電網高壓避雷器安全問題探討

倪子俊，張 穎，趙 蕾

（1.國網山西省電力公司電力科學研究院，山西 太原 030001；2.山西百靈天地環(huán)?？萍脊こ逃邢薰旧轿鞣止?，山西 太原 030002；3.山西大學，山西 太原 030002）

電網高壓避雷器安全問題探討

倪子俊1，張 穎2，趙 蕾3

（1.國網山西省電力公司電力科學研究院，山西 太原 030001；2.山西百靈天地環(huán)?？萍脊こ逃邢薰旧轿鞣止荆轿?太原 030002；3.山西大學，山西 太原 030002）

分析了電網高壓避雷器存在的安全隱患，對阻性泄漏電流進行了風險辨識，提出了改善現(xiàn)有泄漏電流檢測方法、集中自動在線監(jiān)視等措施，促進了電網、變電站以及高壓用電場所安全、可靠和經濟運行。

高壓避雷器；阻性電流檢測；泄漏電流

0 引言

隨著智能電網的不斷發(fā)展，電網安全問題就顯得尤為重要。氧化鋅避雷器是保護電網設備免受過電壓侵害的一種保護設備。由于氧化鋅避雷器優(yōu)越的非線性特性（伏安特性）和良好的通流能力，現(xiàn)已廣泛使用于電網和變電站，然而隨著氧化鋅避雷器的大量使用，因避雷器本身發(fā)生事故而導致被保護設備發(fā)生損壞并且引起電力事故時有發(fā)生，因此在不斷提高避雷器的制造水平、保證避雷器制造質量的基礎上，有效地開展對避雷器的運行狀態(tài)研究將有助于電網設備的安全運行。

1 電網高壓避雷器存在的問題及風險辨識

電網高壓避雷器的運行品質取決于避雷器內在的氧化鋅閥片的伏安特性、通流容量、絕緣部件的選擇、組裝的工藝水平、嚴格的試驗技術、運行狀態(tài)的監(jiān)測等。目前，雖然采取了多種技術措施，但均未達到理想的監(jiān)測效果。

1.1 目前電網高壓避雷器存在的問題

隨著智能電網的進一步發(fā)展，對電網安全可靠運行提出了更高的要求，由于受到多方面條件的限制，目前為止在線監(jiān)測避雷器阻性泄漏電流存在以下技術瓶頸。

a）缺乏有效的高壓隔離變送方式，無法提高設備的安全等級和抗干擾能力。

b）缺乏準確獲取有效參考點的手段，無法提高監(jiān)視儀的測量精度和穩(wěn)定度。

c）缺乏有效的、精確的分析計算方法，無法提高產品的精度、速度和靈敏度。

d）缺乏有效的數據傳輸通訊方案，無法及時傳送監(jiān)視儀的測量數據和參數。

對于敞開式避雷器可以通過紅外成像技術進行診斷，但是，目前開關柜內的避雷器一般只安裝全電流監(jiān)視儀，對掌握設備的狀態(tài)不靈敏、不全面。因此，有必要在運行中進行避雷器全電流測量的基礎上，對避雷器阻性電流的測量進行研究。

1.2 電網高壓避雷器存在的風險

1.2.1 高壓避雷器的熱穩(wěn)定風險

如果電網高壓避雷器在動作負載時引起溫度上升后，避雷器在持續(xù)運行電壓和當地環(huán)境條件下，非線性電阻片的溫度隨時間而降低，可能造成高壓避雷器熱穩(wěn)定性下降。

1.2.2 高壓避雷器的熱崩潰風險

當避雷器的功率損耗隨金屬氧化物非線性電阻片的溫度升高而增大，引起溫度進一步上升，可能導致高壓避雷器熱崩潰。

1.2.3 高壓避雷器脫離器風險

在避雷器故障時，高壓避雷器脫離器不能立刻使避雷器引線與系統(tǒng)斷開，可能導致電網重大事故的發(fā)生。

2 阻性電流檢測

阻性電流檢測是電網高壓避雷器運行狀態(tài)檢測的關鍵，造成氧化鋅避雷器運行問題的主要原因為長期工作在高壓狀態(tài)下，器件老化和絕緣降低，使阻性泄漏電流增加，有功損失增大，導致避雷器熱崩潰，引起電力事故[1]。

對電網高壓避雷器的運行狀態(tài)監(jiān)測的有效手段是在線監(jiān)測氧化鋅避雷器的泄漏阻性電流。在電網高壓避雷器處于正常運行電壓狀態(tài)下，阻性泄漏電流分量遠遠小于容性泄漏電流分量，一般阻性泄漏電流分量占全部泄漏電流的比例不會超過10%~15%的數值。所以，阻性分量即使增加一倍，全電流的變化不會超過5.0%。阻性電流增大對全電流增大的幅度并不大，全電流不能快速、正確發(fā)現(xiàn)避雷器內部的質量變化，檢測出的阻性電流也不能有效地、可靠地反映氧化鋅避雷器內部的質量變化。

