廣東電網有限責任公司中山供電局 劉 磊 陳英杰 馬 躍

1 引言

高壓直流試驗的直流高電壓是通過直流高壓發(fā)生器產生的。直流高壓發(fā)生器是高壓試驗的一項基本設備，廣泛應用于電氣設備的絕緣試驗以及作為沖擊電壓發(fā)生器、沖擊電流發(fā)生器等高壓試驗設備的充電電源，在各種直流高壓試驗中起著舉足輕重的作用[1-2]。

避雷器作為設備過電壓的重要保護，是一種結構簡單、質量輕、耐污穢、電阻性能穩(wěn)定、保護機能優(yōu)勝的防雷設備，在電力系統(tǒng)中被應用廣泛[3-4]。定期對避雷器開展電力試驗，能夠確保其正常工作和電網的安全運行，其中主要包含絕緣電阻試驗和直流泄漏電流試驗等[5-6]。兩項試驗的開展由于使用不同儀器而接線方式卻基本一致等原因，存在有重復接線限制了試驗效率并且存在一定的作業(yè)風險。具體來說，中山供電局目前對避雷器的高壓試驗（絕緣電阻試驗和直流電流試驗）主要存在有以下三點不足。

1.1 試驗需重復接線

根據(jù)規(guī)程要求，避雷器預試包括絕緣電阻和直流泄漏電流試驗，中山供電局10kV 避雷器數(shù)量接近5000個，年平均預試量為1000個，預試工作量大。絕緣電阻測試和直流泄漏電流測試試驗接線方式基本一致，而試驗要求在直流泄漏電流試驗前后分別開展一次絕緣電阻試驗，目前兩項試驗采用不同儀器而需要分別接線開展試驗，因此整個試驗過程存在大量重復接線操作。

1.2 接線需重復爬梯

由于主變10kV 低壓側避雷器和部分電容間隔的避雷器的安裝位置較高，需要爬梯進行試驗接線，同一個避雷器預試需至少4次爬梯進行試驗接線（接線和拆線），大量的爬梯作業(yè)存在一定的高空作業(yè)風險。

1.3 儀器需多次搬運布置

由于前述兩項試驗需分別使用直流高壓發(fā)生器和絕緣電阻測試儀，試驗需多次搬運和放置儀器。

綜上，目前避雷器預試工作存在大量重復性作業(yè)，即限制了試驗效率，也存在一定的作業(yè)風險，對此需要研發(fā)一套可以實現(xiàn)兩種測試于一身的綜合測試設備，除了保證測試安全外，還要保證測試精度滿足試驗要求。本文針對目前避雷器高壓試驗存在的問題，基于10kV 金屬氧化物避雷器試驗而提出，設計開發(fā)了一套輕型化避雷器綜合測試裝置，該裝置實現(xiàn)絕緣電阻測試功能和直流泄漏電流測試功能，僅需一次接線即可完成避雷器絕緣測試和泄漏電流測試項目，無需根據(jù)不同試驗項目更換試驗接線，也避免了大量的爬梯作業(yè)和多次搬運布置現(xiàn)場，優(yōu)化了試驗流程，提高了試驗效率，降低了試驗風險。

2 金屬氧化物避雷器及其高壓試驗

2.1 避雷器介紹

避雷器（又名：過電壓保護器）是用來保護電力系統(tǒng)中各種電器設備免受雷電過電壓、操作過電壓、工頻暫態(tài)過電壓沖擊而損壞的一個電器。通常避雷器連接在電網導線與地線之間，有時也連接在電器繞組旁或導線之間[7-8]。

避雷器按照其發(fā)展先后可以分為：

管型避雷器：管型避雷器是一個保護間隙，是最簡單的避雷器，但它能在放電后自行滅弧。

閥型避雷器：閥型避雷器是將單個放電間隙分成許多短的串聯(lián)間隙，同時增加了非線性電阻，提高了保護性能。

磁吹避雷器：磁吹避雷器利用了磁吹式火花間隙，提高了滅弧能力，同時還具有限制內部過電壓能力。

氧化鋅避雷器（MOA）：氧化鋅避雷器利用了氧化鋅閥片理想的伏安特性，非線性極高，即在高電壓時呈低電阻特性，限制了避雷器上的電壓。氧化鋅避雷器是現(xiàn)用普及較多的避雷器，具有良好保護性能[9]。利用氧化鋅良好的非線性伏安特性，在正常工作電壓時流過避雷器的電流極小（微安或毫安級）；當過電壓作用時，電阻急劇下降，泄放過電壓的能量，達到保護的效果。如圖1這種避雷器和傳統(tǒng)的避雷器的差異是它沒有放電間隙，利用氧化鋅的非線性特性起到泄流和開斷的作用。

