外部因素對(duì)金屬氧化物避雷器特征參量的影響研究

趙丹丹，周 越，張嘉旻，郭 潔，司文榮，楊凌輝，韓 政，肖 嶸

（1.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海200437；2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安710049；3.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司，上海200122）

外部因素對(duì)金屬氧化物避雷器特征參量的影響研究

趙丹丹1，周 越2，張嘉旻1，郭 潔2，司文榮1，楊凌輝1，韓 政3，肖 嶸1

（1.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海200437；2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安710049；3.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司，上海200122）

隨著MOA制造技術(shù)的改進(jìn)、電阻片配方工藝的調(diào)整，MOA的狀態(tài)參量特性有了明顯變化，傳統(tǒng)的MOA的狀態(tài)檢測(cè)方法不能保障檢測(cè)的有效性和正確性。針對(duì)以上問(wèn)題，研究了溫度、污穢度、荷電率等外部因素對(duì)金屬氧化物避雷器特征參量的影響。研究發(fā)現(xiàn)：避雷器等值阻抗隨著溫度的增加呈指數(shù)下降趨勢(shì)，避雷器的電流性特征參量隨著溫度升高而迅速增大，而其直流參考電壓則可基本維持不變；在均勻分布的污穢作用下，避雷器的特征參量隨著避雷器外絕緣表面等值鹽密的增大而呈線性增大；隨著荷電率的變化，避雷器持續(xù)運(yùn)行電流呈線性變化，而避雷器阻性電流基波和阻性電流三次諧波則呈指數(shù)變化趨勢(shì)。本文的研究結(jié)果可為超特高壓金屬氧化物避雷器的現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)和帶電檢測(cè)試驗(yàn)提出了切實(shí)可行的意見(jiàn)和建議，也為避雷器帶電檢測(cè)故障判據(jù)的修訂提供了依據(jù)。

金屬氧化物避雷器；特征參量；溫度；污穢度；荷電率；帶電檢測(cè)

0 引言

無(wú)間隙金屬氧化物避雷器（MOA）是電力系統(tǒng)設(shè)備的重要保護(hù)防線，其運(yùn)行狀態(tài)的好壞直接影響保護(hù)效果和運(yùn)行可靠性。帶電檢測(cè)是檢驗(yàn)MOA運(yùn)行狀態(tài)的重要手段。然而，隨著MOA制造技術(shù)的改進(jìn)、電阻片配方工藝的調(diào)整，MOA的狀態(tài)參量特性有了明顯變化，傳統(tǒng)的MOA的狀態(tài)檢測(cè)方法不能保障檢測(cè)的有效性和正確性[1-3]。運(yùn)行中的多個(gè)超高壓電站檢測(cè)結(jié)果表示，避雷器特征參量的變化并不能直觀反映出故障及事故的發(fā)生，檢測(cè)人員有時(shí)也無(wú)法根據(jù)現(xiàn)有的檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)MOA狀態(tài)給出有效、準(zhǔn)確的判斷，甚至可能作出誤判，耗費(fèi)人力物力，停電檢測(cè)影響正常運(yùn)行。在交流特高壓MOA現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)中，不同環(huán)境下同一臺(tái)MOA測(cè)量出的泄漏電流差異很大，另外，在特高壓MOA帶電檢測(cè)中，某些泄漏電流和阻性電流均超過(guò)運(yùn)行規(guī)程的MOA，在隨后的返廠全面試驗(yàn)中并未發(fā)現(xiàn)任何問(wèn)題。這對(duì)特高壓MOA帶電檢測(cè)的有效性和故障判據(jù)的適應(yīng)性提出了質(zhì)疑。

針對(duì)以上問(wèn)題，筆者研究了溫度、濕度、荷電率等外部因素對(duì)金屬氧化物避雷器特征參量的影響，為特高壓金屬氧化物避雷器帶電檢測(cè)的有效性以及故障判據(jù)的修訂提供了依據(jù)。

1 避雷器特征參量

在持續(xù)運(yùn)行電壓下，流過(guò)金屬氧化物電阻片的持續(xù)電流Ix由阻性電流IR和容性電流IC組成，由于等效電阻為非線性電阻，所以阻性電流IR是一個(gè)非正弦波形，含有基波、3次、5次以及更高次諧波分量，主要以基波和3次諧波電流為主。等效電容C是線性電容，由于等小電容C隨電壓變化時(shí)其電容值變化不大。因此在電壓變化范圍不大時(shí)，等效電容近似為一常數(shù)值。流過(guò)電容C的容性電流IC和母線電壓Ux波形一致[4-5]。

