750 kV串抗并聯(lián)避雷器泄漏電流表指示異常分析研究

田天；周秀；馬惠中；羅艷；馬云龍；劉威峰

(1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750011；2.國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司檢修分公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000 )

金屬氧化物避雷器(metal oxide arrester,MOA)具有非線性特性優(yōu)良的優(yōu)點(diǎn)，無串聯(lián)間隙，殘壓低，無續(xù)流，且耐污性能好[1-2]，通常并聯(lián)接在被保護(hù)設(shè)備附近，吸收雷電過電壓、操作過電壓等沖擊能量[3]，在防止設(shè)備過壓損壞、確保電網(wǎng)安全運(yùn)行方面具有重要作用。運(yùn)行電壓下避雷器內(nèi)部存在微小的泄漏電流，包含阻性電流和容性電流兩部分，當(dāng)避雷器內(nèi)部出現(xiàn)電阻片老化或受潮等異常時(shí)，流過避雷器的阻性電流將明顯增大，使得電阻片功率損耗增加，電阻片的運(yùn)行溫度增加，最終導(dǎo)致避雷器損壞[4-6]。

目前，常在避雷器上安裝泄漏電流表用以監(jiān)測泄漏電流變化情況，以判斷避雷器的運(yùn)行狀態(tài)。正常情況下，當(dāng)避雷器出現(xiàn)內(nèi)部受潮、閥片損壞等異常時(shí)，泄漏電流表指示會偏大甚至滿偏，此時(shí)應(yīng)采取措施防止發(fā)生事故，但是，避雷器性能良好時(shí)在線泄漏電流表指示也會出現(xiàn)異常偏大或滿偏、異常偏小或?yàn)榱闱闆r[7]。某換流站避雷器并聯(lián)于750 kV線路平波電抗器兩端，在電抗調(diào)試投運(yùn)過程中，出現(xiàn)避雷器泄漏電流表指針滿偏異?，F(xiàn)象。

1 泄漏電流表指針異常情況

某換流站750 kV出線間隔裝設(shè)限流電抗器，在每臺電抗器兩側(cè)均并聯(lián)避雷器。在電抗器投運(yùn)過程中，串抗避雷器動作及泄漏電流表(以下簡稱電流表)指針出現(xiàn)滿偏現(xiàn)象，隨后立即停止投運(yùn)，并組織人員展開分析。串抗避雷器現(xiàn)場布置如圖1所示。

圖1 避雷器現(xiàn)場布置

1.1 泄漏電流表基本情況

泄漏電流表是用來測量避雷器泄漏電流、記錄動作次數(shù)，以監(jiān)測避雷器運(yùn)行狀態(tài)的裝置，包括放電計(jì)數(shù)器和電流表兩部分[8]。技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 泄漏電流表的主要技術(shù)參數(shù)

在沖擊電壓下，計(jì)數(shù)器電容通過非線性回路對計(jì)數(shù)器線圈放電，當(dāng)超過規(guī)定的下限動作電流值50 A時(shí)，計(jì)數(shù)器動作并記錄放電次數(shù)。電流表可監(jiān)測運(yùn)行電壓下的避雷器泄漏電流。電流表內(nèi)部主要有電路板、表頭、外殼、瓷套以及相關(guān)導(dǎo)電片等，外部為不銹鋼護(hù)套，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電流表結(jié)構(gòu)

1.2 泄漏電流表指針異常初步分析

(1)避雷器泄漏電流增大。當(dāng)避雷器內(nèi)部嚴(yán)重受潮、閥片嚴(yán)重?fù)p壞時(shí)，其內(nèi)部流過的泄漏電流增大，導(dǎo)致泄漏電流表指示異常偏大甚至滿偏[8]。

(2)泄漏電流表機(jī)械卡澀。表計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)問題，以及泄漏電流表密封不嚴(yán)內(nèi)部進(jìn)水受潮，造成儀表線圈等氧化銹蝕，在線泄漏電流表出現(xiàn)卡澀，導(dǎo)致指示不正常[9-10]。

(3)外瓷套表面污穢嚴(yán)重且瓷套下端的接地屏蔽環(huán)與避雷器綁扎不緊密造成屏蔽效果不良甚至失去屏蔽作用。當(dāng)空氣濕度較大，外部泄漏電流很大時(shí)，部分將經(jīng)引線流過在線泄漏電流表導(dǎo)致指示偏大[11]。