避雷器的主要基本參數(shù)包含以下幾點：

持續(xù)運行電壓：允許長期工作電壓。它應等于或大于系統(tǒng)的最高相電壓。

額定電壓（kV）：允許短時最大工頻電壓（滅弧電壓）。避雷器能在此工頻電壓下動作放電并熄弧，但不能在此電壓下長期運行。它是避雷器特性和結構的基本參數(shù)，也是設計的依據(jù)。

工頻耐受伏秒特性：表明氧化鋅避雷器在規(guī)定條件下，耐受過電壓的能力。

標稱放電電流（kA）：用于劃分避雷器等級的放電電流峰值，220kV 及以下系統(tǒng)不應超過5kA。由于金屬氧化物避雷器不帶有間隙，一經接入電網，電阻片即長期承受工頻工作電壓，使原件自身發(fā)熱，隨著溫度升高，其泄漏電流將增加，再加上沖擊電壓、表面污穢和內部受潮這些累計效應的影響，將導致熱崩潰，甚至引發(fā)爆炸，所以為確保金屬氧化物避雷器的正常工作和電網安全運行，有必要定期對其進行預防性試驗[10]。

2.2 耐壓試驗和泄漏電流試驗

為確保避雷器的安全運行，在每年的雷雨季節(jié)前或必要時需要進行預防性試驗[11]，耐壓試驗和泄漏電流試驗的測試主要包含直流1mA 下的臨界動作電壓U1mA 及0.75U1mA 直流電壓下的泄漏電流。試驗的接線圖如圖2所示，需要用到的是直流高壓發(fā)生器以及微安表。

圖2 直流泄漏電流試驗原理圖

具體的試驗步驟以及說明要求如下：

（1）直流高壓發(fā)生器啟動后，先均勻升壓，避免造成電流的劇烈波動，待微安表上的電流顯示為1mA 即1000uA 時，讀取其電壓值，即為1mA時的臨界動作電壓U1mA。測量氧化物避雷器的U1mA 主要是檢查閥片是否受潮、老化，確定其動作性能是否符合使用要求，直流1mA 參考電壓一般等于或大于避雷器額定電壓的峰值。

（2）再按下0.75U1mA 按鈕，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后讀取微安表上面的電流值，即為0.75U1mA 直流電壓下泄漏電流值。由于0.75U1mA 直流電壓值一般比最大相電壓峰值要高，因此，測量此電壓下的泄漏電流主要是驗證長期允許工作電流是否符合規(guī)定，這一泄露電流與氧化物避雷器的壽命有直接關系，一般在同一溫度下，此泄露電流與壽命成反比。

參照于規(guī)程規(guī)定應滿足以下要求：

金屬氧化物避雷器對應直流參考電流下的直流參考電壓，整支或分節(jié)進行的測試值，不應低于現(xiàn)行國家標準《交流無間隙金屬氧化物避雷器》GB11032規(guī)定值，并應符合產品技術條件的規(guī)定。實測值與制造廠實測值比較，其允許偏差為±5%

0.75倍直流電流參考電壓下的泄漏電流值不應大于50uA，或符合產品相關技術條件的規(guī)定。750kV 電壓等級的金屬氧化物避雷器應測試1mA和3mA 下的直流參考電壓值，測試值應符合產品技術條件的規(guī)定；0.75倍直流參考電壓下的泄漏電流值不應大于65uA，尚應符合產品技術條件的規(guī)定。

試驗時若整流回路中的紋波系數(shù)大于1.5%時，應加裝濾波電容器，可選用0.01uF-0.1uF，試驗電壓應在高壓側測量。

2.3 絕緣電阻的測試

絕緣電阻是指絕緣物在規(guī)定條件下的直流電阻，是電氣設備和電氣線路最基本的絕緣指標。通過在絕緣介質（MOA）兩邊加載一個已知的直流電壓（這個電壓低于耐壓試驗的試驗電壓），然后測量流過絕緣材料的電流，即可計算出絕緣電阻值。這個電阻值表征了兩個導體之間的絕緣質量，并指示出絕緣材料發(fā)生泄漏電流的風險[14]。

