張文浪 王橋莉 張光耀

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近年來(lái)，氧化鋅避雷器（MOA）在電網(wǎng)運(yùn)行方面逐漸得到了更廣泛的應(yīng)用。由于MOA 擁有非線(xiàn)性特性好、放電無(wú)延遲、無(wú)工頻續(xù)流等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]，因而被廣泛地用在了電力系統(tǒng)運(yùn)行中。

在實(shí)際工況下，MOA 在日常運(yùn)行的過(guò)程中一旦發(fā)生自身事故，不僅會(huì)影響自身絕緣性能和設(shè)備安全，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生爆炸等事故，從而影響周?chē)ぷ魅藛T和電網(wǎng)運(yùn)行?；诖耍疚膶?duì)MOA 發(fā)生故障時(shí)，兩大典型故障進(jìn)行分析。其次，對(duì)故障帶來(lái)的影響進(jìn)行概括，在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，必須要對(duì)運(yùn)行中的氧化鋅避雷器的日常運(yùn)作進(jìn)行檢測(cè)，從而達(dá)到對(duì)它可以進(jìn)行防護(hù)的目的。

在MOA 密封性不良的影響下，會(huì)有很大幾率會(huì)使其在運(yùn)行時(shí)的閥片出現(xiàn)容易受潮的情況。由于外部水分的影響，它在進(jìn)入MOA 后會(huì)積累在其內(nèi)部，與此同時(shí)，隨著水分的積累，在MOA 內(nèi)部很可能會(huì)發(fā)生受潮的現(xiàn)象，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致泄漏電流增大，從而繼續(xù)促使惡劣程度加劇，接著造成MOA 泄漏電流增大。如若故障得不到及時(shí)的排查，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致MOA 出現(xiàn)絕緣性能問(wèn)題，甚至是爆炸等。而老化使得氧化鋅避雷器內(nèi)部電位分布不均，從而出現(xiàn)額外溫升，又加速老化，同樣會(huì)導(dǎo)致惡性循環(huán)的產(chǎn)生。隨著老化，會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部擊穿的現(xiàn)象，從而影響MOA 絕緣性能甚至是電網(wǎng)運(yùn)行。

1 氧化鋅避雷器典型故障

氧化鋅避雷器具有很多優(yōu)點(diǎn)，尤其是它無(wú)間隙、無(wú)續(xù)流、殘壓低等一些非線(xiàn)性特性。但同時(shí)，避雷器在實(shí)際工況運(yùn)行過(guò)程中，受到很多因素的影響[2]，往往會(huì)導(dǎo)致其出現(xiàn)諸多故障的發(fā)生。

在MOA 正常運(yùn)行時(shí)，一旦出現(xiàn)缺陷時(shí)，會(huì)影響氧化鋅避雷器的絕緣性能，若缺陷得不到排除，會(huì)隨著時(shí)間推移轉(zhuǎn)變?yōu)楣收希收喜坏珪?huì)影響MOA 自身絕緣性能，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生爆炸等事故，從而影響周?chē)ぷ魅藛T和電網(wǎng)運(yùn)行。所以，在電力系統(tǒng)中，非常有必要強(qiáng)化對(duì)氧化鋅避雷器故障原因的分析。

1.1 密封性差

圖1 氧化鋅避雷器結(jié)構(gòu)圖

對(duì)氧化鋅避雷器故障原因的分析中，主要因素之一，就是其密封性較差。比如閥片受潮。氧化鋅避雷器閥片受潮主要是由于其在生產(chǎn)、運(yùn)輸及安裝過(guò)程中密封性受到破壞，導(dǎo)致產(chǎn)生貫穿性裂紋[3]，在氧化鋅避雷器正常運(yùn)行時(shí)，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，外部水分會(huì)逐漸滲入氧化鋅避雷器內(nèi)部并在一定條件下會(huì)積累起來(lái)，使氧化鋅避雷器絕緣受到影響。當(dāng)氧化鋅避雷器受潮情況積累到一定程度時(shí)，MOA 內(nèi)絕緣性能下降，會(huì)導(dǎo)致無(wú)法承受其內(nèi)部相應(yīng)的電壓的情況出現(xiàn)，從而促使氧化鋅避雷器出現(xiàn)內(nèi)部絕緣擊穿的事故。一般情況下，在事故中，會(huì)表現(xiàn)為MOA 外表面出現(xiàn)比較明顯的閃絡(luò)痕跡，緊接著引起局部發(fā)熱，當(dāng)MOA 的受潮情況嚴(yán)重時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致線(xiàn)路對(duì)地短路的事故發(fā)生。

