500 kV氧化鋅避雷器交流交接試驗方法探討

李國城,李光茂,喬勝亞,張夢慧,盧學(xué)容,鄭服利,吉旺威

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局, 廣州 510410)

0 引言

避雷器是用于保護(hù)電力設(shè)備免受雷電過電壓和操作過電壓破壞的重要電力設(shè)備。隨著電網(wǎng)建設(shè)的加速,交流無間隙金屬氧化物避雷器(Metal Oxide Arrester, MOA)以其對過電壓抑制能力強(qiáng)、電流響應(yīng)速度快、電流浪涌能力大、殘余電壓低、非線性伏安特性優(yōu)異、使用壽命長、機(jī)械強(qiáng)度大、性能穩(wěn)定等諸多優(yōu)點在國內(nèi)外電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用,其對電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的重要性日益凸顯[1-3]。

關(guān)于避雷器試驗,國內(nèi)外專家學(xué)者主要關(guān)注避雷器的紅外熱成像檢測[4-8]、直流試驗[9-11]、阻性電流帶電測試[12-16]、阻性電流在線監(jiān)測[17-19]等,而鮮有專家學(xué)者聚焦于避雷器的交流交接試驗方法,甚至有些試驗單位因缺乏試驗設(shè)備或缺少試驗授權(quán)而省略避雷器的交流交接試驗[20]。

在交流交接試驗中,為了檢驗避雷器生產(chǎn)過程中是否發(fā)生了諸如裝配中吸潮、密封不良受潮、內(nèi)部元件接觸不良、電阻片劣化等缺陷,檢驗避雷器動作特性和保護(hù)特性,需按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11032-2020《交流無間隙金屬氧化物避雷器》開展持續(xù)電流試驗和工頻參考電壓試驗[21]。為了區(qū)別直流和交流試驗,本研究稱直流參考電壓試驗和0.75倍直流參考電壓下漏電流試驗為直流試驗,而稱持續(xù)電流試驗和工頻參考電壓試驗為交流試驗。

進(jìn)行避雷器交流交接試驗時,這兩個試驗都需人為施加工頻高電壓,本研究以廣州地區(qū)某500 kV變電站的擴(kuò)建間隔500 kV避雷器現(xiàn)場試驗為例,探討避雷器的交流交接試驗中須重點關(guān)注的若干要點。

1 現(xiàn)場試驗概況

2021年12月22日～23日委托某試驗單位對廣州地區(qū)某500 kV變電站的擴(kuò)建間隔500 kV某甲線、某乙線避雷器進(jìn)行持續(xù)電流試驗和工頻參考電壓試驗。某甲線、某乙線避雷器基本參數(shù)列于表1。某甲線、某乙線避雷器共6相,每相分為上、中、下節(jié),每次對單節(jié)避雷器進(jìn)行試驗,非被試節(jié)避雷器懸空。

表1 某甲線、某乙線避雷器基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of line A and line B arresters

12月22日,天氣晴,濕度為61%,溫度為23 ℃,開展首次試驗,試驗電源取自變電站檢修電源箱220 V電源,現(xiàn)場試驗采用兩個變壓器串級升壓,用避雷器帶電測試儀在試驗變壓器低壓側(cè)量取參考電壓,在被試單節(jié)避雷器尾端測量泄漏電流的方式進(jìn)行試驗,如圖1所示。試驗結(jié)果如表2～表5所示。廠家宣稱的試驗方法以阻性電流基波分量峰值Ir1p作為阻性電流;而國標(biāo)GB/T 11032-2020規(guī)定的試驗方法以阻性電流峰值Irp為準(zhǔn)。故本次試驗分別以Ir1p和Irp作為阻性電流開展試驗,以作比較。

圖1 首次試驗接線示意圖Fig.1 Schematic diagram of the first test wiring method

表2 首次試驗?zāi)臣拙€持續(xù)電流試驗數(shù)據(jù)Table 2 Continuous current test data of A line in the first test μA

表3 首次試驗?zāi)骋揖€持續(xù)電流試驗數(shù)據(jù)Table 3 Continuous current test data of B line in the first test μA

表4 首次試驗?zāi)臣拙€工頻參考電壓試驗數(shù)據(jù)Table 4 Power frequency reference voltage test data of A line in the first test kV

表5 首次試驗?zāi)骋揖€工頻參考電壓試驗數(shù)據(jù)Table 5 Power frequency reference voltage test data of B line in the first test kV

