500kV金屬氧化物避雷器的運(yùn)行狀態(tài)帶電診斷

段長君，閆 軍，霍 峰，岳永剛

（內(nèi)蒙古超高壓供電局，內(nèi)蒙古自治區(qū) 呼和浩特 010080）

金屬氧化物避雷器（MOA）與傳統(tǒng)類型的避雷器相比具有過電壓后殘壓低、絕緣配合容易實(shí)現(xiàn)、無續(xù)流、陡波響應(yīng)特性好以及通流容量大等優(yōu)點(diǎn)，使得其在電力系統(tǒng)中應(yīng)用逐漸增多。在實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行中，MOA長期受工頻電壓的作用以及受雨雪、風(fēng)沙等自然環(huán)境的影響，使得MOA的電阻片老化和受潮，最終導(dǎo)致避雷器溫度異常升高。電網(wǎng)故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，MOA事故60%以上是由于受潮引起的。通過對以往受潮缺陷事故的分析研究，提高M(jìn)OA的故障診斷水平、及時發(fā)現(xiàn)MOA的缺陷故障對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義［1-3］。

目前，規(guī)程中要求開展的MOA運(yùn)行狀態(tài)檢測方法主要包括：運(yùn)行電壓下泄漏電流監(jiān)測、阻性電流檢測和紅外熱像法測溫監(jiān)測［4-7］。

1 缺陷情況

2014年7月29日19時30分，500kVXX變電站天氣陰，微風(fēng)，溫度為6℃，當(dāng)時無任何操作，未發(fā)生任何設(shè)備異常及外部故障情況，2號主變500kV側(cè)有功功率為-408.14MW。

500kVXX變電站運(yùn)行人員在巡檢測溫時發(fā)現(xiàn)2號主變500kV側(cè)避雷器B相的中節(jié)局部明顯發(fā)熱現(xiàn)象，如圖1所示，該產(chǎn)品型號為Y20W-420／1006，出廠日期為2013年10月，投運(yùn)日期為2013年12月。運(yùn)行電壓下泄漏電流監(jiān)測顯示B相電流明顯增大，為最小值A(chǔ)相的154.6%。根據(jù)MOA運(yùn)行異常情況，檢修工區(qū)試驗(yàn)人員對該MOA進(jìn)行運(yùn)行電壓下阻性電流檢測，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，B相阻性電流增大，為最小值C相的135.0%。

圖1 避雷器紅外熱像圖Figure 1 Infrared thermographs of metal oxide arrester

表1 MOA運(yùn)行電壓下泄漏電流及阻性電流Table 1 Leakage current and resistive current of MOA under its operating voltage mA

2 MOA運(yùn)行狀態(tài)診斷方法

MOA運(yùn)行狀態(tài)分析較普遍采用的方法有泄漏電流法、阻性電流法、紅外成像法。

2.1 泄漏電流法

MOA在運(yùn)行電壓和各種過電壓作用下發(fā)生老化或受潮時，內(nèi)部電阻減小，泄漏電流會相應(yīng)減小。泄漏電流監(jiān)測是目前MOA在線監(jiān)測主要手段，已經(jīng)獲得普遍的應(yīng)用［1-3］。

現(xiàn)場測試該MOA的A，B，C相泄漏電流（表1），根據(jù)測試結(jié)果，B相縱橫比為26.62%，根據(jù)國家電網(wǎng)、內(nèi)蒙古電網(wǎng)避雷器相關(guān)狀態(tài)檢修試驗(yàn)規(guī)程及評價(jià)導(dǎo)則判斷依據(jù)：交流泄漏電流指示值縱橫比增大20%，判斷該MOA劣化程度級別為II級，扣分值為12分，設(shè)備狀態(tài)為注意狀態(tài)［6-7］。

