(qū)的等效電路如圖1所示。在圖1中，RC為ZnO晶粒本體的電阻；C為晶界層的固有電容等效電容；R為晶界層的等效非線性電阻；IX為全泄漏電流；IC為容性泄漏電流；IR為阻性泄漏電流。

圖1 MOV小電流區(qū)等效電路

圖1中，非線形電阻R隨MOV外施電壓U的變化而變化。當(dāng)U小于某一電壓值——稱為MOV的拐點(diǎn)電壓時(shí)，MOV呈現(xiàn)很大的電阻，阻值變化很??；而當(dāng)U超過拐點(diǎn)電壓時(shí)，非線形電阻R阻值減小很快，阻性電流值迅速增加。MOV晶界層的相對介電常數(shù)可達(dá)500～2 000,使閥片具有相當(dāng)大的電容量,在運(yùn)行中流過閥片的電流主要是電容電流。當(dāng)U低于拐點(diǎn)電壓時(shí)，晶界電容C變化很小，可視為定常值；當(dāng)U超過拐點(diǎn)電壓時(shí)，MOV晶界電容增加較快。

MOV具有極好的非線性保護(hù)特性，MOA的伏安特性以i=kuβ=f(in)(k，β為非線形系數(shù)，in為高次諧波電流，u為電網(wǎng)電壓)表示。由于其良好的非線性特性，導(dǎo)致全電流中的阻性分量不僅包含有基波，而且還有3次、5次和更高的諧波，其所占分量逐漸減少，三次諧波對溫度變化很靈敏[3]。早期老化阻性電流的變化又主要表現(xiàn)為阻性電流的三次諧波分量的上升，非線性特性曲線如圖2所示。

圖2 非線性特性曲線

MOA就是根據(jù)其非線性伏安特性而起到防雷作用的。當(dāng)MOA運(yùn)行在正常的電壓時(shí)，由于其阻抗很大，通過的電流很小，一般為1 mA；當(dāng)供電線路上的電壓大于MOA擊穿電壓時(shí)，MOA會呈現(xiàn)很低的阻性，將強(qiáng)大的沖擊電流泄入大地，而MOA上的電壓隨沖擊電流的增大變化很小，特性平穩(wěn)；當(dāng)電壓低于擊穿電壓時(shí)，MOA則又回到原來的絕緣狀態(tài)，MOA仍運(yùn)行在正常電壓。

在工頻電壓作用下,流經(jīng)閥體的總泄漏電流IX主要由容性分量IC和阻性分量IR組成。當(dāng)施加電壓為正弦波時(shí)，容性電流也為正弦波，它超前電壓90°。 由于晶界層電阻具有非線性,阻性電流是與電壓同相位的含有高次諧波(主要為3，5，7次諧波)和基波的畸變波。在正常運(yùn)行電壓下,ZnO閥片工作在其線性段,一般只有數(shù)十繆安的微小電流通過電阻R(稱為阻性電流分量),而通過閥片電容C的電流IC在幾百繆安以上。可見在正常情況下阻性電流分量占全電流的5%～20%[4]。

容性電流、阻性電流與電壓信號間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 容性電流、阻性電流與電壓信號間關(guān)系

如果MOA發(fā)生故障后存在缺陷時(shí)，其阻性分量往往成倍增大,容性分量卻增加不大。根據(jù)MOV的老化試驗(yàn)，在整個(gè)老化過程中，容性分量電流幾乎不發(fā)生變化，阻性電流在正常情況下很小。容性電流是無功分量，它通過閥片不會構(gòu)成功率損耗，阻性電流是有功分量，它是導(dǎo)致閥片發(fā)熱的成分。

