金屬氧化物避雷器性能在線檢測研究現狀分析

范焱煒，費肇胤，商忠韜

(國網上海市電力公司松江供電公司，上海 201600)

金屬氧化鋅避雷器(Metal Oxide Surge Arresters,簡稱MOA)具有過電壓保護特性好、流通容量大、動作反應快、結構簡單、體積小、重量輕等優(yōu)點已逐步取代了老的閥式避雷器，在電力系統中得到了廣泛應用。由于避雷器要長期承受系統運行電壓作用，將會出現MOA閥片的老化現象，而且老化、潮濕、污穢和過電壓等因素的作用會導致阻性電流及避雷器功率的增加，閥片會逐漸加劇劣化，致使MOA絕緣特性遭到破壞，失去保護作用引起熱崩潰，嚴重時甚至還會發(fā)生爆炸，而一旦發(fā)生MOA事故，會引起嚴重后果。為了能夠及時發(fā)現MOA受潮、老化和其他的隱患，避免因事故造成巨大經濟損失，一方面要提高MOA產品可靠性，強化質量管理；同時要對MOA進行有效的性能優(yōu)劣檢測和狀態(tài)診斷。

目前，檢測MOA的方式主要有周期性停電預試和在線帶電測試和監(jiān)測等。周期性預防試驗一般在停電狀態(tài)下進行，是電力系統最早使用的較為普遍的檢測手段[1]。這種測試方法的優(yōu)點是測量的結果較為準確可靠，缺點就是必須要使避雷器停電試驗，過程也較為麻煩，既影響正常的供電又費時費力，于是結合實際需求出現了在線帶電檢測方法。在線帶電檢測MOA可以在不停電的情況下隨時了解MOA的運行性能，及時發(fā)現異?，F象和事故隱患。MOA在線帶電檢測已是近年來國內外同行研究的一個重要課題，其研究成果的進一步突破必將對電力系統的安全運行有著深遠的意義，本文在分析MOA工作原理的基礎上，對避雷器性能檢測方法研究現狀進行比較分析。

1 MOA工作原理分析

在運行電壓下流過MOA的泄漏電流，主要有瓷套外表面電流及內部電流(包括絕緣構架電流和閥體電流)[2]。如受潮或有缺陷，泄漏電流會明顯增大，在工頻電壓下，ZnO閥片(MOV)在小電流區(qū)的等效電路如圖1所示。在圖1中，RC為ZnO晶粒本體的電阻；C為晶界層的固有電容等效電容；R為晶界層的等效非線性電阻；IX為全泄漏電流；IC為容性泄漏電流；IR為阻性泄漏電流。

圖1 MOV小電流區(qū)等效電路

圖1中，非線形電阻R隨MOV外施電壓U的變化而變化。當U小于某一電壓值——稱為MOV的拐點電壓時，MOV呈現很大的電阻，阻值變化很??；而當U超過拐點電壓時，非線形電阻R阻值減小很快，阻性電流值迅速增加。MOV晶界層的相對介電常數可達500～2 000,使閥片具有相當大的電容量,在運行中流過閥片的電流主要是電容電流。當U低于拐點電壓時，晶界電容C變化很小，可視為定常值；當U超過拐點電壓時，MOV晶界電容增加較快。

MOV具有極好的非線性保護特性，MOA的伏安特性以i=kuβ=f(in)(k，β為非線形系數，in為高次諧波電流，u為電網電壓)表示。由于其良好的非線性特性，導致全電流中的阻性分量不僅包含有基波，而且還有3次、5次和更高的諧波，其所占分量逐漸減少，三次諧波對溫度變化很靈敏[3]。早期老化阻性電流的變化又主要表現為阻性電流的三次諧波分量的上升，非線性特性曲線如圖2所示。

圖2 非線性特性曲線

MOA就是根據其非線性伏安特性而起到防雷作用的。當MOA運行在正常的電壓時，由于其阻抗很大，通過的電流很小，一般為1 mA；當供電線路上的電壓大于MOA擊穿電壓時，MOA會呈現很低的阻性，將強大的沖擊電流泄入大地，而MOA上的電壓隨沖擊電流的增大變化很小，特性平穩(wěn)；當電壓低于擊穿電壓時，MOA則又回到原來的絕緣狀態(tài)，MOA仍運行在正常電壓。