2.2 阻性電流法

MOA在運(yùn)行電壓和各種過電壓作用下發(fā)生老化或受潮時，內(nèi)部電阻減小，泄漏電流中阻性分量按指數(shù)規(guī)律極大地增加，因此，目前運(yùn)行中的MOA跟蹤監(jiān)測阻性電流是發(fā)現(xiàn)缺陷的重要手段，可以提高對MOA劣化和受潮的檢測靈敏度。

阻性電流測試是用高靈敏度的鉗形電流互感器在MOA的接地引下線取總電流信號，從電壓互感器二次側(cè)取電壓信號，進(jìn)而測量流經(jīng)避雷器的全電流Ix的有效值、阻性電流Ir的峰值以及功率損耗的平均值，判斷和發(fā)現(xiàn)避雷器內(nèi)部故障。

現(xiàn)場測試阻性電流值見表1，根據(jù)測試結(jié)果，B相阻性電流測試值與初始值比較，增加35%，國家電網(wǎng)、內(nèi)蒙古電網(wǎng)避雷器相關(guān)狀態(tài)檢修試驗(yàn)規(guī)程及評價(jià)導(dǎo)則判斷依據(jù)：測量值與初始值比較，增加30%，判斷該MOA劣化程度級別為II級，扣分值為12分，該缺陷定義為注意狀態(tài)［6-7］。

2.3 紅外熱像法

MOA受潮或老化以后，主要使閥片電導(dǎo)電流和內(nèi)部的泄露電流增加，總電流中阻性電流上升，MOA總體的發(fā)熱功率按比例增加，MOA表面的溫升也就相對較高，故通過紅外熱像儀對MOA表面溫度測量可以檢測出存在問題的MOA。用紅外熱像儀檢測MOA方便、安全，因?yàn)闊嵯駜x檢測的是每一節(jié)元件溫度，因此，對于多元件串聯(lián)的MOA來說，用紅外熱像儀檢測MOA具有更加高靈敏性。

現(xiàn)場紅外熱像如圖1所示，B相紅外測溫第2節(jié)最高點(diǎn)溫度為20.4℃，A，C相相同部位為15.3℃，溫度最大偏差5.1K，相對溫差為35.7%。國家電網(wǎng)、內(nèi)蒙古電網(wǎng)避雷器相關(guān)狀態(tài)檢修試驗(yàn)規(guī)程及評價(jià)導(dǎo)則判斷依據(jù)：溫差超過1K，判斷該MOA劣化程度級別為II級，扣分值為12分。熱點(diǎn)溫度≥80℃或相對溫差≥95%為嚴(yán)重狀態(tài)［6-7］。

在文獻(xiàn)［6］中只規(guī)定了10～60kV氧化鋅避雷器溫差在0.5～1K時，建議做進(jìn)一步的直流和交流試驗(yàn)，未對其他電壓等級避雷器紅外溫度進(jìn)行明確規(guī)定。根據(jù)舊版帶電設(shè)備紅外診斷技術(shù)應(yīng)用原則［9］：330～500kV電壓等級金屬氧化物避雷器允許溫升為3.0～4.0K，相間溫差1.2K，應(yīng)用其他試驗(yàn)手段確定缺陷性質(zhì)及處理意見。

根據(jù)MOA帶電測試結(jié)果，相關(guān)專業(yè)人員分析認(rèn)為：雖然根據(jù)國家電網(wǎng)、內(nèi)蒙古電網(wǎng)避雷器相關(guān)狀態(tài)檢修試驗(yàn)規(guī)程及評價(jià)導(dǎo)則判斷依據(jù)，該避雷器狀態(tài)為注意狀態(tài)，但考慮該MOA存在嚴(yán)重過熱問題，發(fā)熱原因可能為避雷器上節(jié)閥片受潮，運(yùn)行存在較大風(fēng)險(xiǎn)。2014年7月29日21時30分，緊急將該站2號主變500kV側(cè)MOA退出運(yùn)行，并對該避雷器進(jìn)行了相關(guān)絕緣試驗(yàn)檢查、返廠解體檢查。

