趙迷鎖

神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司矸石發(fā)電公司，內(nèi)蒙古 準(zhǔn)格爾旗 010300

MOA在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展

趙迷鎖

神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司矸石發(fā)電公司，內(nèi)蒙古 準(zhǔn)格爾旗 010300

氧化鋅避雷器(MOA)因非線性特性好、通流能力大、無(wú)串聯(lián)間隙、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于3～500kV電網(wǎng)中，是目前電力系統(tǒng)重要的過(guò)電壓保護(hù)設(shè)備。但MOA由于長(zhǎng)期受到電網(wǎng)正常工作電壓、內(nèi)部過(guò)電壓和雷電過(guò)電壓以及外界環(huán)境的影響，其性能會(huì)慢慢變壞，所以，對(duì)MOA進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)是十分必要的。介紹目前常用的幾種MOA在線監(jiān)測(cè)方法，總結(jié)各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并概括MOA在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向。

氧化鋅避雷器；在線監(jiān)測(cè)；阻性電流

引言

氧化鋅避雷器(MOA)因非線性特性好、通流能力大、無(wú)串聯(lián)間隙、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)而逐步取代傳統(tǒng)的SiC避雷器，廣泛應(yīng)用于3～500k V電網(wǎng)中，成為重要的過(guò)電壓保護(hù)設(shè)備，目前已經(jīng)投運(yùn)或準(zhǔn)備投運(yùn)的變電站幾乎都采用MOA來(lái)保護(hù)電氣設(shè)備。但是，MOA由于沒(méi)有串聯(lián)間隙，長(zhǎng)期受到正常工作電壓、各種內(nèi)部過(guò)電壓和雷電過(guò)電壓以及外界環(huán)境因素的影響，會(huì)逐漸老化或劣化，如果不被加以重視將會(huì)損壞甚至爆炸，使其他電氣設(shè)備失去過(guò)電壓保護(hù)裝置，危及電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

為解決上述問(wèn)題，近年來(lái)在傳統(tǒng)MOA預(yù)防性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)了MOA在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，它通過(guò)監(jiān)測(cè)MOA的阻性電流分量來(lái)判斷MOA是否存在內(nèi)部受潮故障或嚴(yán)重的老化問(wèn)題。

1 金屬氧化物避雷器結(jié)構(gòu)

1.1 電站避雷器

電站避雷器有瓷外套型和復(fù)合外套型。復(fù)合外套型具有體積小、重量輕、耐污穢、結(jié)構(gòu)緊湊等一系列優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。

1.2 線路MOA

(1)無(wú)間隙帶脫離器結(jié)構(gòu)

避雷器通過(guò)高壓接線夾接在高壓線上、下接脫離器；脫離器與地之間用軟電纜連接，避免脫離器受力，中間用接地絕緣子過(guò)渡固定，并接監(jiān)測(cè)器。當(dāng)避雷器發(fā)生故障時(shí)，脫離器用來(lái)將避雷器與系統(tǒng)脫離，以防系統(tǒng)發(fā)生永久性故障，并給出故障避雷器的明顯指示。正常運(yùn)行狀態(tài)下和電站型MOA沒(méi)有太大差別，受污穢影響較小，在正常運(yùn)行中長(zhǎng)期荷電，維護(hù)和監(jiān)測(cè)工作量較大。

(2)帶串聯(lián)間隙結(jié)構(gòu)

分為純空氣間隙和復(fù)合絕緣子固定間隙兩種。復(fù)合絕緣子固定間隙結(jié)構(gòu)，即把兩個(gè)環(huán)狀間隙用一段復(fù)合絕緣子固定，并與避雷器本體串聯(lián)。優(yōu)點(diǎn)是間隙與避雷器本體形成一個(gè)整體，可方便地以任何角度安裝在不同桿塔上，維護(hù)和更換較為方便。避雷器本體與高壓導(dǎo)線用間隙隔離，正常運(yùn)行中基本不荷電，阻性電流和功率損耗極小，避雷器電阻片不存在老化問(wèn)題，有利于延長(zhǎng)避雷器的壽命，安裝、維護(hù)方便。

純空氣間隙結(jié)構(gòu)彌補(bǔ)了無(wú)間隙避雷器正常運(yùn)行中長(zhǎng)期荷電和復(fù)合絕緣子固定間隙結(jié)構(gòu)受污穢影響較大的缺陷，安裝難度較大。