2.3.1 絕緣電阻的特性及影響因素

當對金屬氧化物避雷器加載一個持續(xù)恒定的電壓時，有許多因素會影響被測物絕緣電阻的阻值，即影響其流經絕緣材料的電流值。例如溫度和濕度等外界環(huán)境因素可能會很大程度地影響到測量結果。首先，分析在絕緣試驗中，流經被測物（絕緣材料）電流的自然特性，并假設這些因素不影響測量結果。

絕緣試驗流經金屬氧化物避雷器的總電流，由以下三個電流組成。

電容電流：試驗加壓瞬間，電容充電電流即是對被測MOA 的電容充電。這個電流為瞬時電流，開始時相對較大，但如被測材料充電完畢后，會以曲線速度快速降低接近于零。一般在幾秒或十幾秒后，電容電流相對于總電流來說，即可忽略不計。

吸收電流：吸收電流，是絕緣材料分子，在外電場的電效應下，重新排列分布所需要的額外能量。吸收電流的衰減速度與電容電流相比來說要慢得多，有時需要很多分鐘后才能降到接近于零的數(shù)值。

泄漏電流：泄漏電流或電導電流，表征了絕緣材料的質量特征，并在試驗過程中保持恒定不變的。

當被測電路加載以固定電壓時，流經金屬氧化物避雷器的總電流會隨時間而變化，如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)隨著時間的增加泄漏電流先增加后保持恒定，而電容充電電流隨著時間增加而快速減小到0，吸收電流隨時間增加而緩慢減小，這意味著絕緣電阻試驗的測量值于測量時間是緊密相關。

圖3 絕緣電阻試驗總電流和時間關系

而外界環(huán)境和干擾對絕緣電阻測量的影響如下：

（1）溫度的影響。

溫度是影響金屬氧化物避雷器絕緣特性的關鍵因素之一，通常情況下，隨著溫度的升高金屬氧化物避雷器的吸收比和絕緣電阻呈下降趨勢。其原因包含兩面：一是由于溫度升高，內部的電子和離子產生劇烈運動；二是內部的水分在常溫狀態(tài)下與其他介質結合及其緊密。所以溫度發(fā)生變化時，會使得絕緣電阻的阻值接近指數(shù)曲線函數(shù)關系隨之變動。在對設備的預防性維護計劃中，絕緣電阻試驗應該在相近的溫度條件下進行，如果無法符合此要求，則應以相對于參考溫度的相關運算，來校正其溫度測量值，具體的溫度校正系數(shù)圖如圖4所示，給出了K 系數(shù)與金屬氧化物避雷器的繞組溫度關系。

圖4 絕緣電阻的溫度校正系數(shù)圖

（2）濕度的影響。

當環(huán)境空氣相對濕度比較大時，金屬氧化物避雷器的絕緣部分會出現(xiàn)表面受潮，空氣中的各類污穢物中可溶的導電物質將會溶解于潮濕的空氣，形成一層導電層，增加其導電能力，導致其絕緣性能下降，那么泄漏電流也會隨之增加。所以濕度主要影響絕緣電阻表面的臟污程度來影響絕緣電阻的大小，并且需要注意的是，當溫度降至露點以下時，絕不可進行絕緣電阻的測量。

（3）外界干擾影響。

金屬氧化物避雷器加上直流電壓后，通過試樣的電流是很微小的，極易受到外界干擾的影響，造成較大的測試誤差。外界干擾主要是雜散電流的耦合或靜電感應產生的電勢。在測試電流小于10-10A或測量電阻超過1011歐姆時；被測試樣、測試電極和測試系統(tǒng)均應采取嚴格的屏蔽措施，消除外界干擾帶來的影響。

2.3.2 金屬氧化物避雷器絕緣電阻的測量

針對10kV 金屬氧化物避雷器的絕緣電阻測試接線方式如圖5、圖6所示，分別為避雷器的絕緣電阻和避雷器基座絕緣電阻測試原理接線圖。其中，將10kV金屬氧化物避雷器的高壓端接在“L”端子上，“E”是接金屬氧化物避雷器的接地段，“G”用來接屏蔽段。

