覆雪凍融過程氧化鋅避雷器泄漏電流測試分析

朱弘釗，劉勁松，高 旭，王 建，馬勤勇，鄧 慰

（1.南瑞集團(tuán)有限公司，南京 211000；2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢 430074；3.國網(wǎng)新疆電力公司，烏魯木齊 830011）

0 引言

氧化鋅避雷器是電力系統(tǒng)的重要保護(hù)設(shè)備，運(yùn)行狀態(tài)一直得到電網(wǎng)運(yùn)行人員的重視[1-3]，相關(guān)的在線監(jiān)測和帶電檢測手段較多[4-6]。

氧化鋅避雷器監(jiān)測與檢修的結(jié)果易受到環(huán)境溫度的影響。張嘉旻等在監(jiān)測避雷器的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，注意到了環(huán)境溫度對結(jié)果的影響，揭示了避雷器的狀態(tài)參量與環(huán)境溫度之間的關(guān)系[7]。彭瓏等研究了金屬氧化物避雷器電阻片的溫度分布規(guī)律[8]。王振寧在分析內(nèi)蒙古地區(qū)避雷器的監(jiān)測數(shù)據(jù)時(shí)，認(rèn)為該區(qū)域晝夜溫差較大，可高達(dá)20℃，環(huán)境溫度會(huì)導(dǎo)致泄漏電流的監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)生突變，導(dǎo)致避雷器在線監(jiān)測的結(jié)果誤判[9]。

覆冰條件下避雷器的監(jiān)測研究相對較少，僅見Kannus等的報(bào)道[10-11]，這些研究者測量了覆冰條件下避雷器內(nèi)外的泄漏電流，當(dāng)覆冰的電導(dǎo)率大于500 μS/cm時(shí)，避雷器外部泄漏電流較大，電導(dǎo)率遠(yuǎn)小于500 μS/cm時(shí)，內(nèi)部泄漏電流略高。Kojima等發(fā)現(xiàn)密度在0.30～0.35 g/cm3之間、電阻率在60～100 MΩ·cm之間的自然雪覆蓋時(shí)，受到自然雪橋接的影響，表面電勢分布有顯著的變化[12]。多數(shù)研究者研究覆冰情況下的電網(wǎng)設(shè)備，傾向研究絕緣子[13-14]，較為有名的專著以Farzaneh和Chisholm等為代表[13]，他們詳細(xì)論述了覆冰積雪對戶外絕緣子的影響。本文利用新疆西部區(qū)域的天然環(huán)境，直接采用造雪機(jī)模擬戶外條件，模擬測量氧化鋅避雷器的泄漏電流，通過對比避雷器的阻性電流和容性電流，來分析覆雪凍融過程避雷器的泄漏電流影響因素。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置與分析方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

新疆西部區(qū)域某750 kV主變壓器66 kV低壓側(cè)電抗器的避雷器容易受到當(dāng)?shù)貥O端氣候的影響，特別是覆雪后凍融過程容易導(dǎo)致避雷器的誤動(dòng)作。該主變66 kV低壓側(cè)的系統(tǒng)接線圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)圖Fig.1 System diagram

根據(jù)系統(tǒng)圖，模擬覆雪凍融過程避雷器的電流實(shí)驗(yàn)設(shè)置見圖2，采用試驗(yàn)變壓器（型號：YDTW-500/500；廠家：揚(yáng)州鑫源）給母線加壓。電壓信號由母線電壓互感器（potential transformer，PT）獲取到；覆雪凍融過程避雷器的泄漏電流信號由避雷器接地線的穿芯式電流傳感器獲取得出。實(shí)驗(yàn)采用66 kV常用復(fù)合外套避雷器（型號：YH5W-96/250；廠家：南陽金冠），見圖3。通過鹽分來調(diào)節(jié)覆冰用水的電導(dǎo)率，直接采用造雪機(jī)模擬戶外條件，實(shí)驗(yàn)過程參考文獻(xiàn)[15]。

圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置Fig.2 Experiment settings

圖3 實(shí)驗(yàn)用避雷器Fig.3 Surge arrester in experiments

1.2 分析方法

根據(jù)1.1提及的方法，采集的典型泄漏電流見4。采集到的泄漏電流含有阻性電流和容性電流。采用容性電流補(bǔ)償法分析覆冰避雷器的泄漏電流[9]。正常運(yùn)行中的電壓u中含有諧波，采用式（1）表示：

式中：U1為基波的有效值；ω1為基波的有效值；Un為n次諧波的有效值；ωn為n次諧波的有效值；φn為n次諧波的初始相角；n是諧波的次數(shù)。

電流中的容性電流分量iC見式（2）：

式中：iC1為容性基波分量的有效值；iCn表示容性n次諧波分量的有效值，容性電流的諧波分量非常小，可以忽略。

圖4 典型泄漏電流圖Fig.4 Typical diagram of leakage current

電流中的阻性電流分量iR同樣含有基波和諧波分量，見式（3）：

考慮到5次以上電阻諧波分量非常小，可以忽略。所以式（3）可表達(dá)為

式中：iR1表示阻性基波分量的有效值；iR3表示阻性3次諧波分量的有效值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 溫度因素

新疆地區(qū)西部區(qū)域溫度變化劇烈，每年冬春季節(jié)容易出現(xiàn)覆雪的凍融情況，這種情況下容易引起避雷器誤動(dòng)作。圖5為該區(qū)域2017年3月1日到3月16日該變電站的溫度分布情況，日最高溫度在3℃左右，日最低溫度普遍在0℃以下。