2 MOA在線監(jiān)測(cè)方法

MOA等值電路見(jiàn)圖1，由非線性電阻R和線性電容C組成，其中Ir為阻性電流分量，Ic為容性電流分量，Ix為總泄漏電流。

圖1 MOA等值電路

M O A接入電網(wǎng)后，在正常工頻電壓下，閥片老化和受潮是其事故的主要原因，這兩者有本質(zhì)區(qū)別，受潮的閥片經(jīng)適當(dāng)處理還可繼續(xù)使用，但一旦確認(rèn)閥片已嚴(yán)重老化則其必須退出運(yùn)行。試驗(yàn)表明當(dāng)MOA內(nèi)部受潮時(shí)，表現(xiàn)為在系統(tǒng)運(yùn)行電壓下，阻性電流基波分量Ir1顯著增大，而三次諧波分量Ir3的增大相對(duì)較??；當(dāng)阻性泄漏電流三次諧波分量比基波分量增加多時(shí)，說(shuō)明MOA已老化。因此，選用Ir1和Ir3作為MOA在線監(jiān)測(cè)的特征量。當(dāng)MOA內(nèi)部受潮或者閥片老化時(shí)，總泄漏電流會(huì)增大，尤其是阻性電流分量會(huì)明顯變化，所以在現(xiàn)場(chǎng)一般通過(guò)檢測(cè)MOA的阻性電流大小來(lái)判斷其是否存在缺陷。目前常用的MOA在線監(jiān)測(cè)方法有：總泄漏電流法、阻性電流三次諧波法、補(bǔ)償法和諧波分析法。

2.1 總泄漏電流法

由于MOA的泄漏電流的容性分量基本不變，所以可簡(jiǎn)單地認(rèn)為總泄露電流Ix的增大可近似地表示阻性電流分量的增大，測(cè)量總泄漏電流可在MOA放電記錄器兩端并接低電阻的交流μA表，流過(guò)μA表的電流基本上就是總泄漏電流。該方法雖簡(jiǎn)單，但準(zhǔn)確性很差。

2.2 阻性電流三次諧波法

從MOA總泄漏電流中檢測(cè)出阻性電流3次諧波分量Ir3，又叫零序電流法。零序電流分量通過(guò)三相接地線上的小CT測(cè)取。由于MOA的閥片為非線性電阻，其阻性電流波形是非正弦波，因此包含基波、三次諧波、五次諧波等成分。若在MOA的三相總接地線上監(jiān)測(cè)三相總電流，測(cè)得的是三次諧波的三倍值。由于Ir和Ir3存在一定的比例關(guān)系，故可得出總阻性電流，從而達(dá)到監(jiān)測(cè)阻性電流的目的。此方法簡(jiǎn)單，但無(wú)法區(qū)分是哪一相發(fā)生故障；此外，當(dāng)系統(tǒng)電源本身含有諧波分量時(shí)會(huì)出現(xiàn) Ic3，該電流與Ir3疊加后將使測(cè)得阻性電流值比實(shí)際值大，造成誤判。

2.3 補(bǔ)償法

以日本的LCD-4型泄漏電流監(jiān)測(cè)儀為例說(shuō)明補(bǔ)償法監(jiān)測(cè)阻性電流的工作原理，此儀器需要收取系統(tǒng)的電壓信號(hào)，以便消除總泄露電流中的容性電流。LCD-4型泄漏電流測(cè)量?jī)x的差分放大器輸出值為泄漏電流的阻性分量，大小由指示儀器顯示出來(lái)。該方法的缺點(diǎn)是：如果測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的電場(chǎng)干擾使容性電流與電壓不是相差90°時(shí)，測(cè)試儀不能將Ic完全補(bǔ)償?shù)?，因此誤差很大。

2.4 諧波分析法

用阻性電流基波來(lái)研究MOA的小電流特性更合理。這是因?yàn)樵谡译妷鹤饔孟拢琈 OA的阻性電流中有基波，也有高次諧波?；娏髂墚a(chǎn)生熱量，諧波電流則不發(fā)熱，這樣對(duì)于不同種類的MOA而言，在其阻性電流值相等的情況下，由于阻性電流基波與諧波的比例往往不同，功耗、發(fā)熱也不同。

另外，測(cè)量阻性電流基波可排除MOA兩端電壓中所含諧波對(duì)阻性電流測(cè)量的影響，已經(jīng)證明諧波電壓是從幅值和相位兩個(gè)方面來(lái)影響阻性龜流測(cè)量值的。諧波的狀況不同，全阻性電流(峰值)測(cè)量的結(jié)果相差很大。但若只測(cè)量阻性電流基波，則不論MOA端電壓所含諧波量如何，Ir1總是定值。所以可通過(guò)監(jiān)測(cè)Ir1的變化來(lái)判斷MOA的性能。采用數(shù)字化測(cè)量和諧波分析技術(shù)可從總泄漏電流中分離出阻性電流的基波值。此外，實(shí)際中一字形排列的三相避雷器，由于相鄰相間雜散電容相互影響，使兩個(gè)邊相避雷器底部總泄漏電流的相位發(fā)生變化，造成測(cè)量結(jié)果錯(cuò)誤。利用諧波分析法可測(cè)出此相移角，因而能給予校正。

