溫度對金屬氧化物避雷器（MOA）特征參量的影響及修正方法探討

趙丹丹，肖 嶸，司文榮，韓 政，張嘉旻，周 越，郭 潔

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

0 引言

無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。MOA現(xiàn)場交接試驗是檢驗MOA出廠特性及運輸過程的重要手段，MOA投入運行后，周期性的帶電檢測試驗是檢驗避雷器運行狀態(tài)的重要手段。其試驗結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性對判斷MOA運行特性和運行狀態(tài)起著決定性作用。

但隨著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[1-8]。多個超特高壓變電站MOA帶電檢測試驗結(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，檢測人員有時也無法根據(jù)現(xiàn)有的檢測數(shù)據(jù)對MOA狀態(tài)給出有效、準(zhǔn)確的判斷，甚至可能作出誤判耗費人力物力停電檢測影響正常運行。這在超特高壓避雷器中表明更為明顯。在多個交流特高壓MOA現(xiàn)場交接試驗中，不同環(huán)境下同一臺MOA測量出的泄漏電流差異很大。另外，在特高壓MOA帶電檢測中，某些泄漏電流和阻性電流均超過運行規(guī)程的MOA，在隨后的返廠全面試驗中并未發(fā)現(xiàn)任何問題。這對特高壓MOA帶電檢測的有效性和故障判據(jù)的適應(yīng)性提出了質(zhì)疑[9-13]。

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壘而產(chǎn)生的。當(dāng)溫度升高，分子活動劇烈，避雷器的特征參量也必然會變化。但變化程度則與避雷器的配方和工藝有關(guān)[1-3]。

綜上，筆者研究了環(huán)境溫度對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

目前，金屬氧化物避雷器現(xiàn)場交接試驗內(nèi)容主要包括直流參考電壓U1mA、75%參考電壓下的泄露電流I，交流參考電壓和交流參考電壓下的泄露電流[4-5]。

另外，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)運行電流也有所增大。測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行狀態(tài)，這也是金屬氧化物避雷器阻性電流檢測和故障判斷的原理[6-8]。目前，MOA帶電檢測試驗內(nèi)容主要是測量在持續(xù)運行電壓下的持續(xù)運行全電流Ix、阻性電流基波分量Ir1，阻性電流三次諧波分量Ir3。

綜合以上分析，筆者在研究環(huán)境溫度對避雷器特征參量的影響時，主要關(guān)注MOA直流1mA參考電壓U1mA、75%U1mA下的泄漏電流、持續(xù)運行全電流Ix、阻性電流基波分量Ir1和阻性電流三次諧波分量Ir3。

2 試驗方法及試品

由于避雷器總體與單個閥片之間的特征參量有簡單的換算關(guān)系[1]，文中的試驗主要針對避雷器電阻片開展。試驗選用的試品主要為目前廣泛使用的?50、?70、?105三種型號的金屬氧化物電阻片。為了使試品的特性能更好的反映目前超特高壓MOA的特性，本文選取國內(nèi)兩所特高壓MOA主要生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品進(jìn)行研究。

圖1和圖2分別是直流測量回路和持續(xù)電壓下的試驗回路示意圖。圖中，R為保護(hù)電阻，防止回路電流過大，其參數(shù)為3.5 MΩ；Ro為精密取樣電阻，其阻值隨溫度及電壓幾乎不變，其參數(shù)為2 kΩ；C為整流電容，其參數(shù)為1 μF；D為整流硅堆；V1、V2為電壓表，由示波器測量；TM為變壓器；TV為調(diào)壓器；U為電源；MOA為金屬氧化物避雷器試品。C1和C2、R1和R2分別組成分壓器。

試驗時將試品放置于恒溫箱中，通過溫控調(diào)節(jié)使試品維持在一定溫度下，測量狀態(tài)檢測中的交流特征參量與直流特征參量。

圖1 氧化鋅電阻片的直流測量回路示意圖Fig.1 Schematic diagram of DC measurement circuit for zinc oxide resistor

圖2 氧化鋅電阻片的工頻試驗回路示意圖Fig.2 Schematic diagram of AC measurement circuit for zinc oxide resistor

3 溫度對直流特征參量的影響

表1和表2是不同溫度下不同廠家生產(chǎn)的不同規(guī)格電阻片的直流參考電壓和直流泄漏電流，圖3和圖4是不同廠家生產(chǎn)的不同規(guī)格電阻片的直流參考電壓和直流泄漏電流隨溫度變化的曲線。