(4)外磁場影響。當(dāng)測試點(diǎn)電磁場很強(qiáng)時(shí)，金屬回路產(chǎn)生感應(yīng)電流，電壓和總電流的夾角也將發(fā)生改變，導(dǎo)致測量結(jié)果失真[12-13]。

(5)高電壓影響。通常情況下，避雷器泄漏電流表其下部引線接地，但由于設(shè)計(jì)或安裝等原因，部分泄漏電流表下引線存在高電壓，可能影響測量結(jié)果[14]。

經(jīng)試驗(yàn)分析排除避雷器故障、機(jī)械卡澀、接地屏蔽環(huán)綁扎不緊等異常原因，重點(diǎn)分析外部磁場及電壓對泄漏電流表測量結(jié)果的影響。

2 磁場對電流表的影響分析

為分析空間磁場環(huán)境對避雷器泄漏電流表指針偏轉(zhuǎn)的影響，技術(shù)人員在高壓試驗(yàn)大廳內(nèi)選定一組容量20 Mvar的電抗器，通以額定電流989.7 A，高壓端電壓20.2 kV，低壓端接地，模擬換流站現(xiàn)場強(qiáng)磁場環(huán)境，開展多項(xiàng)試驗(yàn)分析強(qiáng)磁場對電流表的影響。

2.1 強(qiáng)磁場對表頭示數(shù)的影響

(1)將10 mA量程表頭進(jìn)出線短接后，放置于強(qiáng)磁場環(huán)境中，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)表頭指針無任何變化。

(2)表頭通以5 mA試驗(yàn)電流，放置于強(qiáng)磁場環(huán)境中，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)表頭指針保持在5 mA數(shù)值上，無明顯變化，如圖3所示。

圖3 表頭施加5 mA電流受磁場干擾試驗(yàn)

通過上述試驗(yàn)可知，強(qiáng)磁場對電流表表頭指針偏轉(zhuǎn)無影響。

2.2 強(qiáng)磁場對泄漏電流表影響的試驗(yàn)研究

為進(jìn)一步探討強(qiáng)磁場環(huán)境對泄漏電流表的影響，選取750 kV避雷器產(chǎn)品上用的同型號3 mA量程泄漏電流表進(jìn)行試驗(yàn)。

(1)將泄漏電流表外引線短接，放置于強(qiáng)磁場環(huán)境中，測試泄漏電流表閉合金屬回路在強(qiáng)磁場環(huán)境下是否出現(xiàn)環(huán)流，引起泄漏電流表指針異常滿偏。結(jié)果顯示泄漏電流表的指針示數(shù)為0，未受磁場影響。

(2)將泄漏電流表通以0.3 mA的交流電流，放置于強(qiáng)磁場環(huán)境中，測試在通流情況下，強(qiáng)磁場能否引起泄漏電流表指針滿偏。結(jié)果顯示泄漏電流表指針示數(shù)保持為0.3 mA未發(fā)生變化，表明電流表指示在小電流條件下不受強(qiáng)磁場影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 泄漏電流表預(yù)加0.3 mA電流磁場試驗(yàn)

(3)為模擬換流站現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行工況下，串抗周圍強(qiáng)磁場對避雷器泄漏電流表指針偏轉(zhuǎn)的影響，先后開展兩項(xiàng)試驗(yàn)：

①將泄漏電流表和避雷器串接后并聯(lián)在20 Mvar電抗器兩端，電抗器低壓端接地，通電后觀察監(jiān)測指針變化；

②將泄漏電流表和避雷器串聯(lián)接地后直接施加相同交流電壓，觀察泄漏電流表指針變化，試驗(yàn)接線見圖5。

圖5 避雷器并聯(lián)電抗器時(shí)磁場對泄漏電流表的影響試驗(yàn)

結(jié)果顯示避雷器和泄漏電流表同電抗器并聯(lián)時(shí)，施加280 V交流電壓，泄漏電流表示數(shù)為0.4 mA，避雷器和泄漏電流表單獨(dú)施壓時(shí)，泄漏電流表示數(shù)仍然為0.4 mA。對比分析可知：電抗器周圍強(qiáng)磁場對泄漏電流表指針偏轉(zhuǎn)無影響，電抗器和避雷器泄漏電流表并聯(lián)的電路連接，也不會影響泄漏電流表指針偏轉(zhuǎn)。

2.3 外部磁場條件下感應(yīng)電流仿真研究

2.3.1 泄漏電流表所處位置的磁場計(jì)算

為分析限流電抗器周圍磁場分布，計(jì)算泄漏電流表處的磁場強(qiáng)度，利用Anasys軟件對避雷器系統(tǒng)進(jìn)行建模，電抗器、避雷器及泄漏電流泄漏電流表的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 泄漏電流表位置