由表2～表5可知,某甲線三相上節(jié)避雷器的持續(xù)運(yùn)行電壓下阻性電流Ir1p均未超過800 μA;但I(xiàn)rp均大于800 μA,超過廠控標(biāo)準(zhǔn)。其余各節(jié)避雷器在持續(xù)運(yùn)行電壓下的Ir1p和Irp均未超過800 μA。六相避雷器工頻參考電壓(Ir1p=2mA)均超過444 kV;但某甲線三相、某乙線C相工頻參考電壓(Irp=2 mA)均未達(dá)到444 kV,小于廠控標(biāo)準(zhǔn);某乙線A相和B相工頻參考電壓(Irp=2 mA)超過444 kV。

12月23日,天氣陰,濕度為72%,溫度為20 ℃,開展第二次試驗,用電容分壓器在試驗變壓器高壓側(cè)直接測量端電壓,送入避雷器帶電測試儀以計算阻性電流。如上所述,首次試驗中某甲線三相、某乙線C相部分指標(biāo)超標(biāo),故僅對該四相進(jìn)行復(fù)測,復(fù)測結(jié)果如表6～表9所示。由于首次試驗工頻參考電壓(Ir1p=2mA)試驗通過,本次試驗中不再進(jìn)行該項試驗。

表6 第二次試驗?zāi)臣拙€持續(xù)電流試驗數(shù)據(jù)Table 6 Continuous current test data of A line in the second test μA

表7 第二次試驗?zāi)骋揖€持續(xù)電流試驗數(shù)據(jù)Table 7 Continuous current test data of B line in the second test μA

表8 第二次試驗?zāi)臣拙€工頻參考電壓試驗數(shù)據(jù)Table 8 Power frequency reference voltage test data of A line in the second test kV

表9 第二次試驗?zāi)骋揖€工頻參考電壓試驗數(shù)據(jù)Table 9 Power frequency reference voltage test data of B line in the second test kV

從表6～表9可知,某甲線三相避雷器和某乙線C相避雷器的持續(xù)運(yùn)行電壓下阻性電流峰值Irp均小于800 μA,工頻參考電壓(Irp=2 mA)均超過444 kV,持續(xù)電流的阻性電流和工頻參考電壓(Irp=2 mA)均符合廠控標(biāo)準(zhǔn),試驗結(jié)果合格。

2 交流試驗方法探討

2.1 制造廠家宣稱的試驗方法不當(dāng)

避雷器制造廠家宣稱在出廠試驗中采用定制的避雷器泄漏電流測試儀器,在持續(xù)電流試驗中使用儀器測試了避雷器泄漏電流的全電流峰值Ixp和阻性電流基波分量峰值Ir1p;在工頻參考電壓試驗中將泄漏電流的Ir1p加至2 mA,測試試品的工頻電壓。換而言之,廠家宣稱的試驗方法將“阻性電流”理解為阻性電流基波分量峰值Ir1p。

而標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11032-2020《交流無間隙金屬氧化物避雷器》對持續(xù)運(yùn)行電流和工頻參考電壓試驗規(guī)定如下:持續(xù)電流試驗“在整只避雷器上進(jìn)行,對試品施加持續(xù)運(yùn)行電壓,測量通過試品的全電流和阻性電流”;而工頻參考電壓試驗是“對避雷器(或者避雷器元件)施加工頻電壓,當(dāng)通過試品的阻性電流等于工頻參考電流時,測出試品上的工頻電壓峰值”。換而言之,標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11032-2020規(guī)定的試驗方法應(yīng)將“阻性電流”理解為包括各次諧波分量的阻性電流峰值Irp。文獻(xiàn)[22-24]也指出如果只計算阻性電流基波分量,能診斷出與基波分量有關(guān)的避雷器劣化或者老化,但無法反映其余情況下避雷器的工作狀態(tài),要求嚴(yán)格執(zhí)行國標(biāo)規(guī)定。

然而,由于避雷器自身的非線性特性會導(dǎo)致上述兩類試驗中出現(xiàn)大量諧波,導(dǎo)致Ir1p和Irp不能相互等效,具體闡述如下:

電壓達(dá)到持續(xù)運(yùn)行電壓時,進(jìn)入避雷器的伏安特性曲非線性區(qū)域,避雷器可視為一個非線性電阻,所以即使避雷器兩端所加電壓為純正弦波,其流過電流必然畸變,電流為非正弦尖波,含有大量的諧波分量。電壓持續(xù)加壓至工頻參考電壓時,避雷器伏安特性曲線到達(dá)拐點,避雷器的非線性特征更明顯,其流過電流畸變更明顯,諧波含量更高。具體的諧波產(chǎn)生示意圖如圖2所示。