表1 溫度對MOA直流參考電壓的影響Table1 The influence of temperature on MOA’s DC reference voltage

表2 溫度對MOA直流泄露電流的影響Table 2 The influence of temperature on MOA’s DC leakage current

圖3 溫度對MOV直流參考電壓的影響Fig.3 The influence of temperature on MOA’s DC reference voltage

圖4 溫度對MOV直流泄漏電流的影響Fig.4 The influence of temperature on MOA’s DC leakage current

根據(jù)研究結(jié)果，隨著溫度從0℃逐漸加溫到80℃，MOV直流1mA參考電壓U1mA近似線性降低，而75%直流參考電壓下的泄漏電流則呈指數(shù)增長。根據(jù)近五年的氣象記錄，上海地區(qū)極高溫度為39℃。通常情況下，設(shè)備出廠參數(shù)均是在20℃的溫度下試驗所得。若以20℃為初始溫度，當(dāng)溫度升到40℃時，電阻片的直流參考電壓最多下降1.7%，而75%直流參考電壓下的泄漏電流則最大可增長3.2倍。

例如，某特高壓交流避雷器出廠參數(shù)中直流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)場交接試驗時氣溫為40℃，則以廠家A的?105電阻片的溫度特性來計算，則該組避雷器75%直流參考電壓下的平均泄漏電流可達(dá)106 μA，超過了國標(biāo)要求的100 μA[14]。以上情況為現(xiàn)場交接試驗結(jié)果判定帶了很大迷惑性。

4 溫度對交流特征參量的影響

圖5至圖7分別是不同規(guī)格型號的MOV在持續(xù)運行全電流、阻性電流基波分量以及三次諧波分量相比于20℃下的參考值的增長率隨溫度的變化規(guī)律?？梢钥闯觯S著溫度的上升，金屬氧化物電阻片中持續(xù)運行電流、基波分量、阻性電流三次諧波分量均呈指數(shù)增長趨勢。

圖5 持續(xù)運行電流隨溫度變化率Fig.5 The change rate of continuous running current with temperature

圖6 阻性電流基波分量隨溫度變化率Fig.6 the change rate of fundamental component of resistive current changes with temperature

圖7 阻性電流三次諧波分量隨溫度變化率Fig.7 The change rate of three harmonic component of resistive current with temperature

根據(jù)試驗結(jié)果，避雷器本體溫度從0℃逐漸增加到40℃，在80%的荷電率下，廠家A生產(chǎn)的?105電阻片持續(xù)電流增長不大，約增長了2.7%，阻性電流基波分量增大約60%，阻性電流三次諧波分量增大約46%。而廠家B生產(chǎn)的電阻片的增長率更高。

某特高壓交流避雷器20℃下持續(xù)運行電流出廠值平均為12.79 mA，阻性電流基波峰值平均為2.043 mA。假如現(xiàn)場帶電檢測時氣溫在40℃，以廠家A的?105電阻片的溫度特性來計算，該組避雷器的持續(xù)運行電流平均應(yīng)為13.01 mA，而阻性電流基波峰值平均應(yīng)為2.834 mA。在帶電檢測試驗中，由于環(huán)境環(huán)境溫度的升高，在避雷器運行狀態(tài)正常情況下，測量阻性電流基波峰值也升高，甚至超過規(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的有效性和準(zhǔn)確性。

5 避雷器試驗溫度修正方法探討

根據(jù)試驗研究結(jié)果，環(huán)境溫度的升高可能對避雷器設(shè)備的現(xiàn)場交接試驗和帶電檢測試驗帶來較大干擾。因此，本節(jié)基于試驗結(jié)果，以廠家A生產(chǎn)的?105電阻片為例，對無間隙氧化物避雷器設(shè)備試驗結(jié)果的溫度修正方法進(jìn)行探討，以減小環(huán)境溫度對試驗結(jié)果的影響，提高超特高壓避雷器現(xiàn)場交接試驗和帶電檢測試驗的有效性和準(zhǔn)確性。

廠家A生產(chǎn)的?105電阻片75%直流參考下的泄漏電流隨溫度的變化規(guī)律進(jìn)行了曲線擬合，如圖8所示。

對試驗結(jié)果進(jìn)行擬合，得到電阻片泄漏電流增量與溫度的變化曲線擬合公式如下（以20℃下的泄漏電流為基礎(chǔ)）

式中，T為溫度，單位為℃；Idc,T為溫度T下75%直流參考下的泄漏電流，單位為μA。

圖8 避雷器直流泄漏電流變化量隨溫度變化（基準(zhǔn)溫度為20℃）Fig.8 The change rate of DC leakage current of MOA with temperature(the reference temperature is 20℃)