當(dāng)避雷器絕緣性能下降，主要影響避雷器本體電阻，外在表現(xiàn)形式是其阻性電流成分顯著增大，相應(yīng)的，持續(xù)運(yùn)行電流也有所增大。測(cè)量避雷器全電流及其阻性分量，就能有效地判斷出金屬氧化物避雷器的運(yùn)行狀態(tài)，這也是金屬氧化物避雷器阻性電流檢測(cè)和故障判斷的原理[6-8]。

綜合以上分析，筆者在研究外界因素對(duì)避雷器特征參量的影響時(shí)，主要關(guān)注避雷器持續(xù)運(yùn)行電流中的阻性基波電流和阻性3次諧波電流作為特征參量，同時(shí)測(cè)量持續(xù)運(yùn)行電流與之對(duì)比。

除此之外，為了更好觀察絕緣性能變化情況，還測(cè)量金屬氧化物電阻片直流1mA參考電壓U1mA以及75%U1mA下的泄漏電流。

2 試驗(yàn)方法及試品

由于金屬氧化物電阻片泄漏電流中存在多種電流分量，本文通過(guò)示波器和精密取樣電阻，測(cè)量金屬氧化物電阻片的電壓和泄漏電流。

阻性電流峰值的測(cè)量則采用容性電流補(bǔ)償法，即將持續(xù)電流中的容性電流進(jìn)行完全補(bǔ)償，以獲得阻性電流。將電壓和電流信號(hào)進(jìn)行FFT分解，根據(jù)電壓和電流之間相角關(guān)系進(jìn)行補(bǔ)償，以獲得金屬氧化物電阻片中的阻性基波電流和阻性3次電流數(shù)值。

由于避雷器總體與單個(gè)電阻片之間的特征參量有簡(jiǎn)單的換算關(guān)系[1]，本文中的試驗(yàn)主要針對(duì)避雷器電阻片開(kāi)展，僅在研究外絕緣污穢情況時(shí)采用的整節(jié)避雷器。為了避免電阻片本身參數(shù)的誤差而對(duì)試驗(yàn)造成影響，首先對(duì)金屬氧化物電阻片初始特征參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，獲得對(duì)應(yīng)參量平均值，選取誤差最小的電阻片。

試驗(yàn)選用的試品為目前廣泛使用的?50 mm、?70 mm、?105 mm 3種型號(hào)的金屬氧化物電阻片。為了使試品的特性能更好地反映目前超特高壓MOA的特性，本文選取國(guó)內(nèi)兩所特高壓MOA主要生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品進(jìn)行研究。每個(gè)廠家每種規(guī)格選取3片，分為3組，分別作為荷電率、受潮、溫度試驗(yàn)的試驗(yàn)電阻片。

3 溫度對(duì)特征參量的影響

金屬氧化物避雷器以氧化鋅為主要成分，加入少量添加劑，在高溫下燒結(jié)而成。從微觀上講，金屬氧化物避雷器的非線性主要是由于氧化鋅晶粒和晶間層之間的勢(shì)壘而產(chǎn)生的。當(dāng)溫度升高，分子活動(dòng)劇烈，避雷器的特征參量也必然會(huì)變化[9-12]。但變化程度則與避雷器的配方和工藝有關(guān)。

本文測(cè)量了多種溫度下，金屬氧化物電阻片的特征參量。圖1為2個(gè)不同廠家生產(chǎn)的?105 mm電阻片的等值阻抗隨溫度變化的曲線。

避雷器的等值阻抗隨溫度的升高呈指數(shù)下降的趨勢(shì)，2種?105 mm的避雷器電阻片等值阻抗的擬合曲線為

式中：Zeq為等值阻抗，GΩ；T為華氏溫度，℃。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，所有電阻片的等值阻抗都有負(fù)溫度系數(shù)，且隨著溫度的升高，電阻片的等值阻抗均呈指數(shù)下降趨勢(shì)。同一廠家不同直徑的避雷器電阻片等值阻抗隨溫度的變化率比較相近[13-14]。但電阻片的直流1mA參考電壓變化不大，從0℃逐漸加溫到80℃，各電阻片的直流1mA參考電壓的變化量都保持在7%以?xún)?nèi)，但75%參考電壓下的泄漏電流增長(zhǎng)迅速，增長(zhǎng)量甚至能達(dá)到上百倍。