圖5 避雷器絕緣電阻測試接線原理圖

圖6 避雷器基座絕緣電阻測試接線

相應的對于10kV 氧化物避雷器規(guī)程規(guī)定如下：35kV 以下電壓等級，應采用2500V 兆歐表，絕緣電阻不應小于1000MΩ；基座絕緣電阻不應低于5MΩ。

3 10kV 金屬氧化物避雷器綜合測試儀

3.1 功能實現(xiàn)

針對目前避雷器高壓試驗存在的問題，基于10kV 金屬氧化物避雷器試驗而提出，設計開發(fā)了一套輕型化10kV 避雷器綜合測試儀，通過本裝置可以一次性完成避雷器預防性試驗項目（絕緣電阻試驗、直流泄漏電流試驗），創(chuàng)新了試驗操作，優(yōu)化了試驗流程，顯著地提高了作業(yè)效率，降低了作業(yè)風險。具體功能測試實現(xiàn)了：

一體開展實驗：設計開發(fā)的10kV 避雷器綜合測試儀集成了絕緣電阻試驗和直流泄漏電流試驗功能，可一體化開展避雷器預試項目，優(yōu)化試驗流程，提高試驗效率。

一次試驗接線：由于10kV 金屬氧化物避雷器的高壓試驗主要包含絕緣電阻試驗和直流泄漏電流試驗兩項，且接線方式一致，可以只需一次接線即可開展試驗，避免了重復接線和重復爬梯，優(yōu)化了試驗流程，降低了試驗風險。

一體式儀器搬運：只需要搬運10kV 避雷器綜合測試儀即可完成試驗，便于試驗儀器的布置，降低試驗環(huán)境和區(qū)域的影響，提高了試驗效率，降低了試驗風險。

所以綜合該套輕型化10kV 避雷器綜合測試儀的功能測試實現(xiàn)，所突出的最大創(chuàng)新有兩點，試驗一體化：集成了絕緣電阻試驗和直流泄漏電流試驗功能，實現(xiàn)了避雷器預試作業(yè)一體化，優(yōu)化了試驗流程，提高了工作效率；接線一次化：一次試驗接線即可完成避雷器預試工作，避免了重復搬運、爬梯和接線操作，優(yōu)化了試驗流程，降低了試驗風險，也提高了試驗效率。如圖7所示為輕型化10kV 避雷器綜合測試儀的測試頁面，能較為清楚觀測到絕緣電阻以及泄漏電流的功能實現(xiàn)。

圖7 輕型化10kV 避雷器綜合測試儀模型機界面

3.2 應用前景

10kV 避雷器預試包括絕緣電阻試驗和直流泄漏電流試驗，目前試驗采用不同儀器，需要分別接線開展試驗，整個過程存在大量重復接線、爬梯和搬運作業(yè)，操作繁瑣，也有一定的作業(yè)風險。如果采用本設計開發(fā)的輕型化避雷器綜合試驗裝置，一次搬運、一次接線即可一體完成試驗，創(chuàng)新了試驗操作方式，優(yōu)化了試驗流程。

由于各類10kV 避雷器預試原理和過程基本一致，該綜合試驗裝置具有很強的適應性，可以在全省甚至全國推廣使用，有效解決目前行業(yè)內該項試驗過程中遇到的問題。

同時，由于10kV 避雷器作為電網必不可少的電氣設備而被廣泛應用，避雷器預試工作繁重。使用了該綜合試驗裝置后，能有效的減少試驗工作量，在滿足試驗要求的情況下，顯著地提高效率，降低風險，具有很廣闊的應用前景。

綜上，本文針對目前避雷器高壓預防性試驗存在的問題，基于10kV 金屬氧化物避雷器試驗而提出，設計開發(fā)了一套輕型化10kV 避雷器綜合測試儀，該儀器集成了絕緣電阻測量功能和直流泄漏電流測量功能，僅需一次試驗接線即可完成避雷器所有停電試驗項目，無需根據(jù)不同試驗項目更換試驗接線，也避免了大量的爬梯作業(yè)，優(yōu)化了試驗流程，提高了試驗效率，降低了試驗風險。并且試驗裝置具有很強的適應性，可以在全省甚至全國推廣使用，有效解決目前行業(yè)內該項試驗過程中遇到的問題，具有很廣闊的前景。