在工頻電壓作用下,流經閥體的總泄漏電流IX主要由容性分量IC和阻性分量IR組成。當施加電壓為正弦波時，容性電流也為正弦波，它超前電壓90°。 由于晶界層電阻具有非線性,阻性電流是與電壓同相位的含有高次諧波(主要為3，5，7次諧波)和基波的畸變波。在正常運行電壓下,ZnO閥片工作在其線性段,一般只有數十繆安的微小電流通過電阻R(稱為阻性電流分量),而通過閥片電容C的電流IC在幾百繆安以上?？梢娫谡Ｇ闆r下阻性電流分量占全電流的5%～20%[4]。

容性電流、阻性電流與電壓信號間的關系如圖3所示。

圖3 容性電流、阻性電流與電壓信號間關系

如果MOA發(fā)生故障后存在缺陷時，其阻性分量往往成倍增大,容性分量卻增加不大。根據MOV的老化試驗，在整個老化過程中，容性分量電流幾乎不發(fā)生變化，阻性電流在正常情況下很小。容性電流是無功分量，它通過閥片不會構成功率損耗，阻性電流是有功分量，它是導致閥片發(fā)熱的成分。

因此，在進行MOA泄漏電流檢測時，除測出總電流外，MOA阻性電流分量的檢測十分重要。在MOA剛投運時，一般應測取泄漏電流的初期電流值，以作為判斷運行中泄漏電流是否變化的依據。隨著ZnO閥片的劣化、受潮或其他故障，阻性電流將增大，從測量總泄漏電流和阻性電流分量都能夠反映出這一變化，但阻性電流分量的反映更靈敏，所以一般的方法在測試中常常以阻性電流為主要測試參數并作為氧化鋅閥片老化程度的主要判據。一般將測量值與初始值比較，若阻性電流分量增加到初始值的兩倍時，應停止運行，這就是目前檢測避雷器性能是否正常的基本原理[5]。

2 氧化物避雷器性能檢測方法研究現狀

目前，檢測MOA的方式主要有周期性停電預試與在線帶電測試和檢測。

周期性預防試驗一般在停電狀態(tài)下進行，是電力系統最早使用的較為普遍的檢測手段。目前對于周期性預防試驗，主要的試驗項目是直流實驗，測量避雷器直流1 mA下臨界動作參考電壓U1 mA和75%的U1 mA下的泄漏電流。通過試驗可以檢查其閥片是否受潮，確定其動作性能是否符合要求[5]。

這種測試方法的優(yōu)點是測量結果較為準確可靠，缺點就是必須要使避雷器停電試驗，過程也較麻煩，不方便；試驗過程有可能需要解開避雷器引線，操作起來費時費力。更為重要的是，隨著電網容量的迅猛擴大，新建及擴建大量變電站，使得需要維護的電力設備劇增，若進行停電預試，必然帶來很大的困難和經濟損失，特別是實際中有時無法進行，于是結合實際需求出現了在線帶電檢測與診斷方法。

在線帶電檢測MOA可以在不停電的情況下隨時了解MOA的運行性能，及時發(fā)現異常現象和事故隱患，以采取有效預防措施，防止事故的發(fā)生或擴大而造成更大的經濟損失，保證其在良好的狀態(tài)下運行，這是目前國內外關注的焦點問題[6-8]。MOA在線檢測主要是監(jiān)視閥片是否受潮或老化，檢測方法主要有全電流法、阻性電流法、溫度法和相角差法等。

2.1 全電流法

全電流法是指在MOA底部與地之間串接全電流監(jiān)測裝置，可以對運行中的MOA實行連續(xù)的在線帶電監(jiān)測。測量時，可采用交流毫安表，也可用經橋式整流器連接的直流毫安表。目前國內許多運行單位使用MF-20型萬用表(或數字式萬用表)并接在動作計數器上測量全電流。該方法的主要優(yōu)點是方法簡便易行，適用于在現場大量推廣使用，能夠及時發(fā)現MOA的受潮顯著劣化狀況；缺點是對發(fā)現MOA的早期老化很不靈敏，阻性分量即使已有顯著增大，但在測量全電流的變化時仍不明顯，只有當MOA已嚴重受潮時，阻性電流分量才進一步變大，增大幾倍后，全電流才可以明顯地被分辨出來，往往當電流增大到2～3倍時認為已達到危險界線。

該監(jiān)測器結合實際需要進行儀器電路設計，是一種符合實際的實用型儀器裝置，已在電力系統現場大量推廣并安裝使用，但是對發(fā)現MOA的早期老化仍然不靈敏。

2.2 阻性電流法

質量好的MOA，早期的事故較少，要有問題也往往是由受潮引起的。這時，以在線檢測流過MOA的全電流方法最為簡單，但是此方法對發(fā)現MOA的早期老化不靈敏。IC是無功分量，通過閥片不會構成功率損耗，IR是有功分量，它是導致閥片發(fā)熱的成分。為了能夠發(fā)現MOA的早期老化，較好的方法是對IR或由此產生的功耗P實行在線檢測，所以目前電力部門普遍采用阻性電流法檢測MOA性能，診斷其絕緣狀況。