因此，要做好對(duì)MOA 的運(yùn)行安全的監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)備相應(yīng)的預(yù)防措施，防止事故的發(fā)生以及后續(xù)對(duì)發(fā)生事故的原因進(jìn)行分析。

1.2 老化故障

電力部門(mén)多年的試驗(yàn)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，除去氧化鋅避雷器本身的制造質(zhì)量問(wèn)題，環(huán)境濕熱以及外護(hù)套表面污穢是加速M(fèi)OA 老化的主要原因[3]，如閥片使用較多。同一時(shí)間下不同的閥片老化速度不同，有的老化快有的老化慢，不同的閥片承壓能力也不同，會(huì)導(dǎo)致氧化鋅避雷器出現(xiàn)內(nèi)部電位分布不均的問(wèn)題，一般在這個(gè)情況下，會(huì)造成閥片出現(xiàn)存在額外溫升的現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致氧化鋅避雷器老化的速度變快，引發(fā)氧化鋅避雷器內(nèi)部擊穿事故。

一般情況下，MOA 出現(xiàn)泄漏電流的增加的現(xiàn)象時(shí)，可以認(rèn)為是受所處環(huán)境的天氣因素影響的。即，它們隨著氣候條件呈現(xiàn)間斷性出現(xiàn)的特點(diǎn)。這種現(xiàn)象隨著天氣的變化而變化，在濕潤(rùn)天氣下這種現(xiàn)象會(huì)加重，過(guò)一段時(shí)間后，等天氣變化后則又會(huì)消失。

氧化鋅避雷器中若處于潮濕高溫和表面污穢兩種狀態(tài)中，在它們的雙重作用下，氧化鋅避雷器內(nèi)部電位分布不均的問(wèn)題將更加嚴(yán)重。

2 MOA 在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)

為了防止MOA 故障對(duì)電力系統(tǒng)和工作人員人身安全造成損害，為了滿(mǎn)足在故障發(fā)生之前能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出氧化鋅避雷器內(nèi)部絕緣缺陷所在及能夠?qū)υO(shè)備絕緣進(jìn)行可靠的統(tǒng)計(jì)分析的需求，如何監(jiān)測(cè)MOA 在運(yùn)行中的工作水平，從而保障電網(wǎng)的安全運(yùn)行顯得很重要。在線(xiàn)監(jiān)測(cè)不僅能預(yù)防MOA 在前期出現(xiàn)缺陷，還可以隨著工作時(shí)間的增加，為其積累原始數(shù)據(jù)，具有很多方面的作用。

對(duì)于電網(wǎng)運(yùn)行來(lái)說(shuō)，在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的主要目的就是收集氧化鋅避雷器在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的準(zhǔn)確的技術(shù)參數(shù)，在收集到數(shù)據(jù)后，通過(guò)對(duì)收集到的MOA 技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析，進(jìn)而提供給相應(yīng)工作人員，便于及時(shí)了解氧化鋅避雷器的健康情況，進(jìn)而再進(jìn)行缺陷排查的操作。