在我國(guó)，東北電力試驗(yàn)研究院、中國(guó)電力科學(xué)研究院、西安交通大學(xué)等先后研制出了基于諧波分析法的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

3 MOA在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展

以上分析了MOA在線監(jiān)測(cè)的原理及其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，可以看出不同的方法雖原理不盡相同，但都是通過(guò)監(jiān)測(cè)流過(guò)MOA的阻性電流來(lái)判斷MOA是否存在缺陷或故障。但這些方法都容易受到測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的干擾和本身監(jiān)測(cè)系統(tǒng)誤差的影響而使判斷出現(xiàn)偏差。而通過(guò)監(jiān)測(cè)其他變量的變化來(lái)彌補(bǔ)這個(gè)缺點(diǎn)，從而綜合判斷MOA的性能是目前MOA在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向。

(1)功耗測(cè)量

在雙極性平均阻性電流監(jiān)測(cè)中，需要測(cè)量MOA的有功損耗，同時(shí)也要監(jiān)測(cè)其泄漏電流和電壓。因此，該方法廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室研究，卻很少用于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，功率監(jiān)測(cè)與避雷器工作電壓的波形無(wú)關(guān)，這就為非正弦系統(tǒng)包括高壓直流 (HVDC) 系統(tǒng)的避雷器監(jiān)測(cè)提供了有效的判據(jù)。有關(guān)功耗測(cè)量的其他特點(diǎn)，大體上與前述的阻性泄漏電流的測(cè)量相似。

(2)溫度監(jiān)測(cè)

避雷器監(jiān)測(cè)中，幾乎所有需要測(cè)量的變量，包括在正常電壓及過(guò)電壓下的能量吸收，及由于老化和受潮產(chǎn)生的功耗，都會(huì)影響MOA閥片的溫度。溫度不僅是其實(shí)際工作狀況的間接監(jiān)測(cè)，而且是避雷器本身的精確運(yùn)行參數(shù)。MOA的溫度是各種影響參數(shù)共同作用的結(jié)果，避雷器的能量吸收能力是由溫度確定。因此MOA的溫度是判別避雷器是否工作在熱穩(wěn)定狀態(tài)的最好判據(jù)。

現(xiàn)有的測(cè)量MOA溫度的方法中，大多數(shù)是利用光纖將溫度信號(hào)傳輸?shù)叫盘?hào)接收器進(jìn)行研究，但其受制于實(shí)驗(yàn)室研究而不能用于在線監(jiān)測(cè)。

最近提出一種新的溫度測(cè)量系統(tǒng)，它將溫度傳感器直接放在MOA上進(jìn)行遠(yuǎn)程溫度測(cè)量。系統(tǒng)的主控元件是無(wú)線聲波(SAW)溫度傳感器，不需要能量供給和與環(huán)境的硬連接，第一次為實(shí)現(xiàn)避雷器的全面監(jiān)測(cè)提供了可能性，完全能融入變電站綜合自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。

4 結(jié)論

目前MOA在線監(jiān)測(cè)方法有總泄漏電流法、阻性電流三次諧波法、補(bǔ)償法和諧波分析法。

(1)總泄漏電流和功耗測(cè)量給出了MOA電氣性能的具體情況，但誤差較大，并且測(cè)量時(shí)需要大量設(shè)備，不適合在現(xiàn)場(chǎng)使用；

(2)阻性電流三次諧波法只能判斷特定的劣化形態(tài)，不能區(qū)分是哪相發(fā)生故障，并受電壓諧波影響顯著，所以應(yīng)采取措施消除電網(wǎng)諧波；

(3)補(bǔ)償法和諧波分析法是目前測(cè)量較為精確的方法，但是同樣存在受電網(wǎng)諧波和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響的缺點(diǎn)；

(4)閥片溫度能精確顯示避雷器的運(yùn)行參數(shù)。能為避雷器的電氣老化、工作電壓和暫態(tài)過(guò)電壓下的功耗提供詳細(xì)信息，可避免發(fā)生熱崩潰，所以在現(xiàn)場(chǎng)增設(shè)對(duì)MOA的溫度監(jiān)測(cè)是十分必要的。

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設(shè)備.2010,30(1):110-115

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.10.082

趙迷鎖（1 9 6 9-），男，內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)人，本科，助理工程師，主要從事發(fā)電企業(yè)生產(chǎn)

及管理工作。