圖1 避雷器等值阻抗隨溫度變化曲線Fig.1 Variation curve of equivalent impedance of arrester changes with temperature

某特高壓交流避雷器20℃下測(cè)量直流8 mA參考電壓為225～230 kV，75%參考電壓下的泄漏電流為33～50 μA，平均40 μA。假如現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)時(shí)氣溫在40℃，則以廠家A電阻片的溫度特性來(lái)計(jì)算，則該組避雷器75%參考電壓下的平均泄漏電流可達(dá)106 μA，超過(guò)了國(guó)標(biāo)要求的100 μA。以上情況為現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)結(jié)果判定帶了很大迷惑性。但值得注意的是，每個(gè)廠家生產(chǎn)的金屬氧化物電阻片的溫度特性是不同的，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)考慮特定廠家特定規(guī)格的電阻片的溫度特性，下同。

圖2—圖4是氧化物電阻片持續(xù)運(yùn)行電流和阻性分量隨著溫度的變化曲線。研究表明，溫度對(duì)避雷器的主要特征參量都有較大影響。隨著溫度的上升，金屬氧化物電阻片中持續(xù)運(yùn)行電流、基波分量、阻性電流3次諧波分量均呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖2 持續(xù)運(yùn)行電流隨溫度變化曲線Fig.2 Variation curve of continuous running current changes with temperature

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，避雷器本體溫度從0℃逐漸增加到80℃，在85%的荷電率下，廠家A生產(chǎn)的?105mm電阻片持續(xù)電流增長(zhǎng)不大，約增長(zhǎng)了25%，阻性電流基波分量增大約3.5倍，阻性電流3次諧波分量增大約80%。而廠家B生產(chǎn)的電阻片增長(zhǎng)率更高。

圖3 阻性電流基波分量隨溫度變化曲線Fig.3 Variation curve of fundamental component of resistive current changes with temperature

圖4 阻性電流3次諧波分量隨溫度變化曲線Fig.4 The variation curve of three harmonic component of resistive current changes with temperature

某特高壓交流避雷器20℃下測(cè)量持續(xù)運(yùn)行電流平均為12.79 mA，阻性電流基波峰值平均為2.043 mA，假如現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)或帶電檢測(cè)時(shí)氣溫在40℃，則以廠家A電阻片的溫度特性來(lái)計(jì)算，避雷器處于正常狀態(tài)下，該組避雷器的持續(xù)運(yùn)行電流平均應(yīng)為13.01 mA，而阻性電流基波峰值平均應(yīng)為2.834 mA。在帶電檢測(cè)試驗(yàn)中，避雷器處于長(zhǎng)期運(yùn)行狀態(tài)，敞開(kāi)式避雷器更會(huì)接受日光直射，造成避雷器本體溫度遠(yuǎn)比大氣溫度高。使得在避雷器運(yùn)行狀態(tài)正常情況下，測(cè)量阻性電流基波峰值也升高，甚至超過(guò)規(guī)程規(guī)定限制，在一定程度上影響了超特高壓避雷器帶電檢測(cè)的有效性和準(zhǔn)確性。

對(duì)于相同條件下的金屬氧化物電阻片，阻性基波電流增長(zhǎng)明顯大于阻性3次泄漏電流的增長(zhǎng)，并且阻性基波電流值均大于阻性3次泄漏電流值，由于阻性3次泄漏電流值經(jīng)常受到電網(wǎng)3次諧波電壓的干擾，因此監(jiān)測(cè)阻性基波電流值能夠很好地發(fā)現(xiàn)金屬氧化物電阻片過(guò)熱故障。

圖5是廠家A生產(chǎn)不同規(guī)格電阻片阻性電流基波分量的溫度曲線，圖6是不同規(guī)格電阻片阻性電流基波分量隨溫度變化率曲線。從圖中可以看出，同一廠家生產(chǎn)的避雷器特征參量的溫度特性也有所不同。以廠家A為例，電阻片直徑越大，其特征參量的變化率越大；溫度越高，阻性電流基波分量的變化率也越大。

圖5 不同規(guī)格電阻片阻性電流基波分量的溫度曲線Fig.5 Curve of fundamental component of resistive current changes with temperature of different MOV

圖6 不同規(guī)格電阻片阻性電流基波分量隨溫度變化率曲線Fig.6 Curve of change rate of fundamental component of resistive current with temperature of different MOV

