交流泄漏電流帶電測試對MOA不同絕緣部件的故障檢出效果差異研究

王清波,段永生,方勇,鄒璟,路智欣,韋瑞峰,代正元,冉玉琦,趙榮普,陳永琴,王朝宇,吳尉民

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局，昆明 650011)

0 引言

電力系統(tǒng)常會受到直擊雷或感應(yīng)雷造成的外部過電壓，以及暫態(tài)過電壓、操作過電壓或諧振過電壓等內(nèi)部過電壓的侵害。當(dāng)電網(wǎng)設(shè)備的絕緣水平不能承受過電壓侵害時，就會致使供電系統(tǒng)發(fā)生非計劃停運(yùn)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會不良影響。為了提高電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，安裝健康狀態(tài)的金屬氧化物避雷器(metal oxide surge arrester，MOA)是非常有效且必要的措施[1-5]。

MOA因其良好的非線性特性和通流能力可以保護(hù)電力系統(tǒng)免受過電壓侵害。但當(dāng)MOA受潮、老化或部件損傷后，不僅喪失保護(hù)作用，還會因自身故障導(dǎo)致非計劃停運(yùn)事件。不停電狀態(tài)下，通常采用巡視檢查、紅外檢測、運(yùn)行電壓下的交流泄漏電流帶電測試(亦稱避雷器阻性電流帶電測試)等技術(shù)手段對MOA進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測。

正常運(yùn)行工況下，MOA全電流由線性的容性分量IC和非線性的阻性分量IR構(gòu)成(見圖1)，IR僅占總泄漏電流10%～20%。泄漏電流主要包括：電阻片沿面泄漏及其本身的非線性電阻分量，瓷套內(nèi)外壁的沿面泄漏，絕緣筒內(nèi)外壁的泄漏，絕緣支撐桿的泄漏[6-7]。運(yùn)行電壓下的交流泄漏電流帶電測試見圖2，當(dāng)泄漏電流與初始值相比增加50%時應(yīng)縮短周期加強(qiáng)監(jiān)測關(guān)注，當(dāng)阻性電流增加1倍時應(yīng)停電檢查[8-9]。

圖1 MOA等效電路圖和向量關(guān)系圖Fig.1 MOA equivalent circuit diagram and vector diagram

圖2 MOA阻性電流帶電測試示意圖Fig.2 Schematic diagram of MOA resistive current live test

文獻(xiàn)[1-7]詳細(xì)闡述了MOA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系、常見故障及其原因、反映MOA的電氣特性參數(shù)。從理論上論證了全電流、阻性電流及其各諧波分量能夠反映MOA內(nèi)部故障。文獻(xiàn)[10-15]通過交流泄漏電流帶電測試數(shù)據(jù)異常，分析并解體發(fā)現(xiàn)了若干例內(nèi)部受潮、電阻片老化、瓷外套裂損等典型故障。文獻(xiàn)[16-20]展示了若干例交流泄漏電流帶電測試數(shù)據(jù)正常的MOA，但是通過其他技術(shù)手段確診或因故障停運(yùn)(甚至爆炸)后解體檢查發(fā)現(xiàn)避雷器內(nèi)部存在故障，證明交流泄漏電流帶電測試存在不足?，F(xiàn)有文獻(xiàn)都缺乏對該現(xiàn)象及其原因的研究，尤其是針對交流泄漏電流帶電測試技術(shù)的缺陷，尚無相關(guān)理論與研究成果。

據(jù)此筆者將研究運(yùn)行電壓下交流泄漏電流帶電測試對MOA不同部件上的故障檢出效果差異，并制定實(shí)驗(yàn)方案驗(yàn)證設(shè)想的真?zhèn)渭捌湓颉?/p>

1 實(shí)驗(yàn)原理與測試方法

按照實(shí)驗(yàn)原理(圖3)，利用工頻高壓試驗(yàn)系統(tǒng)依次對MOA整體及各個絕緣部件施加持續(xù)運(yùn)行電壓，然后分別利用HS400E型避雷器阻性電流帶電測試儀進(jìn)行交流泄漏電流帶電測試，記錄整體及其各部件的交流泄漏電流。

圖3 實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計圖Fig.3 The principle diagram of the experiment

本次試驗(yàn)場地為500 kV高壓檢修試驗(yàn)大廳。試品為：型號Y10W1-444/995G的500 kV無間隙氧化鋅避雷器，下節(jié)無均壓電容，中、上2節(jié)有均壓電容(結(jié)構(gòu)見圖4)。試品各指標(biāo)均滿足新投運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 金屬氧化物避雷器結(jié)構(gòu)圖示Fig.4 Structure diagram of MOA