圖5 3月上旬溫度分布情況Fig.5 Temperature distribution in the first half of March

利用該區(qū)域的天然環(huán)境，直接采用造雪機(jī)模擬戶外條件，測量氧化鋅避雷器的泄漏電流，覆雪水的電導(dǎo)率控制在1000 μS/cm，在溫度穩(wěn)定的時(shí)候進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)所得的環(huán)境溫度與泄漏電流之間關(guān)系見圖6。從圖中可得出：1）避雷器的阻性電流和容性電流均隨著溫度成飽和上升趨勢；2）溫度在0℃左右時(shí)，容性電流達(dá)到飽和；3）溫度小于-2℃左右時(shí)，阻性電流比容性電流大，但是溫度超過-2℃左右時(shí)，容性電流大于阻性電流。

圖6 溫度因素的影響Fig.6 The effect of temperature

Kojima等[12]認(rèn)為避雷器受到自然雪橋接的影響，避雷器的電場發(fā)生改變，避雷器表面的閃絡(luò)放電可能性上升。避雷器表面也會(huì)受到覆雪反復(fù)融解-結(jié)冰過程形成的橋接影響。這種影響在-2℃左右開始，在0℃左右最為明顯，0℃左右容易出現(xiàn)這種橋接，但是溫度超過0℃，融解過程占上風(fēng)，此時(shí)出現(xiàn)了阻性電流和容性電流均隨著溫度成飽和上升趨勢，溫度接近或者超過0℃左右，融解過程會(huì)引起避雷器表面的阻值降低，容性電流上升，超過阻性電流。

2.2 電導(dǎo)率因素

當(dāng)溫度穩(wěn)定在-1～0℃時(shí)，研究覆雪水的電導(dǎo)率對避雷器泄漏電流的影響見圖7。從圖7中可看出：1）避雷器的阻性電流和容性電流亦隨著覆雪水的電導(dǎo)率成飽和上升趨勢；2）在電導(dǎo)率為1000 μS/cm時(shí)，阻性電流和容性電流均達(dá)到飽和；3）電導(dǎo)率小于500 μS/cm左右時(shí)，阻性電流比容性電流大，但是超過500 μS/cm左右時(shí)，容性電流比阻性電流略大，相關(guān)的結(jié)論跟Kannus[10-11]的結(jié)論相似。

圖7 電導(dǎo)率因素的影響Fig.7 The effect of conductivity

Kannus等[10-11]認(rèn)為電導(dǎo)率大于500 μS/cm時(shí)，避雷器外部由于覆雪電導(dǎo)率降低有閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)，而小于500 μS/cm時(shí)，阻性電流和容性電流存在動(dòng)態(tài)平衡，閃絡(luò)難以發(fā)生。實(shí)際上可以這樣認(rèn)為，覆雪水在低于500 μS/cm時(shí)，可以認(rèn)為覆雪水是干凈的狀態(tài)，所以閃絡(luò)難以發(fā)生，而隨著電導(dǎo)率增加，覆雪水實(shí)際上可以當(dāng)作污穢，這樣情況下閃絡(luò)的可能性增加，外部泄漏電流增加。為了分析覆冰雪表面的放電發(fā)展，F(xiàn)arzaneh等[16]采用同步觸發(fā)式電荷耦合照相機(jī)（charge coupled device，CCD）來分析了放電發(fā)展的速度。在電壓約為50 kV時(shí)，覆冰雪表面放電發(fā)展速度為1500 km/s，該速度遠(yuǎn)大于放電在空氣中的傳播速度（約500 km/s）。Farzaneh等以正流注來闡述覆冰表面放電發(fā)展，流注放電中的正離子、負(fù)離子和電子會(huì)被覆冰雪表面的冰晶顆粒俘獲（圖8中（a）和（b）過程），該行為一定程度上削弱了覆冰雪表面流注的發(fā)展，但是流注前端覆冰表面的光致發(fā)射、場致電離和碰撞電離（圖8中（c）過程）幾率會(huì)增加，有利于覆冰雪表面流注的電子崩產(chǎn)生和發(fā)展，這樣加快了表面放電的速度，Deng等[17]也有類似的分析。

Fig.8 覆冰表面放電發(fā)展示意圖Fig.8 Schematic diagram of discharge on ice surface

2.3 應(yīng)對措施分析

根據(jù)前面的研究，提升避雷器運(yùn)行的現(xiàn)場安全，減少覆雪避雷器的閃絡(luò)有兩個(gè)途徑：1）可參考文獻(xiàn)[18]，避雷器的復(fù)合絕緣傘形可以選擇大小傘交替分布的結(jié)構(gòu)，減少覆雪反復(fù)融解-結(jié)冰過程形成的橋接影響，降低避雷器表面的閃絡(luò)放電可能性；（2）通過冬季覆雪前清掃絕緣傘裙，減少污穢附著，來降低覆雪水的電導(dǎo)率。

3 結(jié)論

1）避雷器的阻性電流和容性電流均隨著溫度成飽和上升趨勢，在0℃左右達(dá)到飽和。

2）溫度小于-2℃左右時(shí)，阻性電流比容性電流大，但是超過-2℃左右時(shí)，容性電流比阻性電流大。

3）避雷器的阻性電流和容性電流亦隨著覆雪水的電導(dǎo)率成飽和上升趨勢，電導(dǎo)率為1000 μS/cm時(shí)，達(dá)到飽和。

4）電導(dǎo)率小于500 μS/cm左右時(shí)，阻性電流比容性電流大，但是超過500 μS/cm左右時(shí)，容性電流比阻性電流大。