綜合以上分析，可以看出，溫度對(duì)避雷器的電流性特征參量影響較大，在一定程度上影響了避雷器設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)和帶電檢測(cè)試驗(yàn)的有效性和準(zhǔn)確性。在避雷器設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)和帶電檢測(cè)試驗(yàn)中，應(yīng)盡量減小氣溫變化對(duì)避雷器特征參量的影響。

4 外表面狀態(tài)對(duì)特征參量的影響

避雷器設(shè)備的泄漏電流有3部分，避雷器電阻片泄漏電流、避雷器外絕緣表面電流、避雷器電阻片以及外絕緣雜散電容電流。以瓷外套避雷器為例，研究了避雷器外絕緣表面污穢情況對(duì)金屬氧化物避雷器各特征參量的影響[15-16]，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，在污穢均勻涂抹的前提下，避雷器的特征參量對(duì)著避雷器外絕緣表面等值鹽密的增大而呈線性增大。在85%荷電率下，鹽密濃度為0.06 mg/cm2時(shí)的特征參量與清潔狀態(tài)相比較，避雷器持續(xù)電流增大18%，避雷器阻性電流基波增大50.6%，避雷器阻性電流3次諧波增大32.4%。

避雷器外絕緣表面狀態(tài)對(duì)避雷器阻性電流基波分量的影響最大。在避雷器外絕緣表面污穢情況下，MOA阻性電流分量明顯上升，基波分量增大最明顯，結(jié)果與發(fā)生內(nèi)部過(guò)熱等故障類(lèi)似，容易造成誤判。

圖7 避雷器電流性特征參量隨外表面污穢度變化曲線Fig.7 Variation curve of currents of arrester changes with the external surface contamination

5 荷電率對(duì)避雷器特征參量的影響

荷電率是表征避雷器工作狀態(tài)的重要參數(shù)，是避雷器選型中的重要技術(shù)指標(biāo)。避雷器荷電率增大，其在伏安特性曲線上的工作點(diǎn)也隨之右移，其特征參量也有所變化。本文選取國(guó)內(nèi)避雷器電阻片主要生產(chǎn)廠家不同規(guī)格電阻片若干，觀察荷電率從70%～90%變化過(guò)程中各特征參量的變化。某廠家金屬氧化物電阻片的特征參量隨荷電率變化見(jiàn)圖8—圖10。

圖8 持續(xù)電流隨荷電率變化曲線圖Fig.8 Variation curve of continuous running current changes with chargeability

結(jié)果表明，荷電率從70%變化到90%，避雷器全電流基本呈線性增長(zhǎng)；阻性電流基波分量和3次諧波分量均呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中阻性電流基波分量增大了約2倍，而3次諧波分量則增大了約5倍?？梢钥闯?，荷電率對(duì)避雷器的阻性基波分量和3次諧波影響都很大。

圖9 阻性基波電流隨荷電率變化曲線圖Fig.9 Variation curve of fundamental of resistive current changes with chargeability

圖10 阻性3次泄漏電流隨荷電率變化曲線圖Fig.10 Variation curve of three harmonic component ofresistive current changes with chargeability

對(duì)運(yùn)行中的金屬氧化物避雷器，其荷電率取決于運(yùn)行電壓，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，同一變電站母線運(yùn)行電壓的波動(dòng)較小，即運(yùn)行中的避雷器荷電率幾乎不變，因此，在避雷器帶電檢測(cè)中，可忽略荷電率對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。

6 結(jié)論及建議

研究了多種外部因素對(duì)避雷器特征參量的影響，得到以下結(jié)論：

1）避雷器等值阻抗隨著溫度的增加呈指數(shù)下降趨勢(shì)，避雷器的電流性特征參量隨著溫度升高而迅速增大，而其直流參考電壓則可基本維持不變。在高溫天氣，無(wú)異常的特高壓避雷器，其75%參考電壓下的泄漏電流和持續(xù)運(yùn)行電流的阻性電流基波分量即可接近甚至超過(guò)國(guó)標(biāo)規(guī)定限制，這對(duì)避雷器帶電檢測(cè)工作帶來(lái)了困擾，降低了帶電檢測(cè)判斷的準(zhǔn)確性。

2）在污穢均勻涂抹的前提下，避雷器的特征參量隨著避雷器外絕緣表面等值鹽密的增大而呈線性增大。避雷器外絕緣表面狀態(tài)對(duì)避雷器特征參量的影響與避雷器內(nèi)部過(guò)熱等故障類(lèi)似，容易造成誤判。