2 實(shí)驗(yàn)流程與數(shù)據(jù)分析

步驟1：按照實(shí)驗(yàn)原理圖3，對試品上節(jié)避雷器整體進(jìn)行接線，將HS400E型避雷器阻性電流帶電測試儀紅線夾與試品避雷器下端金屬底座連接，黑線夾接地，測試儀接地端接地。避雷器阻性電流帶電測試儀與試品的距離大于5 m且設(shè)置了安全圍欄與警示標(biāo)志。檢查確認(rèn)接線無誤、確認(rèn)測試儀設(shè)置為抗干擾模式、所有人員撤離到安全圍欄外以后，利用工頻高電壓試驗(yàn)系統(tǒng)緩慢勻速升壓，給試品施加持續(xù)運(yùn)行電壓U持續(xù)，待電壓穩(wěn)定后進(jìn)行交流泄漏電流測試并記錄數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)完畢，緩慢降壓至0并切斷電源，對試品放電后拆除接線。

步驟2：按照步驟1，依次完成避雷器中下節(jié)整體的交流泄漏電流數(shù)據(jù)采集。

步驟3：在干燥、潔凈的高壓檢修試驗(yàn)大廳，將上、中、下節(jié)避雷器，按照返廠大修的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)開展解體(見圖5)，保證所有的部件沒有損壞。解體后立即開展實(shí)驗(yàn)，避免絕緣部件受潮。

圖5 試品避雷器解體圖示Fig.5 Disassembly drawing of MOA as test object

步驟4：對解體絕緣部件——瓷外套、環(huán)氧樹脂絕緣筒、電阻片柱(單節(jié)避雷器所有電阻片壘疊壓緊狀態(tài)，下同)、絕緣支撐桿，按照步驟1所述流程與要求，依次開展泄漏電流數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)見表1。

表1 持續(xù)運(yùn)行電壓下各節(jié)阻性電流測試Table 1 Test dates of the arrester under continuous operating voltage mA

特別注意：1)每做完一個試品的實(shí)驗(yàn)后，必須緩慢降低電壓至0，關(guān)閉工頻高電壓試驗(yàn)系統(tǒng)并斷開電源，充分放電后才能允許人員進(jìn)入安全圍欄內(nèi)，確保人身安全。2)每一次實(shí)驗(yàn)升壓或降壓過程須緩慢勻速，發(fā)現(xiàn)異常立即停止升壓。3)為避免電磁場干擾影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對試驗(yàn)導(dǎo)線采用抗干擾屏蔽外套，并通過均壓環(huán)與試品進(jìn)行連接。避雷器頂端安裝高壓試驗(yàn)均壓環(huán)，放置在合格的絕緣墊上，與其他設(shè)施保持10 m以上的距離。(見圖6)

圖6 單節(jié)避雷器整體在持續(xù)運(yùn)行電壓下測試泄漏電流Fig.6 Measurement of leakage current of a single arrester under continuous operating voltage

研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過柱狀圖7、圖8、圖9呈現(xiàn)的規(guī)律可知：與整體測試結(jié)果相比，電阻片柱、瓷外套的交流泄漏電流各分量占比較大，玻璃鋼芯絕緣支撐桿、環(huán)氧樹脂絕緣筒的全電流與阻性電流等值占比非常小。

圖7 上節(jié)避雷器各部件泄漏電流占比
Fig.7 Proportion of leakage current of each component of MOA in the upper section

圖8 中節(jié)避雷器各部件泄漏電流占比Fig.8 Proportion of leakage current of each component of in the middle section MOA

圖9 下節(jié)避雷器各部件泄漏電流占比Fig.9 Proportion of leakage current of each component of MOA in the lower section

再結(jié)合文獻(xiàn)[6]中詳述的MOA故障機(jī)理及判斷方法：當(dāng)電阻片或瓷外套故障后，其總的泄漏電流增加(全電流明顯增加，阻性電流成倍增長)，由于這兩個絕緣部件泄漏電流權(quán)重都較大，通過帶電測試能夠發(fā)現(xiàn)該異常狀態(tài)參量的變化，所以故障檢出率較高；當(dāng)絕緣支撐桿或絕緣筒故障后，雖然流過它們的電流會增加(全電流明顯增加，阻性電流成倍增長)，但這兩個絕緣部件的泄漏電流權(quán)重非常小，容易被電阻片或瓷外套泄漏電流“稀釋”，因此總的泄漏電流增加不明顯，帶電測試很難發(fā)現(xiàn)狀態(tài)參量發(fā)生變化，所以故障檢出率較低。