因此，在進(jìn)行MOA泄漏電流檢測時(shí)，除測出總電流外，MOA阻性電流分量的檢測十分重要。在MOA剛投運(yùn)時(shí)，一般應(yīng)測取泄漏電流的初期電流值，以作為判斷運(yùn)行中泄漏電流是否變化的依據(jù)。隨著ZnO閥片的劣化、受潮或其他故障，阻性電流將增大，從測量總泄漏電流和阻性電流分量都能夠反映出這一變化，但阻性電流分量的反映更靈敏，所以一般的方法在測試中常常以阻性電流為主要測試參數(shù)并作為氧化鋅閥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(shí)，應(yīng)停止運(yùn)行，這就是目前檢測避雷器性能是否正常的基本原理[5]。

2 氧化物避雷器性能檢測方法研究現(xiàn)狀

目前，檢測MOA的方式主要有周期性停電預(yù)試與在線帶電測試和檢測。

周期性預(yù)防試驗(yàn)一般在停電狀態(tài)下進(jìn)行，是電力系統(tǒng)最早使用的較為普遍的檢測手段。目前對于周期性預(yù)防試驗(yàn)，主要的試驗(yàn)項(xiàng)目是直流實(shí)驗(yàn)，測量避雷器直流1 mA下臨界動(dòng)作參考電壓U1 mA和75%的U1 mA下的泄漏電流。通過試驗(yàn)可以檢查其閥片是否受潮，確定其動(dòng)作性能是否符合要求[5]。

這種測試方法的優(yōu)點(diǎn)是測量結(jié)果較為準(zhǔn)確可靠，缺點(diǎn)就是必須要使避雷器停電試驗(yàn)，過程也較麻煩，不方便；試驗(yàn)過程有可能需要解開避雷器引線，操作起來費(fèi)時(shí)費(fèi)力。更為重要的是，隨著電網(wǎng)容量的迅猛擴(kuò)大，新建及擴(kuò)建大量變電站，使得需要維護(hù)的電力設(shè)備劇增，若進(jìn)行停電預(yù)試，必然帶來很大的困難和經(jīng)濟(jì)損失，特別是實(shí)際中有時(shí)無法進(jìn)行，于是結(jié)合實(shí)際需求出現(xiàn)了在線帶電檢測與診斷方法。

在線帶電檢測MOA可以在不停電的情況下隨時(shí)了解MOA的運(yùn)行性能，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，防止事故的發(fā)生或擴(kuò)大而造成更大的經(jīng)濟(jì)損失，保證其在良好的狀態(tài)下運(yùn)行，這是目前國內(nèi)外關(guān)注的焦點(diǎn)問題[6-8]。MOA在線檢測主要是監(jiān)視閥片是否受潮或老化，檢測方法主要有全電流法、阻性電流法、溫度法和相角差法等。

2.1 全電流法

全電流法是指在MOA底部與地之間串接全電流監(jiān)測裝置，可以對運(yùn)行中的MOA實(shí)行連續(xù)的在線帶電監(jiān)測。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。目前國內(nèi)許多運(yùn)行單位使用MF-20型萬用表(或數(shù)字式萬用表)并接在動(dòng)作計(jì)數(shù)器上測量全電流。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是方法簡便易行，適用于在現(xiàn)場大量推廣使用，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)MOA的受潮顯著劣化狀況；缺點(diǎn)是對發(fā)現(xiàn)MOA的早期老化很不靈敏，阻性分量即使已有顯著增大，但在測量全電流的變化時(shí)仍不明顯，只有當(dāng)MOA已嚴(yán)重受潮時(shí)，阻性電流分量才進(jìn)一步變大，增大幾倍后，全電流才可以明顯地被分辨出來，往往當(dāng)電流增大到2～3倍時(shí)認(rèn)為已達(dá)到危險(xiǎn)界線。

該監(jiān)測器結(jié)合實(shí)際需要進(jìn)行儀器電路設(shè)計(jì)，是一種符合實(shí)際的實(shí)用型儀器裝置，已在電力系統(tǒng)現(xiàn)場大量推廣并安裝使用，但是對發(fā)現(xiàn)MOA的早期老化仍然不靈敏。