當(dāng)限流電抗器產(chǎn)品通過3.5 kA電流時(shí)，泄漏電流表處的磁場強(qiáng)度如圖7所示。仿真結(jié)果表明：避雷器泄漏電流泄漏電流表區(qū)域內(nèi)最大磁場強(qiáng)度為9 571.9 A/m(磁感應(yīng)強(qiáng)度為12.03 mT)。

圖7 磁場分布情況

改變電抗器電流大小，得到泄漏電流表所在區(qū)域內(nèi)的磁場分布情況，如表2所示。

表2 不同電抗器電流條件下泄漏電流表處的磁場強(qiáng)度

2.3.2 電流表組成回路感應(yīng)電流計(jì)算

泄漏電流表表頭內(nèi)部存在若干匝銅線圈(見圖8)，形成閉合回路后在電抗器周圍強(qiáng)磁場環(huán)境中產(chǎn)生感應(yīng)電流。表頭內(nèi)部電路如圖9所示。

圖8 泄漏電流表內(nèi)部線圈結(jié)構(gòu)

計(jì)算泄漏電流表頭線圈所在回路感應(yīng)電動勢Ut：

1.2.1 飲食護(hù)理干預(yù)原則 對甲狀腺功能亢進(jìn)合并糖尿病患者實(shí)施飲食護(hù)理的過程中，既要兼顧甲狀腺功能亢患者需攝入高熱量、高維生素、高營養(yǎng)食物的需求，同時(shí)還要考慮到糖尿病患者不可攝入過多能量而引起血糖升高的問題。

(1)

式中：H—外部交變磁場強(qiáng)度；

B—磁感應(yīng)強(qiáng)度；

Φ—硫通量；

n—小線圈匝數(shù)；

S—小線圈的面積；

θ—小線圈界面與外部磁場的夾角；

μr—泄漏電流表內(nèi)部金屬相對磁導(dǎo)率；

ω—交變磁場的角頻率。

圖9 泄漏電流表內(nèi)部電路

通過調(diào)研獲取電流表頭內(nèi)部電路參數(shù)，計(jì)算得到電抗器通過3.5 kA電流時(shí)，泄漏電流表所在區(qū)域最大磁場強(qiáng)度為9 571.9 A/m，泄漏電流表回路內(nèi)的感應(yīng)電壓幅值495.24 mV，感應(yīng)電流0.38 mA。換流站電抗器實(shí)際通過電流為70 A，此時(shí)泄漏電流表所在區(qū)域最大磁場強(qiáng)度為191.4 A/m，感應(yīng)電壓幅值為495.24 mV，感應(yīng)電流為0.008 mA，數(shù)值非常小。

綜合磁場試驗(yàn)及仿真結(jié)果可知：換流站避雷器電流泄漏電流表指針異常滿偏現(xiàn)象與串抗周圍的強(qiáng)磁場環(huán)境無關(guān)。

3 高電壓對電流表的影響分析

調(diào)查其他同型號避雷器安裝實(shí)例，發(fā)現(xiàn)未出現(xiàn)異常的泄漏電流，泄漏電流表其下引出線均接地，電位為零。然而本串抗工程的避雷器泄漏電流表，其下引出線同電抗器的低壓端相連。當(dāng)電抗器通以70 A電流時(shí)，電抗器的低壓端電壓幅值約為432 kV，即泄漏電流表的下引出線電位為432 kV，泄漏電流表指針滿偏與其下引出線處高電壓有關(guān)，有必要針對高電壓對泄漏電流表示數(shù)的影響進(jìn)行研究。

3.1 電流表處于電路中不同位置對比試驗(yàn)

為深入分析泄漏電流表異常滿偏原因，開展高電壓對泄漏電流表示數(shù)影響的試驗(yàn)研究。試品采用Y10W1-198型號瓷外套避雷器，其外形尺寸及內(nèi)部結(jié)構(gòu)與換流站避雷器基本相同。改變泄漏電流表安裝位置，觀察避雷器加壓后表頭指針變化情況。泄漏電流表安裝位置如圖10所示。

圖10 泄漏電流表試驗(yàn)接線

3.1.1 泄漏電流表處于接地側(cè)試驗(yàn)