在MOA剛投運時，一般應測取泄漏電流的初期電流值，以作為診斷運行中泄漏電流是否變化的依據。一般將測量值與初始值比較，若阻性電流分量增加到初始值的兩倍時，應停止運行。MOA阻性電流法在線檢測要解決的關鍵技術是如何從容性電流為主的總電流中分離出微弱的阻性電流，方法相對較復雜，但更有利于MOA的性能檢測，對發(fā)現早期的老化比較靈敏。于是MOA阻性電流法可根據阻性電流獲取方法的不同分為兩大類，一是不需要電壓參考信號的檢測方法；二是需要電壓參考信號的檢測方法。

在不獲取電壓參考信號的前提下獲取阻性電流，對MOA性能優(yōu)劣進行檢測和診斷，主要方法有以下幾種：

2.2.1 瞬時法

在圖1的MOA等效電路中，R和C相對比較小，可以忽略掉，則將閥片看作為R和C相并聯，外施正弦交流電壓U。當電壓信號過零時，IR=0，電流信號為電容電流IC；當電壓信號達到波峰時，IC=0，電流信號為阻性電流IR。對于這種方法，準確找出信號的過零點比較困難，同時由于條件限制很可能影響到檢測的精度和準確性。

2.2.2 三次諧波法

由于MOA的非線性特性，即使外施電壓是正弦的，全電流也是非正弦的，它包含有高次諧波。使用MOA電流測試儀測量MOA中的三次諧波電流，可以推出阻性電流，理論上使用這種方法測量較為方便。上海電動工具研究所生產的SD-8901型MOA泄露電流測試儀即采用這種方法原理。

2.2.3 基波法(諧波分析法)

基波法即是通過采用數學諧波分析技術從總泄漏電流中分離出阻性電流的基波值，并以此來診斷MOA的健康狀況。它的顯著特點是：①盡管有效抑制了電網電壓中的諧波干擾，阻性電流的大小主要取決于MOA的老化狀況，但因電網電壓諧波含量不同，總阻性電流的測量結果就不同，準確掌握電網中的諧波含量信息較困難，阻性電流的基波值分離并不簡單；②基波功耗雖然反映了MOA的健康狀況，但是當存在相間干擾等干擾時，得到的基波功耗值并不是實際值；③對于相間干擾對測量值的影響盡管可以采用數字諧波分析技術，測出此移相角并加以校正，但是方法和算法較復雜；阻性電流的變化總量相對于總泄露電流來說很小，其前后比較的數字差別不是很大，對MOA性能優(yōu)劣的診斷會造成一定的困難；對測量儀器的精度要求較高，達到要求很困難。

2.2.4 零序電流法

可見，這幾種檢測方法無需引入電壓信號，方法方便易行，但檢測的精度和準確性難以把握。

要從全電流中準確分離其阻性分量，目前公認的比較準確有效的方法是，取MOA端電壓來作為參考信號，測試采用雙輸入型，同時輸入電壓和電流信號，通過兩者的相互關系來求得阻性電流。對此，目前國內外普遍采用有線方式從被測相電壓互感器二次側獲得電壓信號，通過帶電測量MOA的全泄漏電流和阻性泄漏電流來診斷MOA是否劣化，常用方法主要有補償法和投影法。

但這兩種方法存在兩個主要共同問題：①采用有線方式帶電檢測，拖線長，操作很不方便，且高壓操作具有一定的危險性；②電壓參考信號來自被測相電壓互感器二次側，屬間接獲取信號，參量容易畸變產生誤差，并且有時避雷器與變電站距離較遠無法獲得電壓信號。

2.3 溫度法

國際上，采用雙AT法和基于溫度的測量法實現MOA的總泄漏電流監(jiān)測技術已問世?；跍囟鹊臏y量法是將溫度傳感器放在避雷器內部，通過無線方式向外接收裝置發(fā)送溫度信號，傳感器采用無源聲表面波(SAW)溫度傳感器。該方法對于正在制造且準備安裝在線監(jiān)測的MOA很有用途，但對于已投入電網安全運行的MOA卻無法應用。除這些方法外，另外還可以進行遠紅外線帶電檢測，它是用紅外探測儀檢測被測目標的紅外輻射信號。經放大轉換處理后得到紅外熱像圖，根據附帶的固化程序分析得到正在運行的MOA各節(jié)電阻片的溫度，測定因功率損耗而引起的MOA本體的溫度升高程度，以此來確定MOA是否有缺陷。該方法為非電氣檢測，操作簡單，較適合現場使用，一般判斷溫差達1℃便可確定是否有缺陷。但是MOA的發(fā)熱很大程度上取決于運行時的電壓分布，當相電壓改變5%時MOA的能量損失可達20%，直接導致MOA溫度變化1～2℃，容易受外界干擾[1]。