目前，對(duì)于預(yù)防MOA 缺陷的方法來(lái)說(shuō)，對(duì)應(yīng)設(shè)備帶電檢測(cè)，有許多方法，氧化鋅避雷器的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)只是其中一種方式，它通過(guò)對(duì)MOA 的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，通過(guò)收集并分析設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)的手段進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)運(yùn)行時(shí)有缺陷發(fā)生時(shí)，使工作人員能夠按照分析出來(lái)的實(shí)際情況對(duì)特定部位進(jìn)行檢修，及時(shí)排除缺陷部位進(jìn)行修正，防止缺陷轉(zhuǎn)變?yōu)楣收?，解決設(shè)備存在的問(wèn)題，避免更嚴(yán)重的電網(wǎng)運(yùn)行事故的發(fā)生。

2.1 MOA 在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)原理

圖2 為MOA 的等效電路結(jié)構(gòu)圖和向量關(guān)系圖，相當(dāng)于一個(gè)非線(xiàn)性電阻R 和線(xiàn)性支路電容C 構(gòu)成的混聯(lián)電路。其中IR為阻性電流，IC為容性電流，IX為全電流。

圖2 氧化鋅避雷器等效電路圖和向量關(guān)系圖

氧化鋅避雷器的運(yùn)行狀態(tài)可以通過(guò)IR、IC和IX這三種電流的變化趨勢(shì)來(lái)判斷出來(lái)。在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)通過(guò)使用MOA 帶電測(cè)試儀，檢測(cè)流經(jīng)MOA 的IR，即阻性電流分量或由此產(chǎn)生的有功功率損耗來(lái)及時(shí)發(fā)現(xiàn)MOA 缺陷[4]。

對(duì)氧化鋅避雷器而言，如果處于正常運(yùn)行狀態(tài)，主要流過(guò)的電流是IC，阻性電流相對(duì)來(lái)說(shuō)占比并不高。如果電力設(shè)備因?yàn)槊芊庑圆涣蓟蛘呃匣脑驅(qū)е率艹辈荒苷＿\(yùn)行時(shí)，在這種情況下，流過(guò)MOA 的IR的電流量開(kāi)始增加，而IC的電流量卻沒(méi)有太大的變化。與此同時(shí)，IX也與IR一樣，它們的數(shù)值將明顯增加。因此監(jiān)測(cè)MOA 的運(yùn)行狀態(tài)，用在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)的方法十分有效。

監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)通常有運(yùn)行電壓下的泄漏電流大小和絕緣電阻的大小等[5,6]，測(cè)量數(shù)據(jù)主要是由全泄漏電流的測(cè)量和阻性電流的測(cè)量構(gòu)成。

2.2 全泄漏電流的測(cè)量

在MOA 監(jiān)測(cè)方式中，經(jīng)常使用的對(duì)全泄露電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)的是全電流法，其原理如圖3 所示。其具體的操作方法是：通過(guò)將兩個(gè)儀表，即動(dòng)作計(jì)數(shù)器和萬(wàn)用表，串聯(lián)在MOA 的底部和地之間，通過(guò)這個(gè)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)MOA 進(jìn)行在線(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)比全泄露電流變化狀況，來(lái)判斷MOA 的內(nèi)部是否進(jìn)水以及MOA 運(yùn)行情況。這個(gè)方法具有方便可靠、操作性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，然而與此同時(shí)，它的缺點(diǎn)也無(wú)法忽視，在MOA 逐漸出現(xiàn)老化以及早期MOA出現(xiàn)受潮時(shí)，流經(jīng)MOA 的阻性電流變化很小，全電流的大小不會(huì)受到大影響。所以全電流法在這兩種情況下處理較為遲鈍。

圖3 氧化鋅避雷器全電流法原理圖

目前，逐漸顯示出優(yōu)勢(shì)的光纖取樣技術(shù)是采集監(jiān)測(cè)全電流的首要方式。這個(gè)方法使得泄露電流中的一些等問(wèn)題得到了完善解決。光纖取樣技術(shù)可以對(duì)MOA 的泄露電流以及電流超標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)和報(bào)警，且都可采用主動(dòng)的方式進(jìn)行。