圖2 避雷器的非線性特性產(chǎn)生電流諧波示意圖Fig.2 Schematic diagram of current harmonic generated by nonlinear characteristics of arrester

如上所述,持續(xù)電流試驗和工頻參考電壓試驗均會產(chǎn)生大量電流諧波分量。從而導(dǎo)致施加持續(xù)運(yùn)行電壓進(jìn)行持續(xù)電流試驗時,所測得Irp總是大于Ir1p,具體可見表4～表5。換而言之,若采用廠家宣稱的試驗方法,事實上就相當(dāng)于放松了避雷器持續(xù)電流試驗的驗收標(biāo)準(zhǔn)。工頻參考電壓試驗時,Irp達(dá)到2 mA,此時Ir1p并未達(dá)到2 mA,需要繼續(xù)提高試驗電壓,Ir1p才能達(dá)到2 mA,因此,現(xiàn)場試驗測得工頻參考電壓(Irp=2 mA)總是比工頻參考電壓(Ir1p=2 mA)偏小,具體可見表4～表5。也就是說廠家宣稱的試驗方法事實上也放寬了避雷器工頻參考電壓試驗的驗收標(biāo)準(zhǔn)。須要求制造廠家嚴(yán)格執(zhí)行國標(biāo)GB/T 11032-2020中相關(guān)規(guī)定,即:以包括各次諧波分量的阻性電流峰值Irp來開展交流出廠試驗。

2.2 被試設(shè)備端電壓測量方法不當(dāng)

某試驗單位采用了兩個試驗變壓器級聯(lián)的方法進(jìn)行升壓,在試驗變壓器低壓側(cè)測取電壓,乘以計算變比kU,即得出高壓側(cè)電壓。而計算變比kU在試驗儀器中可手動設(shè)置。現(xiàn)場要求某試驗單位測試級聯(lián)試驗變壓器變比,發(fā)現(xiàn)實際變比大于計算變比。換而言之,實際加在避雷器上電壓大于其計算值。而工頻參考電壓試驗所加電壓較高,已達(dá)避雷器伏安特性曲線拐點,也就是只需很小的電流變化量就會引起較大的電壓變化量?？梢娪嬎阕儽鹊脑O(shè)置將很大程度上影響著工頻參考電壓,被試設(shè)備端電壓測量方法顯然不恰當(dāng)。

另外,由于試驗回路中各部分對地電容及試驗變壓器的存在,往往會誘發(fā)容升電壓,從而導(dǎo)致被試設(shè)備兩端的電壓高于所施加電源電壓,造成試驗數(shù)據(jù)異常。其原理在文獻(xiàn)[25]中有詳細(xì)推導(dǎo)過程,本研究不再贅述。

綜合考慮上述變比問題和容升問題,須精確測量高壓側(cè)電壓,而不能夠用間接方法來估算高壓側(cè)電壓。建議在高壓側(cè)直接連接分壓器或者高精度電壓互感器,直接測出高壓側(cè)電壓,禁止使用計算變比的方法間接測出高壓側(cè)電壓。

2.3 試驗人員對相間干擾補(bǔ)償角度認(rèn)識不足

現(xiàn)場試驗人員因?qū)υ囼瀮x器、試驗原理不甚了解,導(dǎo)致在現(xiàn)場為了得到合格數(shù)據(jù),將補(bǔ)償角度Φ0設(shè)置為180°。事實上,補(bǔ)償角度Φ0是為了補(bǔ)償相間干擾所引起的相位變化,所引入的補(bǔ)償量。泛華AI-6103氧化鋅避雷器帶電測試儀使用說明書中給出了補(bǔ)償方法:

(1)

該補(bǔ)償角度一般為2°～4°[26-27]。

上述相間干擾補(bǔ)償角度只有三相避雷器同時帶電,也就是避雷器的帶電測試時才有意義,而在交流交接試驗中,由于僅是單相單節(jié)加壓,不存在上述干擾問題。對此,交流交接試驗中,要求試驗單位禁止使用相位補(bǔ)償功能。