3 停電試驗(yàn)及檢查

3.1 絕緣試驗(yàn)檢查

絕緣試驗(yàn)檢查數(shù)據(jù)如表2所示，依據(jù)停電后的絕緣試驗(yàn)，該組避雷器B相上節(jié)絕緣電阻僅為5MΩ，遠(yuǎn)小于規(guī)程規(guī)定值2 500MΩ及上次試驗(yàn)值108 000MΩ；MOA直 流1mA電 壓（U1mA）為40kV，遠(yuǎn)小于出廠要求值大于188kV；泄漏電流為214μA，遠(yuǎn)大于規(guī)程要求的50μA。

表2 MOA絕緣試驗(yàn)Table 2 MOA insulation testing

3.2 返廠解體檢查

為了進(jìn)一步查明該避雷器缺陷原因，對該相MOA進(jìn)行返廠解體。

1）解體后，首先發(fā)現(xiàn)該相MOA上節(jié)密封圈完好，但上法蘭內(nèi)部銹蝕嚴(yán)重、上部連接彈簧銹蝕嚴(yán)重，如圖2所示。

2）該相MOA下法蘭有藍(lán)綠色的氧化銅并有電弧灼燒痕跡、上節(jié)內(nèi)部沿瓷套內(nèi)表面有閃絡(luò)現(xiàn)象，如圖3所示。

3）電阻片柱未發(fā)生擊穿和閃絡(luò)，但發(fā)現(xiàn)其表面有碳化物附著，同時電阻片柱表面有細(xì)小水珠存在，如圖4所示。

4）該相MOA上節(jié)充氣孔的密封帽和密封螺絲脫落，沒有密封措施。

5）對該相MOA上節(jié)瓷套和電阻片柱分別進(jìn)行絕緣電阻測試，瓷套絕緣電阻大于2 500MΩ，電阻片柱絕緣電阻為7MΩ，遠(yuǎn)小于2 500MΩ的正常值。電阻片柱經(jīng)過烘干再次檢測，絕緣電阻上升至390MΩ。

圖2 上法蘭及連接彈簧銹蝕嚴(yán)重Figure 2 Serious corrosion on upper flange and connecting spring

圖3 下法蘭及套管內(nèi)壁存在放電痕跡Figure 3 Flashover marks on bottom lower flange and ion casing wall

圖4 電阻片柱碳化物及水珠Figure 4 Carbide and water on resistance column

4 原因分析

目前，MOA狀態(tài)監(jiān)測特征參數(shù)主要基于MOA自身的總泄漏電流或泄漏電流分量。依據(jù)MOA小電流區(qū)的等值電路如圖5所示，其中，Ix是通過MOA的總泄漏電流（全電流），它是由通過電阻片的阻性電流分量Ir和容性電流分量Ic疊加形成，Rv為MOA閥片的等效非線性電阻，C是MOA閥片的等效電容。

圖5 MOA等值電路模型Figure 5 MOA equivalent circuit model

500kV MOA由3節(jié)單體避雷器組成，如圖6所示。根據(jù)500kV MOA結(jié)構(gòu)組成原理，其每節(jié)MOA中電阻閥片運(yùn)行工況基本相同，存在以下幾種情況。

1）如當(dāng)500kV MOA某節(jié)受潮時，該節(jié)MOA中電阻閥片往往逐步均受潮氣影響發(fā)生絕緣失效。同時，該節(jié)MOA內(nèi)部存在熱平衡過程：①增大的阻性電流使整節(jié)MOA發(fā)熱量增大；②受潮后的MOA閥片等效比熱容增大，溫度升高幅度小一些；③進(jìn)潮氣部位也一定程度將增大該節(jié)MOA散熱能力。所以，500kVXX變電站2號主變500kV側(cè)避雷器B相上節(jié)受潮絕緣失效后，中節(jié)局部發(fā)熱問題相比上節(jié)更加明顯、嚴(yán)重（圖1）。