2.3 阻性電流的測(cè)量

測(cè)量阻性電流分量的方法有很多，其中較為常見(jiàn)的方法有電容電流補(bǔ)償法、高次諧波法以及基波電流法等。

電容電流補(bǔ)償法是對(duì)過(guò)去阻性電流法的優(yōu)化方法，其等效圖如圖4 所示。過(guò)去的阻性電流法在獲取阻性電流的同時(shí)，可能會(huì)存在角差問(wèn)題，同時(shí)受諧波電流的影響較大，因此對(duì)傳感器的要求比較高，需要它具有高質(zhì)量的磁芯。對(duì)于改進(jìn)的方法來(lái)說(shuō)，通過(guò)這種補(bǔ)償法，對(duì)阻性電流進(jìn)行改進(jìn)，使測(cè)量更加方便，但該方法只有當(dāng)氧化鋅避雷器總泄漏電流中阻性電流的相位與容性電流的相位成π /2 的時(shí)候才能夠得到避雷器運(yùn)行狀況的真實(shí)結(jié)果。

圖4 氧化鋅避雷器補(bǔ)償法等效圖

高次諧波法是利用MOA 電流測(cè)試儀來(lái)對(duì)MOA 的運(yùn)行情況進(jìn)行測(cè)試的，其原理圖如圖5 所示。是在基波法的基礎(chǔ)上運(yùn)用FFT 變換對(duì)同步檢測(cè)到的電壓和電流信號(hào)進(jìn)行諧波分析，獲得電壓和阻性電流各次諧波的幅值和相角，從而對(duì)氧化鋅避雷器的性能做出判斷。主要測(cè)量手段是通過(guò)收集氧化鋅避雷器的三次諧波電流數(shù)據(jù)，然后通過(guò)系數(shù)相關(guān)曲線(xiàn)，來(lái)對(duì)氧化鋅避雷器運(yùn)行工況進(jìn)行判斷。

圖5 氧化鋅避雷器高次諧波法原理圖

基波電流法通過(guò)快速傅立葉變換（FFT）來(lái)運(yùn)算得到CT 全電流信號(hào)以及PT 電壓的數(shù)值，通過(guò)提取氧化鋅避雷器基波的電壓電流數(shù)據(jù)進(jìn)行投影，從而獲取氧化鋅避雷器的阻性電流。該方法的好處是，它不易受電網(wǎng)諧波帶來(lái)的干擾，相同情況下檢測(cè)程度更高。

2.4 基于溫度測(cè)量方法

實(shí)現(xiàn)對(duì)MOA 各電流的提取，其全泄露電流和阻性電流都會(huì)受環(huán)境溫度濕度、及相應(yīng)運(yùn)行電壓的影響，而發(fā)熱是電力設(shè)備最典型的故障特征之一，通過(guò)紅外測(cè)溫可以實(shí)現(xiàn)對(duì)MOA 出現(xiàn)早期受潮時(shí)的初步檢測(cè)。

目前，紅外測(cè)溫技術(shù)在識(shí)別氧化鋅避雷器出現(xiàn)缺陷時(shí)，是一種方便可靠的檢測(cè)手段，如紅外線(xiàn)熱像具有不受電場(chǎng)干擾的優(yōu)點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)MOA 運(yùn)行狀況的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，可借助這種技術(shù)，有效診斷氧化鋅避雷器出現(xiàn)缺陷的情況。

3 結(jié)論

本文對(duì)氧化鋅避雷器發(fā)生故障時(shí)的兩大典型故障進(jìn)行了分析，其中密封性差是MOA 故障的主要原因。其次分析了氧化鋅避雷器進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的基本原理，得出了在MOA 發(fā)生故障時(shí)，流過(guò)MOA 內(nèi)部的容性電流并不會(huì)發(fā)生明顯波動(dòng)，但是流過(guò)MOA 的阻性電流會(huì)增加，同時(shí)相應(yīng)的全泄露電流會(huì)隨之明顯增加的結(jié)論。

在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)氧化鋅避雷器狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，建立起MOA 的故障監(jiān)測(cè)術(shù)或管理手段來(lái)減少避雷器故障的發(fā)生，是保障電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要技術(shù)手段。