現(xiàn)場試驗時，應(yīng)用擬合公式可將20℃下的避雷器直流泄漏電流參考值折算至環(huán)境溫度T下，再試驗結(jié)果與該值進(jìn)行比較。

以某特高壓交流避雷器為例，現(xiàn)場交接試驗時環(huán)境溫度達(dá)38℃，該避雷器20℃下75%直流參考電壓下的泄漏電流出廠值為40 μA，現(xiàn)場交接試驗得該避雷器直流8 mA參考電壓為223 kV，75%直流參考下的泄漏電流為102 μA。

若對試驗結(jié)果不進(jìn)行溫度修正，則該避雷器75%直流參考下的泄漏電流超過了GB 24845-2009《1 000 kV交流系統(tǒng)用無間隙金屬氧化物避雷器技術(shù)規(guī)范》規(guī)定值100 μA，且初值差達(dá)155%，應(yīng)判定避雷器狀態(tài)欠佳，謹(jǐn)慎起見，對其狀態(tài)進(jìn)行復(fù)測或開展更多試驗，以確定其真實狀態(tài)[15]。

以筆者提供的方法對環(huán)境溫度進(jìn)行修正如下：

根據(jù)公式（1），該避雷器75%直流參考電壓下的泄漏電流參考值折算至38℃下為90.5 μA，即在38℃下該避雷器75%直流參考電壓下的泄漏電流參考值應(yīng)為90.5 μA。該避雷器75%直流參考下的泄漏電流現(xiàn)場試驗值為102 μA，泄漏電流增長率為12.7%。

參考《金屬氧化物避雷器狀態(tài)評價導(dǎo)則》，75%直流參考下的泄漏電流的初值差為12.7%，小于30%，由此判定該避雷器狀態(tài)良好，試驗結(jié)果合格[16]。

該避雷器自2013年投運至今，運行狀態(tài)一直良好，說明對超特高壓避雷器開展溫度修正是可行的，也是必要的。

綜上，筆者建議超特高壓避雷器現(xiàn)場交接試驗和帶電檢測試驗結(jié)果對環(huán)境溫度進(jìn)行修正，溫度修正流程如圖9所示。

由于泄漏電流和日光直射等緣故，運行中的避雷器溫度與環(huán)境溫度有一定差異，如果可以結(jié)合紅外測溫試驗估算避雷器本體溫度，則能收到更好的結(jié)果。

圖9 超特高壓避雷器電流特征參量溫度修正流程Fig.9 Temperature correction flow of current characteristic parameters of EHV and UHV MOA

但值得注意的是，由于避雷器電阻片的配方和工藝的差別，每個廠家生產(chǎn)的各種規(guī)格金屬氧化物電阻片的溫度特性是不同的，在實際應(yīng)用中，應(yīng)掌握廠家特定規(guī)格的電阻片的溫度特性。

目前，帶電檢測試驗還未開展溫度修正工作中，可通過每周期的縱向分析和歷年同時期的縱向分析綜合判斷避雷器運行狀態(tài)，減小溫度對特征參量的影響；

6 結(jié)論及建議

試驗研究了溫度對金屬氧化物避雷器多種特征參量的影響，并根據(jù)試驗結(jié)果，初步探討了超特高壓金屬氧化物避雷器特征參量的溫度修正方法，得出以下結(jié)論：

1）避雷器直流參考電壓隨著溫度的升高呈線性減小趨勢，在60℃以內(nèi)，其變化率基本在3%以內(nèi)，對于全國大部分地區(qū)來說，該變化不會避雷器的交接試驗和帶電檢測試驗帶來困擾。

2）試驗結(jié)果表明，電流性特征參量隨著溫度升高呈指數(shù)增大趨勢，其中，75%直流參考電壓下的泄漏電流增速最快。

3）筆者提出將避雷器特征參量的參考值按照電阻片特性折算至當(dāng)前環(huán)境溫度，并根據(jù)修正以后的初值差判斷避雷器狀態(tài)的方法，可大大提高避雷器試驗的有效性和準(zhǔn)確性。

4）鑒于目前溫度對電阻片特征參量影響較大，各廠家各規(guī)格避雷器的溫度特性各異，建議廠家提供同類產(chǎn)品電流類特征參量的溫度特性，以便現(xiàn)場交接試驗及帶電檢測試驗中對測試結(jié)果進(jìn)行溫度修正。

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