2）當(dāng)某節(jié)MOA由于受潮或長時間運(yùn)行、遭受過電壓影響使得電阻閥片發(fā)生絕緣老化時，因單節(jié)MOA所有閥片產(chǎn)品參數(shù)、運(yùn)行工況均相同，該節(jié)MOA中全部或多數(shù)電阻閥片會出現(xiàn)絕緣失效問題。500kV MOA3節(jié)等值電路及2節(jié)MOA等值電路（上節(jié)絕緣失效）如圖6所示，有

式中 U為運(yùn)行電壓；U1，U2，U3分別為正常運(yùn)行3節(jié)MOA分布電壓；U2′，U3′為第1節(jié)MOA絕緣完全失效后第2，3節(jié)承受電壓。

正常情況，假設(shè)3節(jié)MOA參數(shù)相同，則U1≈U2≈U3≈U／3=92kV；上節(jié)受潮后，假設(shè)MOA第2，3節(jié)參數(shù)相同，則U2′≈U3′≈U／2=144kV。

根據(jù)現(xiàn)場測試及返廠解體檢查結(jié)果，MOA第1節(jié)受潮未形成貫穿性擊穿，仍然存在一定的絕緣，同時，由于該避雷器設(shè)計(jì)留有的一定絕緣裕度，使得第1節(jié)受潮后，另2節(jié)MOA仍耐受了二次電壓分配后的運(yùn)行電壓，未形成整組MOA的導(dǎo)通或擊穿。

圖6 500kV MOA等值電路示意Figure 6 500kV MOA equivalent circuit models

3）當(dāng)上節(jié)受潮絕緣失效后，整組MOA 流過的泄漏電流增大，當(dāng)3節(jié)MOA參數(shù)相同時，該電流應(yīng)為正常額定條件下泄漏電流的1.5倍，這與泄漏電流在線測試結(jié)果相符，為1.554 5倍（表1），而根據(jù)測試結(jié)果，阻性電流僅為正常情況的1.3倍。

泄漏電流、阻性電流作為MOA綜合電氣參數(shù)，所反映的是整組MOA阻抗參數(shù)變化，因此，對于3節(jié)疊裝結(jié)構(gòu)形式的500kV MOA（每節(jié)MOA由獨(dú)立瓷套及若干電阻閥片組成），單節(jié)MOA受潮或整體絕緣喪失，對整體MOA泄漏電流、阻性電流影響較小，不會出現(xiàn)大于100%的較大變化。單節(jié)絕緣喪失，只會引起50%左右變化，但此時另2節(jié)正常MOA所分擔(dān)的電壓增大，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)較大，而現(xiàn)行規(guī)程［4-7］中對于該缺陷定義為一般缺陷是存在問題的。筆者認(rèn)為對于不同節(jié)（電壓等級）MOA，基于泄漏電流、阻性電流對于MOA運(yùn)行狀態(tài)診斷應(yīng)該區(qū)別對待，判據(jù)如表3所示。

表3 基于泄漏電流、阻性電流的MOA運(yùn)行狀態(tài)診斷Table 3 MOA charged condition diagnosis by the leakage current，resistive current %

4）最新版帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用文獻(xiàn)［6］中只規(guī)定了10～60kV（單節(jié)）氧化鋅避雷器運(yùn)行診斷建議，未對500kV電壓等級（多節(jié)）金屬氧化物避雷器進(jìn)行規(guī)范，主要考慮多節(jié)MOA對于溫度變化幅度小，現(xiàn)場不容易實(shí)施。但隨著紅外成像儀制造水平、測試精度的提高，目前紅外成像儀測試分辨率已能達(dá)到±0.1℃或更高水平。同時，在MOA受潮或老化時，阻性電流增加，發(fā)熱量增大，由于單節(jié)MOA為微正壓密封，散熱能力差，溫度也會有一定的變化。筆者建議文獻(xiàn)［6］應(yīng)細(xì)化不同電壓等級MOA紅外測溫與其運(yùn)行狀態(tài)關(guān)系，以更加有效地指導(dǎo)現(xiàn)場設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，判據(jù)如表4所示。