試驗(yàn)中，避雷器放置于絕緣板上，將泄漏電流表一端同避雷器的下端法蘭相連，另一端接地。在避雷器高端施加156 kV的持續(xù)交流電壓。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，泄漏電流表電流值示數(shù)0.5 mA，符合標(biāo)準(zhǔn)≤1 mA要求。

3.1.2 泄漏電流表位于兩節(jié)避雷器中間

將兩節(jié)避雷器產(chǎn)品用圓形絕緣板隔開，泄漏電流表串接在避雷器中間(見圖11)，在避雷器高端施加156 kV電壓,泄漏電流表測得電流數(shù)值為0.8 mA。

圖11 泄漏電流表位于兩節(jié)避雷器中間

3.1.3 泄漏電流表處于避雷器高壓側(cè)

泄漏電流表下引線接于避雷器高壓端，施加電壓，測得電流數(shù)值為2.1 mA。對比三次試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：同一試驗(yàn)回路中，泄漏電流表安裝于避雷器不同位置，其測得電流值不同，且泄漏電流表下引線處電位越高，其電流示數(shù)越大。該避雷器泄漏電流表安裝使用過程中同電抗器低壓端相連，其電位高達(dá)432 kV，是現(xiàn)場泄漏電流表示數(shù)出現(xiàn)異常滿偏的主要原因。

3.2 金屬結(jié)構(gòu)對泄漏電流表測量數(shù)據(jù)的影響

3.2.1 泄漏電流表導(dǎo)線對示數(shù)的影響

將泄漏電流表安裝在高壓端，給避雷器施加156 kV運(yùn)行電壓。當(dāng)高壓端導(dǎo)線為裸銅線時(shí)，泄漏電流表電流值2.1 mA。更換裸銅線為屏蔽線，高壓端導(dǎo)線更換為屏蔽線時(shí)，在持續(xù)運(yùn)行電壓156 kV條件下泄漏電流表電流值2.1 mA，數(shù)值未發(fā)生變化?？芍孤╇娏鞅淼囊鼍€材質(zhì)及其是否屏蔽對測量結(jié)果無影響。

3.2.2 避雷器均壓環(huán)對泄漏電流表示數(shù)影響

為了進(jìn)一步分析泄漏電流表示數(shù)異常的原因，進(jìn)行拆卸避雷器均壓環(huán)對比試驗(yàn)。分析電暈環(huán)對泄漏電流表測量結(jié)果的影響，結(jié)果如表3所示。

表3 均壓環(huán)影響試驗(yàn)結(jié)果

分析試驗(yàn)結(jié)果可知：安裝或拆除均壓環(huán)，泄漏電流表示數(shù)不同。泄漏電流表測得的電流數(shù)值包含兩部分，即流經(jīng)避雷器本體的泄漏電流，以及與泄漏電流表相連的金屬輔件(避雷器端帽、電暈環(huán))對地存在雜散電容，在交流電壓下產(chǎn)生雜散電流。安裝或拆除均壓環(huán)，改變了對地雜散電容，引起泄漏電流表電流示數(shù)變化。

綜上，換流站串抗避雷器泄漏電流表指針異常滿偏，主要原因是泄漏電流表下引線與線路串抗低壓端連接且無法接地，電抗器低壓端處存在的高電壓導(dǎo)致避雷器電流表指針異常偏轉(zhuǎn)。另外避雷器電暈環(huán)及法蘭盤對地雜散電流也是其異常滿偏的影響因素。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合一起換流站串抗避雷器泄漏電流泄漏電流表指針異常滿偏問題進(jìn)行分析，在實(shí)驗(yàn)室開展多項(xiàng)試驗(yàn)，分析磁場及高電壓對泄漏電流表測量結(jié)果的影響，得到如下結(jié)論：

(1)與避雷器、泄漏電流表并聯(lián)的電抗器，其電路結(jié)構(gòu)及其產(chǎn)生的強(qiáng)磁場環(huán)境對泄漏電流表指針偏轉(zhuǎn)無影響；

(2)避雷器低壓側(cè)串接的泄漏電流表其下引線與線路電抗器低壓端連接，由此引入的高電壓，以及避雷器均壓環(huán)等金屬輔件對地雜散電流，共同作用引起泄漏電流表指針異常滿偏；

(3)該避雷器的泄漏電流表由于下引線處高電壓引起異常滿偏，實(shí)際無法起到監(jiān)測避雷器健康狀態(tài)的作用，建議設(shè)計(jì)階段避免此類問題，運(yùn)維階段利用紅外熱像檢測、日常巡檢等手段關(guān)注避雷器狀態(tài)。