在測量技術上，對于氧化鋅避雷器的阻性電流測量的直觀性和正確性已經有了明確的技術結論和相應的技術標準（DL/T804—2002使用導則等），電網高壓避雷器運行狀態(tài)在線監(jiān)測的技術水平得到提高，并且已經有了一些相應的在線監(jiān)視裝置[2]。

結合智能電網的推進發(fā)展，對于如何使監(jiān)視裝置的功能更加適合現(xiàn)場的工況要求和智能電網的標準；如何量化地對各種類型的氧化鋅避雷器阻性泄漏電流的安全運行范圍、變化規(guī)律和報警閥值進行數據標定，形成有效的判別依據；如何提供實時的監(jiān)視手段和記錄的數據，并且遠距離傳遞信息，提供了避雷器運行狀態(tài)數據的趨勢變化和運行環(huán)境數據的趨勢變化是目前技術上和生產上迫切需要研究解決的問題。

2.1 現(xiàn)有避雷器阻性電流測試存在的技術缺陷

由于受到多方面技術條件的限制，目前為止高壓電網采用的在線監(jiān)測避雷器阻性泄漏電流的設備，尚需解決以下技術難題。

a）高靈敏度的高壓隔離技術，精確測量小于1mA的泄漏電流。

b）不取電壓參考點的算法，提高監(jiān)視設備的整體精度。

c）運行狀態(tài)下的低功耗控制模式，延長監(jiān)視設備的工作壽命。

d）運行狀態(tài)下的數據通訊傳輸，及時傳送測量數據和參數。

2.2 對現(xiàn)有泄漏電流檢測方法的不足進行改善和

提高

以110 kV氧化鋅避雷器的全電流700μA為例，測量的阻性電流基波大約是110μA（相當于15.7%的全電流），容性電流大約是692μA，當電壓升高到105%時，全電流也增加到105%，達到735μA，這個數值的變化是由于運行電壓的變化造成，所以在運行電壓上下有5%的波動時，全電流也有上下5%的波動。

如果阻性電流在運行中由于特性的變化，而使阻性電流的數值增加一倍，達到220μA時，全電流的數值僅僅增加到726μA，增加的幅度僅僅是3.7%，不到5%，全電流所反映的靈敏度是不能較有效反映內部質量的變化。或者說，電壓波動產生的全電流變化遠大于特性變化引起的阻性電流的變化（實際的試驗結果是對于瓷套式的避雷器在運行電壓為110 kV時的相電壓為63.5 kV，在這個電壓下的全電流一般為600~630μA，而阻性電流的基波峰值僅僅是110~118μA，就是其有效值為83 μA的水平，相當于13%的全電流。所以如果阻性電流變化達到一倍的時候，全電流的變化不會超過3.5%）。因此，全電流的變化不能有效反映避雷器內部特性已經發(fā)生較大的變化。

2.3 在線檢測避雷器運行狀態(tài)功能的集中

a）采用測量全電流的功能判斷。

b）采用測量阻性電流峰值的功能判斷。

c）采用測量泄漏電流基波和三次諧波的功能判斷。

根據目前的測量技術基本歸納為上面的運行檢測兩類，在運行中往往遇到的是動作計數器不動作，設備運行中受到過電壓的影響而損壞。因為計數器的動作需要ms級以上的時間，過電壓的時間往往是μs級的時間，所以，在避雷器中通過電流或者是避雷器是不是在過電壓下有通流作用的情況無法記錄。

通過對現(xiàn)在的記錄功能的理解，新研究的儀器包含避雷器的全電流測量、阻性電流的測量、過電壓下瞬時電流的測量與記錄。

2.4 自動在線監(jiān)視

到目前為止，對于避雷器的監(jiān)視電流還不能進行遠距離的輸送和自動監(jiān)視，或者雖然已經有試驗的設備，但是由于測量的方法是停留在避雷器的測量方法沒有改進前的階段，所以即使有測量的遠傳數據，由于測量誤差大的原因，也不能作為避雷器故障的有效判據。

為了提高監(jiān)視的長期性和有效性，應當有可以實時的監(jiān)視手段和記錄的數據，所以檢測數據的遠傳，可以通過各個途徑上傳到有關的部門，提高監(jiān)視的實時性。

3 高壓避雷器故障對電網造成的危害

圖1為電網高壓避雷器等效示意圖。圖1左邊為實際電網高壓避雷器安裝示意圖，右邊為電網高壓避雷器等效示意圖，由等效示意圖可以看出，當等效電阻值下降，則電阻泄漏電流就會相應增大。