2.2 阻性電流法

質(zhì)量好的MOA，早期的事故較少，要有問題也往往是由受潮引起的。這時(shí)，以在線檢測流過MOA的全電流方法最為簡單，但是此方法對發(fā)現(xiàn)MOA的早期老化不靈敏。IC是無功分量，通過閥片不會構(gòu)成功率損耗，IR是有功分量，它是導(dǎo)致閥片發(fā)熱的成分。為了能夠發(fā)現(xiàn)MOA的早期老化，較好的方法是對IR或由此產(chǎn)生的功耗P實(shí)行在線檢測，所以目前電力部門普遍采用阻性電流法檢測MOA性能，診斷其絕緣狀況。

在MOA剛投運(yùn)時(shí)，一般應(yīng)測取泄漏電流的初期電流值，以作為診斷運(yùn)行中泄漏電流是否變化的依據(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(shí)，應(yīng)停止運(yùn)行。MOA阻性電流法在線檢測要解決的關(guān)鍵技術(shù)是如何從容性電流為主的總電流中分離出微弱的阻性電流，方法相對較復(fù)雜，但更有利于MOA的性能檢測，對發(fā)現(xiàn)早期的老化比較靈敏。于是MOA阻性電流法可根據(jù)阻性電流獲取方法的不同分為兩大類，一是不需要電壓參考信號的檢測方法；二是需要電壓參考信號的檢測方法。

在不獲取電壓參考信號的前提下獲取阻性電流，對MOA性能優(yōu)劣進(jìn)行檢測和診斷，主要方法有以下幾種：

2.2.1 瞬時(shí)法

在圖1的MOA等效電路中，R和C相對比較小，可以忽略掉，則將閥片看作為R和C相并聯(lián)，外施正弦交流電壓U。當(dāng)電壓信號過零時(shí)，IR=0，電流信號為電容電流IC；當(dāng)電壓信號達(dá)到波峰時(shí)，IC=0，電流信號為阻性電流IR。對于這種方法，準(zhǔn)確找出信號的過零點(diǎn)比較困難，同時(shí)由于條件限制很可能影響到檢測的精度和準(zhǔn)確性。

2.2.2 三次諧波法

由于MOA的非線性特性，即使外施電壓是正弦的，全電流也是非正弦的，它包含有高次諧波。使用MOA電流測試儀測量MOA中的三次諧波電流，可以推出阻性電流，理論上使用這種方法測量較為方便。上海電動(dòng)工具研究所生產(chǎn)的SD-8901型MOA泄露電流測試儀即采用這種方法原理。

2.2.3 基波法(諧波分析法)

基波法即是通過采用數(shù)學(xué)諧波分析技術(shù)從總泄漏電流中分離出阻性電流的基波值，并以此來診斷MOA的健康狀況。它的顯著特點(diǎn)是：①盡管有效抑制了電網(wǎng)電壓中的諧波干擾，阻性電流的大小主要取決于MOA的老化狀況，但因電網(wǎng)電壓諧波含量不同，總阻性電流的測量結(jié)果就不同，準(zhǔn)確掌握電網(wǎng)中的諧波含量信息較困難，阻性電流的基波值分離并不簡單；②基波功耗雖然反映了MOA的健康狀況，但是當(dāng)存在相間干擾等干擾時(shí)，得到的基波功耗值并不是實(shí)際值；③對于相間干擾對測量值的影響盡管可以采用數(shù)字諧波分析技術(shù)，測出此移相角并加以校正，但是方法和算法較復(fù)雜；阻性電流的變化總量相對于總泄露電流來說很小，其前后比較的數(shù)字差別不是很大，對MOA性能優(yōu)劣的診斷會造成一定的困難；對測量儀器的精度要求較高，達(dá)到要求很困難。