按照上述原理與方法，還對不同類型、不同電壓等級的金屬氧化物避雷器開展了實(shí)驗(yàn)研究。除結(jié)構(gòu)略微有差異、各部件泄漏電流占比稍有浮動，均呈現(xiàn)出規(guī)律：電阻片或瓷外套的泄漏電流權(quán)重較大，絕緣筒(絕緣包裹)與絕緣支撐桿的泄漏電流權(quán)重非常小。具體試驗(yàn)與分析此處不再贅列。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)與分析，繪制了運(yùn)行工況下金屬氧化物避雷器泄漏電流分布模型，見圖10。

圖10 運(yùn)行工況下金屬氧化物避雷器泄漏電流分布模型Fig.10 Model of leakage current distribubion of MOA

3 應(yīng)用案例

[案例1]500 kV某線路避雷器絕緣筒早期受潮缺陷。

500 kV某線路避雷器歷次運(yùn)行電壓下的交流泄漏電流帶電測試無異常增長、阻性電流分量小于全電流20%，見表2。紅外精準(zhǔn)測溫發(fā)現(xiàn)B相下節(jié)局部發(fā)熱，相間最大溫差2.2 ℃，見圖11。

表2 交流泄漏電流帶電測試數(shù)據(jù)Table 2 Test date of the arrester mA

圖11 500 kV某線路避雷器B相線-溫圖譜Fig.11 Line-temperature curve of the arrester phase B

通過計劃停電對該避雷器開展檢修，解體發(fā)現(xiàn)內(nèi)部存在多處受潮、銹蝕、放電痕跡。整體和各部件絕緣電阻均降低，其中環(huán)氧樹脂絕緣筒絕緣電阻低標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值2 500 MΩ(表3)，在烘房80 ℃流動空氣烘2 h后絕緣電阻恢復(fù)到1.2 TΩ。

表3 絕緣電阻Table 3 Insulation resistance of the arrester

[案例2]110 kV某線路避雷器絕緣支撐桿裂紋缺陷

110 kV某線路避雷器歷次運(yùn)行電壓下的交流泄漏電流帶電測試無異常增長、阻性電流分量小于全電流20%(表4)。紅外精準(zhǔn)測溫未發(fā)現(xiàn)異常溫差。高脈沖電流法局放帶電測試，在A、C相計數(shù)器下引線上檢測到放電信號(圖12)。

表4 交流泄漏電流帶電測試數(shù)據(jù)Table 4 Test dates of the arrester mA

圖12 避雷器A(左)、B(中)、C(右)三相局放圖譜Fig.12 Partial discharge spectrum of the arrester phase A(left), plase B(middle),phase C(right)

通過計劃停電對該避雷器開展檢修，解體發(fā)現(xiàn)該避雷器A、C相絕緣支撐桿上有貫穿性裂紋。

4 結(jié)論

本研究基于MOA不同絕緣部件在運(yùn)行電壓下進(jìn)行交流泄漏電流帶電測試，分析測試數(shù)據(jù)得到個絕緣部件的泄漏電流權(quán)重不同的規(guī)律，得到以下結(jié)論：

1)當(dāng)電阻片或瓷外套故障后，流過避雷器的全電流或阻性電流明顯增長，而當(dāng)絕緣支撐桿或絕緣筒故障后，流過避雷器的全電流或阻性電流增加不明顯。這是由于流過電阻片柱或瓷外套的泄漏電流權(quán)重較大，能夠通過帶電測試泄漏電流的變化發(fā)現(xiàn)這兩個絕緣部件是否出現(xiàn)異常狀態(tài)。

2)在技術(shù)監(jiān)督過程中，運(yùn)行電壓下的交流泄漏電流帶電測試無異常時，并不代表MOA處于正常狀態(tài)。

3)實(shí)踐證明，玻璃鋼芯絕緣支撐桿、環(huán)氧樹脂絕緣筒(或絕緣包裹)上的故障，可以通過精準(zhǔn)紅外測溫、局部放電檢測等不停電手段發(fā)現(xiàn)。

4)在避雷器狀態(tài)檢修過程中，不能僅依據(jù)單一的狀態(tài)參量評估設(shè)備的健康水平，應(yīng)多維度狀態(tài)感知、多狀態(tài)參量診斷[21-22]。例如結(jié)合運(yùn)行電壓下的交流泄漏電流、精準(zhǔn)紅外測溫圖譜、高頻脈沖電流局部放電圖譜、停電試驗(yàn)數(shù)據(jù)、運(yùn)維參數(shù)、歷史檢修信息、環(huán)境氣候條件等參量綜合分析判斷。