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        氧化鋅避雷器故障類(lèi)型與診斷分析

        2021-12-02 08:19:58張文浪王橋莉張光耀
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2021年32期
        關(guān)鍵詞:故障

        張文浪 王橋莉 張光耀

        (1、陜西公眾智能科技有限公司,陜西 西安 710000 2、陜西東方航空儀表有限責(zé)任公司,陜西 漢中 723102 3、西安市軌道交通集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710000)

        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。

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