2.2.4 零序電流法

可見，這幾種檢測方法無需引入電壓信號，方法方便易行，但檢測的精度和準(zhǔn)確性難以把握。

要從全電流中準(zhǔn)確分離其阻性分量，目前公認(rèn)的比較準(zhǔn)確有效的方法是，取MOA端電壓來作為參考信號，測試采用雙輸入型，同時(shí)輸入電壓和電流信號，通過兩者的相互關(guān)系來求得阻性電流。對此，目前國內(nèi)外普遍采用有線方式從被測相電壓互感器二次側(cè)獲得電壓信號，通過帶電測量MOA的全泄漏電流和阻性泄漏電流來診斷MOA是否劣化，常用方法主要有補(bǔ)償法和投影法。

但這兩種方法存在兩個(gè)主要共同問題：①采用有線方式帶電檢測，拖線長，操作很不方便，且高壓操作具有一定的危險(xiǎn)性；②電壓參考信號來自被測相電壓互感器二次側(cè)，屬間接獲取信號，參量容易畸變產(chǎn)生誤差，并且有時(shí)避雷器與變電站距離較遠(yuǎn)無法獲得電壓信號。

2.3 溫度法

國際上，采用雙AT法和基于溫度的測量法實(shí)現(xiàn)MOA的總泄漏電流監(jiān)測技術(shù)已問世?；跍囟鹊臏y量法是將溫度傳感器放在避雷器內(nèi)部，通過無線方式向外接收裝置發(fā)送溫度信號，傳感器采用無源聲表面波(SAW)溫度傳感器。該方法對于正在制造且準(zhǔn)備安裝在線監(jiān)測的MOA很有用途，但對于已投入電網(wǎng)安全運(yùn)行的MOA卻無法應(yīng)用。除這些方法外，另外還可以進(jìn)行遠(yuǎn)紅外線帶電檢測，它是用紅外探測儀檢測被測目標(biāo)的紅外輻射信號。經(jīng)放大轉(zhuǎn)換處理后得到紅外熱像圖，根據(jù)附帶的固化程序分析得到正在運(yùn)行的MOA各節(jié)電阻片的溫度，測定因功率損耗而引起的MOA本體的溫度升高程度，以此來確定MOA是否有缺陷。該方法為非電氣檢測，操作簡單，較適合現(xiàn)場使用，一般判斷溫差達(dá)1℃便可確定是否有缺陷。但是MOA的發(fā)熱很大程度上取決于運(yùn)行時(shí)的電壓分布，當(dāng)相電壓改變5%時(shí)MOA的能量損失可達(dá)20%，直接導(dǎo)致MOA溫度變化1～2℃，容易受外界干擾[1]。

這兩種方法均基于溫度檢測原理，存在的主要問題有：①需要在避雷器內(nèi)部放置傳感器，由于受運(yùn)行方式的限制，對于已投入電網(wǎng)安全運(yùn)行的MOA無法廣泛采用；②溫度信號容易受外界影響，不利于檢測的準(zhǔn)確性；③目前方法無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確診斷MOA很大程度上要靠現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)。

2.4 相角差法

MOA性能檢測方法還有很大的研究和改進(jìn)空間。有文獻(xiàn)介紹可以用相角差法來診斷MOA劣化程度，根據(jù)φ和IR的關(guān)系，把IR的變化轉(zhuǎn)換成角度φ的變化，可以使MOA劣化的診斷變得十分清晰和直觀[9]。

MOA全電流IX中，IC比IR大的多，當(dāng)IR增大時(shí)(不超過初始值的2倍)，IX的變化很小，因此從工程上可以把IX看作常數(shù)，這樣IR的變化就可用φ的變化來描述。

由于不同類型和不同廠家生產(chǎn)制造的MOA初始參數(shù)(總電流、阻性電流和角度差等)往往是不同的，所以Δφmax必將會有一定的差別。但都可以在其剛開始投入使用時(shí)，利用相應(yīng)的測量工具或儀器對其進(jìn)行參數(shù)初始測量，測出其在運(yùn)行電壓下的初始參數(shù)，并方便地計(jì)算出Δφmax值，為以后的檢測和診斷制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。在測得MOA相角差φ值后，對應(yīng)相應(yīng)的診斷標(biāo)準(zhǔn)則可以對MOA的老化情況進(jìn)行分析診斷，同時(shí)該種方法不受電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響。