2.4 現(xiàn)場兩次試驗結(jié)果存在的差異原因

12月23日試驗測得的上節(jié)避雷器全電流峰值Ixp均比12月22日試驗測得數(shù)據(jù)大,12月23日試驗測得的阻性電流峰值Irp均比12月22日試驗測得數(shù)據(jù)小,12月23日試驗測得的工頻參考電壓(Irp=2 mA)比12月22日試驗測得數(shù)據(jù)小,主要原因分析如下:

2.4.1 現(xiàn)場試驗環(huán)境的溫度不同

隨著溫度的升高,避雷器電阻片的等值阻抗均呈指數(shù)下降趨勢[28-30],現(xiàn)場試驗時,12月23日較前一日溫度低,因此,12月23日避雷器等值阻抗比12月22日高,導(dǎo)致12月23日試驗時避雷器全電流Ixp會有所降低。

隨著溫度的升高,避雷器電阻片的阻性電流基波分量、阻性電流3次諧波分量均呈指數(shù)增長趨勢。而12月23日較前一日溫度低,因此,導(dǎo)致12月23日試驗時,測得避雷器的阻性電流峰值Irp會有所降低,而工頻參考電壓(Irp=2 mA)也相應(yīng)地提高。

為了方便避雷器現(xiàn)場交流交接試驗的判斷,對此建議廠家提供制造產(chǎn)品的電流類特征參量的溫度特性,以便對試驗結(jié)果進(jìn)行溫度修正。

2.4.2 現(xiàn)場試驗環(huán)境的濕度不同

空氣濕度的增大,高壓試驗引線對避雷器和對地的雜散電容將增大,避雷器法蘭間以及空間雜散電容也將增大,導(dǎo)致避雷器全電流增大,導(dǎo)致電容電流增大。12月23日試驗時,現(xiàn)場環(huán)境的濕度較12月22日有所增加,導(dǎo)致持續(xù)運(yùn)行電壓下避雷器泄露全電流有所增加。

2.4.3 均壓環(huán)的影響

12月23日所有避雷器均安裝了均壓環(huán),均壓環(huán)起到改善避雷器電場分布的作用,主要改善上節(jié)避雷器的電場分布。但均壓環(huán)的引入將增加上節(jié)避雷器頂端對地電容、頂端對避雷器的電容和頂端對空間周圍物體的電容,使得上節(jié)避雷器整個測試回路中的容性電流增大,而中、下節(jié)避雷器受影響較小,從而導(dǎo)致12月23日試驗時測得上節(jié)避雷器全電流明顯增大。需要注意的是,均壓環(huán)只影響電容電流,基本不會影響阻性電流。建議現(xiàn)場交接試驗與出廠試驗保持一致,不安裝均壓環(huán)。

3 結(jié)論及建議

分別針對上述問題,逐一給出相應(yīng)避雷器的交流交接試驗如下建議:

1)制造廠家應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11032-2020《交流無間隙金屬氧化物避雷器》,以包括各次諧波分量的阻性電流峰值Irp來開展交流出廠試驗。即:持續(xù)電流試驗中對被試品施加持續(xù)運(yùn)行電壓,測量通過試品的全電流峰值Ixp和阻性電流峰值Irp;工頻參考電壓試驗中對避雷器(或者避雷器元件)施加工頻電壓,當(dāng)通過試品的阻性電流峰值Irp等于工頻參考電流時,測出試品上的工頻電壓峰值。否則阻性電流按照Ir1p進(jìn)行交流交接試驗,將會造成驗收標(biāo)準(zhǔn)的放寬,無法給予后續(xù)診斷性試驗提供合理參考數(shù)據(jù),嚴(yán)重影響避雷器狀態(tài)的判斷。

2)綜合考慮變比問題和容升問題,須精確測量高壓側(cè)電壓。要求禁止使用計算變比的方法間接測出高壓側(cè)電壓,建議在高壓側(cè)直接連接分壓器或者高精度電壓互感器,直接測出高壓側(cè)電壓。

3)試驗單位須加強(qiáng)試驗人員的儀器設(shè)備操作及試驗原理培訓(xùn),避雷器的交流交接試驗中,禁止使用相位補(bǔ)償功能。

4)現(xiàn)場兩次試驗結(jié)果存在差異的主要原因是現(xiàn)場試驗環(huán)境和均壓環(huán)等因素。為了方便避雷器現(xiàn)場交流交接試驗的判斷,建議制造廠家提供產(chǎn)品的電流類特征參量的溫度特性,以便對試驗結(jié)果進(jìn)行溫度修正。