這兩種方法均基于溫度檢測原理，存在的主要問題有：①需要在避雷器內部放置傳感器，由于受運行方式的限制，對于已投入電網安全運行的MOA無法廣泛采用；②溫度信號容易受外界影響，不利于檢測的準確性；③目前方法無統一標準，準確診斷MOA很大程度上要靠現場經驗。

2.4 相角差法

MOA性能檢測方法還有很大的研究和改進空間。有文獻介紹可以用相角差法來診斷MOA劣化程度，根據φ和IR的關系，把IR的變化轉換成角度φ的變化，可以使MOA劣化的診斷變得十分清晰和直觀[9]。

MOA全電流IX中，IC比IR大的多，當IR增大時(不超過初始值的2倍)，IX的變化很小，因此從工程上可以把IX看作常數，這樣IR的變化就可用φ的變化來描述。

由于不同類型和不同廠家生產制造的MOA初始參數(總電流、阻性電流和角度差等)往往是不同的，所以Δφmax必將會有一定的差別。但都可以在其剛開始投入使用時，利用相應的測量工具或儀器對其進行參數初始測量，測出其在運行電壓下的初始參數，并方便地計算出Δφmax值，為以后的檢測和診斷制定相應的標準。在測得MOA相角差φ值后，對應相應的診斷標準則可以對MOA的老化情況進行分析診斷，同時該種方法不受電網電壓波動的影響。

為獲得角度差φ，一般可以采取投影法和三次諧波法。投影法可以根據得到的基波電壓和全電流的基波測得角度φ，三次諧波法主要采用諧波分析，通過測出三次諧波的相角差值3φ而得出φ，另外也可以采用無線檢測方法獲得相位差。由于避雷器相間存在干擾，其影響可根據對實際測得的相角φ進行相應的角度補償來修正。針對各種干擾的存在，根據運行中MOA的排列和安裝等具體情況進行考慮制定有效的補償方法來補償。例：若運行中的三相MOA是一字形排列，三相高壓引線與一字型垂直，分別對停運和運行中的三相MOA進行測量，根據實際測量數據比較發(fā)現，運行中MOA受周圍帶電體的影響情況主要為：B相帶電體對A相和C相MOA的作用大小相同，方向相反；A相和C相帶電體對B相MOA的作用也是大小相同，方向相反。說明這種電場是以B相帶電體為對稱軸的對稱電場。那么，在此基礎上進行的測量結果B相的相角差φB是真實的，不需要補償，對A相和C相測量結果φA和φC進行數值大小相等，方向相反的補償即可。采用阻性電流大小診斷MOA性能需要對進行φ補償后，再通過計算得到阻性電流值IR，那么IR的計算結果將存在累計誤差，而采用相角差法診斷MOA性能優(yōu)劣通過補償消除相間干擾后，直接可通過相角變化量診斷MOA性能。

由于不同廠家生產的MOA初始參數不同，導致A，B和C三相MOA本身特性及每一相初始相位也不完全相同，而相角差法是根據每一相MOA的相角變化量Δφmax來診斷MOA的性能。

根據這些分析并結合大量的實際試驗數據總結發(fā)現，一般MOA正常運行時的相角差為75°～85°，MOA正常運行時的相角差變化范圍為5°～10°。若初始相位為85°時，當相角差變化5°時阻性電流已經增加了一倍以上。經驗表明，若相角差大于80°，則該避雷器性能優(yōu)良；小于80°則性能下降，而一旦相角差低于75°或以下，即相角差已經變化了5°～10°，則MOA的阻性電流已經增加了一倍或者一倍以上，MOA已經劣化，應停止運行 ?？傊?，用相角差法診斷MOA性能更簡便、準確和直觀。

3 結語

若要對MOA性能優(yōu)劣做出準確診斷，需要合理選擇性能檢測方法。目前國內外公認的氧化物避雷器性能有效檢測方法是利用有線方式從電壓互感器線上獲得電壓信號采用阻性電流法或相角差法檢測，而實際中多數避雷器的安裝位置與變電站距離較遠，很難獲得電壓信號?？梢?，如何對MOA的性能優(yōu)劣進行安全、方便和準確地檢測，其方法和工作原理還有待進一步研究和改進。