為獲得角度差φ，一般可以采取投影法和三次諧波法。投影法可以根據(jù)得到的基波電壓和全電流的基波測得角度φ，三次諧波法主要采用諧波分析，通過測出三次諧波的相角差值3φ而得出φ，另外也可以采用無線檢測方法獲得相位差。由于避雷器相間存在干擾，其影響可根據(jù)對實(shí)際測得的相角φ進(jìn)行相應(yīng)的角度補(bǔ)償來修正。針對各種干擾的存在，根據(jù)運(yùn)行中MOA的排列和安裝等具體情況進(jìn)行考慮制定有效的補(bǔ)償方法來補(bǔ)償。例：若運(yùn)行中的三相MOA是一字形排列，三相高壓引線與一字型垂直，分別對停運(yùn)和運(yùn)行中的三相MOA進(jìn)行測量，根據(jù)實(shí)際測量數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)，運(yùn)行中MOA受周圍帶電體的影響情況主要為：B相帶電體對A相和C相MOA的作用大小相同，方向相反；A相和C相帶電體對B相MOA的作用也是大小相同，方向相反。說明這種電場是以B相帶電體為對稱軸的對稱電場。那么，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的測量結(jié)果B相的相角差φB是真實(shí)的，不需要補(bǔ)償，對A相和C相測量結(jié)果φA和φC進(jìn)行數(shù)值大小相等，方向相反的補(bǔ)償即可。采用阻性電流大小診斷MOA性能需要對進(jìn)行φ補(bǔ)償后，再通過計(jì)算得到阻性電流值IR，那么IR的計(jì)算結(jié)果將存在累計(jì)誤差，而采用相角差法診斷MOA性能優(yōu)劣通過補(bǔ)償消除相間干擾后，直接可通過相角變化量診斷MOA性能。

由于不同廠家生產(chǎn)的MOA初始參數(shù)不同，導(dǎo)致A，B和C三相MOA本身特性及每一相初始相位也不完全相同，而相角差法是根據(jù)每一相MOA的相角變化量Δφmax來診斷MOA的性能。

根據(jù)這些分析并結(jié)合大量的實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)發(fā)現(xiàn)，一般MOA正常運(yùn)行時(shí)的相角差為75°～85°，MOA正常運(yùn)行時(shí)的相角差變化范圍為5°～10°。若初始相位為85°時(shí)，當(dāng)相角差變化5°時(shí)阻性電流已經(jīng)增加了一倍以上。經(jīng)驗(yàn)表明，若相角差大于80°，則該避雷器性能優(yōu)良；小于80°則性能下降，而一旦相角差低于75°或以下，即相角差已經(jīng)變化了5°～10°，則MOA的阻性電流已經(jīng)增加了一倍或者一倍以上，MOA已經(jīng)劣化，應(yīng)停止運(yùn)行 ?？傊孟嘟遣罘ㄔ\斷MOA性能更簡便、準(zhǔn)確和直觀。

3 結(jié)語

若要對MOA性能優(yōu)劣做出準(zhǔn)確診斷，需要合理選擇性能檢測方法。目前國內(nèi)外公認(rèn)的氧化物避雷器性能有效檢測方法是利用有線方式從電壓互感器線上獲得電壓信號采用阻性電流法或相角差法檢測，而實(shí)際中多數(shù)避雷器的安裝位置與變電站距離較遠(yuǎn)，很難獲得電壓信號。可見，如何對MOA的性能優(yōu)劣進(jìn)行安全、方便和準(zhǔn)確地檢測，其方法和工作原理還有待進(jìn)一步研究和改進(jìn)。