圖1 電網高壓避雷器實際安裝及等效示意圖

通過多年的運行經驗表明，由于電網高壓避雷器的運行是一直處在高電壓下，會使避雷器內部的電阻片老化；同時，由于環(huán)境條件的影響,其電阻片易發(fā)生受潮劣化，引起阻性泄漏電流的增加。若不能迅速將不正常的避雷器及時退出運行，在一段時間內（幾月、幾天或數小時），當系統(tǒng)中出現(xiàn)過電壓,避雷器可能熱崩潰，發(fā)生爆炸，引發(fā)大面積電力事故。

圖2所示的是2個避雷器的伏安特性曲線，曲線1為故障避雷器，曲線2為正常避雷器，橫坐標為運行電壓，縱坐標為泄漏阻性電流，故障避雷器電阻片老化，同等電壓條件下泄漏阻性電流遠大于正常避雷器，其絕緣性能大大降低。

圖2 避雷器伏安特性

避雷器熱崩潰所引起的電網線路故障從經濟角度來講是比較巨大的，以山西省為例，2002年的故障統(tǒng)計表明，雷擊跳閘引起的線路故障占故障總數的1/2以上，其中500 kV以上線路共有3次。故障重合成功率為90%，高壓跳閘和未及時重合的經濟損失巨大，如表1所示。

表1 2002年220 kV以上線路雷擊跳閘情況

4 特高壓線路故障重點防治分析

對于特高壓工程，交流特高壓避雷器作為1 000 kV交流特高壓系統(tǒng)的重要過電壓保護裝置，其安全運行對電力設備乃至整個特高壓系統(tǒng)的安全運行具有非常重要的意義。1989年和1990年，前蘇聯(lián)l150 kV線路每年每百公里雷擊跳閘的次數分別為0.3次和0.4次。特高壓交流輸電線路桿塔的高度和寬度均較超高壓輸電線路增加得多，因此線路遭雷擊的概率也會增加，防雷將是1 000 kV特高壓交流線路故障防治的重點。避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)能及時監(jiān)測避雷器運行狀態(tài)下的絕緣特性，是防雷措施中的一種安檢措施。

我國研發(fā)特高壓交流輸電技術，既面臨高電壓、強電流的電磁與絕緣技術世界級挑戰(zhàn)，又面臨重污穢、高海拔的嚴酷自然環(huán)境影響，創(chuàng)新難度極大。通過關鍵技術研發(fā)、設備研制和示范項目建設，制定智能電網技術標準。加快推廣應用智能電網技術和設備，提升電網信息化、自動化、互動化水平。

5 結束語

電網安全是關系到國家經濟和民生的主要問題之一。近10多年來，隨著智能電網的不斷發(fā)展，對大電網的安全問題就顯得尤為重要，所以，在運行電壓下對電網高壓避雷器的阻性泄漏電流的實時精確檢測就成為電網狀態(tài)監(jiān)測的一項重要內容，它對線路運行安全以及避雷器設備的狀態(tài)變化趨勢檢測預判起到了至關重要的作用。

［1］ 劉涵，毛學鋒，吳毅.氧化鋅避雷器帶電檢測方法及現(xiàn)場故障分析［J］.電氣開關，2013，02（4）：73-75.

［2］ 中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.DL/T987—2005 氧化鋅避雷器阻性電流測試儀通用技術條件［S］.北京：中國電力出版社，2006：1-8.

Discussion on Power Grid High Voltage Lightning Arrester

NIZi-jun1，ZHANG Ying2，ZHAO Lei3
（1.State Grid Shanxi Electric Power Research Institute of SEPC，Taiyuan，Shanxi 030001，China；2.Shanxi Larkworld Environmental Technology Engineering Co.，Ltd.，Taiyuan，Shanxi 030002，China；3.Shanxi University，Taiyuan，Shanxi 030002，China）

The hidden danger existing in powergrid high-voltage lightning arresterwasanalysed,and risk identification for resistive leakage currentwasmade.Correspondingmeasures，including improving the currentdetectionmethod for leakge currentand centralizing automatic on-linemonitoring etc.，were put forward to promote the safe，reliable and economic operation of substationsand high-voltage powerutilizing sites.

high-voltage lightningarrester；resistive currentdetection；leakage current

TM862+.1

A

1671-0320（2014）03-0023-04

2014-01-04，

2014-04-05

倪子俊（1961-），男，江蘇鹽城人，1985年畢業(yè)于山西廣播電視大學計算機自動化專業(yè)，高級工程師，主要研究方向為電廠自動化；

張 穎（1989-），女，河北保定人，2012年畢業(yè)于山西林業(yè)職業(yè)技術學院管理專業(yè)，市場專員，主要研究方向為電廠安全評價；

趙 蕾（1992-），女，山西沁源人，2011級山西大學工程學院電氣工程及自動化專業(yè)在讀。