表4 基于紅外測溫的MOA運(yùn)行狀態(tài)診斷Table 4 MOA charged condition diagnosis by infrared thermometry

5）根據(jù)絕緣試驗(yàn)檢查及返廠檢查結(jié)果，可以得出結(jié)論：該MOA上節(jié)存在嚴(yán)重受潮，大量進(jìn)水；該節(jié)MOA運(yùn)行過程中存在局部放電擊穿、沿面閃絡(luò)，但閥片未形成貫穿性放電通道。法蘭的密封圈位置外部沒有銹蝕，可以說明密封圈密封性能良好；密封圈位置內(nèi)部銹蝕嚴(yán)重，尤其充氣孔位置銹蝕嚴(yán)重，可認(rèn)為是裝配過程中密封螺絲沒有擰緊。由于避雷器內(nèi)部為微正壓，對密封螺絲和密封帽有頂出作用，運(yùn)行過程中松動脫落，使避雷器內(nèi)部與外界相通，吸入潮氣，使內(nèi)部元件受潮。潮氣從充氣孔位置進(jìn)入避雷器內(nèi)腔，是充氣孔位置密封不良造成。瓷套內(nèi)部壁受潮后，絕緣下降，發(fā)生局部放電并閃絡(luò)，使瓷套內(nèi)壁釉質(zhì)高溫碳化，出現(xiàn)電弧痕跡，并飛濺到電阻片柱表面。局部放電和電弧作用產(chǎn)生大量的熱能，通過瓷套向外傳導(dǎo)，導(dǎo)致瓷套表面出現(xiàn)不同的溫度場。

5 結(jié)語

1）筆者結(jié)合其他在線電氣檢測手段，通過紅外測溫成功診斷一起由于受潮引起500kV金屬氧化物避雷器運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生劣化的缺陷故障。該診斷通過該避雷器退運(yùn)后的高壓試驗(yàn)及返廠解體獲得了驗(yàn)證，該診斷方法也為金屬氧化物避雷器運(yùn)行狀態(tài)診斷提供了借鑒。

2）上節(jié)避雷器由于注氣孔破密封受潮，造成該節(jié)避雷器絕緣完全喪失，運(yùn)行處于危急狀態(tài)。但根據(jù)國家電網(wǎng)、內(nèi)蒙古電網(wǎng)狀態(tài)檢修規(guī)程，在線泄漏電流、阻性電流、紅外測溫所測數(shù)據(jù)診斷該避雷器為一般狀態(tài)。筆者認(rèn)為該狀態(tài)評價(jià)方法存在一定的問題。

3）筆者認(rèn)為，由于泄漏電流、阻性電流為MOA整體運(yùn)行電氣量，當(dāng)MOA為多節(jié)時，單節(jié)絕緣喪失（受潮或老化），對該參數(shù)影響較小，建議將泄漏電流、阻性電流最大偏差百分?jǐn)?shù)修編為避雷器運(yùn)行狀態(tài)判據(jù)。對于500kV MOA，建議將泄漏電流最大偏差超50%或阻性電流最大偏差超30%定義為嚴(yán)重狀態(tài)。

4）應(yīng)用文獻(xiàn)［6］中只規(guī)定了10～60kV氧化鋅避雷器運(yùn)行診斷建議，未對500kV電壓等級金屬氧化物避雷器進(jìn)行規(guī)范，筆者建議文獻(xiàn)［6］應(yīng)細(xì)化不同電壓等級MOA紅外測溫與其運(yùn)行狀態(tài)關(guān)系，或恢復(fù)文獻(xiàn)［7］中相關(guān)條款，以更加有效地指導(dǎo)現(xiàn)場設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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