3）荷電率在70%～90%時(shí)，避雷器持續(xù)運(yùn)行電流呈線性變化，而避雷器阻性電流基波和阻性電流3次諧波則呈指數(shù)變化趨勢(shì)。但運(yùn)行中的避雷器荷電率基本保持不變，因此在超特高壓避雷器帶電檢測(cè)中，可忽略荷電率對(duì)特征參量的影響。

4）避雷器阻性3次泄漏電流值經(jīng)常受到電網(wǎng)3次諧波電壓的干擾，因此監(jiān)測(cè)阻性基波電流值能夠很好地發(fā)現(xiàn)金屬氧化物電阻片過(guò)熱故障。

根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)論，對(duì)避雷器帶電檢測(cè)和停電試驗(yàn)提出以下建議：

1）外界因素對(duì)避雷器的特征參量有著較大的影響，在避雷器的帶電檢測(cè)中，建議對(duì)避雷器多種特征參量進(jìn)行綜合分析比對(duì)，排除外界因素對(duì)避雷器狀態(tài)的干擾，提高避雷器帶電檢測(cè)故障判斷的準(zhǔn)確度。

2）避雷器溫度受運(yùn)行狀態(tài)、日光照射、環(huán)境溫度等因素影響，波動(dòng)較大，且溫度對(duì)避雷器特征參量影響甚大，因此建議在避雷器的帶電檢測(cè)中，可先用紅外溫度測(cè)試推算避雷器內(nèi)部溫度，對(duì)避雷器泄漏電流帶電測(cè)試結(jié)果進(jìn)行溫度修正，可大大提高避雷器運(yùn)行狀態(tài)判斷的準(zhǔn)確度。

3）75%直流參考電壓的泄漏電流隨著溫度的升高迅速增大，因此建議避雷器現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)中，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果開(kāi)展溫度修正工作。

4）帶電檢測(cè)試驗(yàn)中，可通過(guò)每周期的縱向分析和歷年同時(shí)期的縱向分析綜合判斷避雷器運(yùn)行狀態(tài)，減小溫度對(duì)特征參量的影響。

5）鑒于目前溫度對(duì)電阻片特征參量影響較大，建議廠家提供同類(lèi)產(chǎn)品電流類(lèi)特征參量的溫度特性，以便帶電檢測(cè)試驗(yàn)中對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行溫度修正。

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Influence of External Factors on Characteristic Parameters of Metal Oxide Surge Arrester

ZHAO Dandan1，ZHOU Yue2，ZHANG Jiamin1，GUO Jie2，SI Wenrong1，YANG Linghui1，HAN Zheng3，XIAO Rong1
（1.State Grid Shanghai Electric Power Research Institute，Shanghai 200437，China;2.School of Electrical Engineering of Xi′an Jiaotong University，Xi′an710049，China;3.State Grid Shanghai Municipal Electric Power Company，Shanghai 200122，China）

With the improvement of MOA manufacturing technology and the adjustment of the resis?tance sheet formula，the state parameter’s characteristics of MOA had changed obviously.The traditional MOA state detection method could not guarantee the validity and correctness of the test.To solve the above problems，influence of external factors，such as temperature，contamination severity，chargeabili?ty，on characteristic parameters of arrester were studied.The results suggested that:With the increase of temperature，the equivalent impedance of MOA decreased exponentially，and the current characteristic parameters of MOA increased rapidly，while the DC reference voltage could be kept unchanged.The characteristic parameters of MOA increased linearly with the increase of the equivalent salt density，which had uniform distribution，on the outer insulation surface.With the change of chargeability，the continuous operating current of the arrester had linear change，but the three harmonic and fundamental of the resistive current changed with exponential trend.The research results will provide the basis for ar?rester testing validity and fault criterion revision.And then the feasible opinions and suggestions for the field handover test and the live test of MOA at ultrahigh voltage system and extra-high voltage system.

MOA；characteristic parameters；temperature；contamination severity；chargeability；the live test

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.006

2016-11-23

趙丹丹（1985—），女，碩士，從事電力系統(tǒng)過(guò)電壓及其防護(hù)，電力系統(tǒng)啟動(dòng)調(diào)試試驗(yàn)，交直流系統(tǒng)交互影響的研究等方面工作。

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（編號(hào)：520940150004）。