高頻脈沖電流法在氧化鋅避雷器帶電測試中的應(yīng)用

王俊波, 章濤, 邱太洪, 張思寒, 李國偉

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局，廣東 佛山 528000)

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高頻脈沖電流法在氧化鋅避雷器帶電測試中的應(yīng)用

王俊波, 章濤, 邱太洪, 張思寒, 李國偉

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局，廣東 佛山 528000)

分析電力系統(tǒng)氧化鋅避雷器(metal oxide surge-arrester, MOA)帶電測試的發(fā)展現(xiàn)狀及其目前主流測試方法存在的不足，提出MOA高頻脈沖電流的帶電測試方法，從理論上說明高頻脈沖電流法測試原理和缺陷判據(jù)的圖譜特征，根據(jù)現(xiàn)場測試經(jīng)驗(yàn)總結(jié)可操作的實(shí)用測試方法，最后通過一起典型案例的應(yīng)用說明該方法在現(xiàn)場測試中的有效性。

氧化鋅避雷器(MOA)；高頻脈沖電流；帶電測試

氧化鋅避雷器(metal oxide surge-arrester, MOA)在電力系統(tǒng)廣泛應(yīng)用，其功能在于限制系統(tǒng)因各種外在或者內(nèi)在原因產(chǎn)生的過電壓。作為電力系統(tǒng)中過電壓保護(hù)的主要設(shè)備，運(yùn)行的穩(wěn)定性直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全[1]。目前，電力設(shè)備健康狀況主要通過停電預(yù)防性試驗(yàn)、帶電測試、在線監(jiān)測三大手段來保障。停電預(yù)防性試驗(yàn)作為傳統(tǒng)的試驗(yàn)手段，其地位在現(xiàn)階段仍然無可取代。在線監(jiān)測不但需要投入大量的前端監(jiān)測設(shè)備，而且需要進(jìn)行后臺(tái)以及通信維護(hù)，一次性投資較大。帶電測試可以降低因停電造成的系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，又可以達(dá)到實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測目的，比在線監(jiān)測更靈活，是目前電力設(shè)備絕緣監(jiān)測的重要手段[2-3]。

MOA帶電測試主要采用全電流及阻性電流測試，分全電流法、基波法、高次諧波法、補(bǔ)償法等。多年的現(xiàn)場應(yīng)用證明該方法可以發(fā)現(xiàn)MOA內(nèi)部受潮、閥片劣化、內(nèi)部元件接觸不良等缺陷[4-6]。全電流法雖然簡單，但是不能檢測MOA的早期劣化；MOA閥片老化后，伏安特性非線性變差，阻性電流高次諧波增大，而阻性電流的基波分量則不發(fā)生明顯變化，但是受潮后表現(xiàn)出的狀況正好與老化引起的狀況相反，基波分量發(fā)生明顯變化，而高次諧波分量則不發(fā)生明顯變化，鑒于基波法和高次諧波法的局限性，分析過程困難；補(bǔ)償法在一定程度提高了檢測的準(zhǔn)確性，但最大的弊端在于無法消除相間耦合電容電流和系統(tǒng)高次諧波的影響[7-12]。現(xiàn)有全電流法及阻性電流法的帶電測試手段，主要根據(jù)電流幅值的大小以及變化趨勢，通過時(shí)間序列上的縱向?qū)Ρ?、同類設(shè)備或者不同相別之間的橫向?qū)Ρ鹊冉y(tǒng)計(jì)分析方法來判斷MOA的健康狀況，對(duì)絕緣老化及其損害程度進(jìn)行一定程度上的定向判斷，雖然這種判斷方法在相關(guān)的試驗(yàn)規(guī)程中都作了明確的規(guī)定，但得出的數(shù)據(jù)能否對(duì)MOA的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全面、正確的反饋是值得商榷和繼續(xù)研究；對(duì)于目前應(yīng)用較為廣泛的紅外測溫，由于避雷器屬于電壓值致熱型設(shè)備，溫差范圍較窄，對(duì)儀器和測試人員要求高，在內(nèi)部劣化初期很難通過溫升反映出來，或者是微小的變化也難以被檢測出來，對(duì)于外絕緣積污等表面爬電導(dǎo)致的異常溫升容易被發(fā)現(xiàn)。

采用全電流及阻性電流法對(duì)MOA進(jìn)行帶電測試，發(fā)現(xiàn)凡是阻性電流偏大的MOA，無論其數(shù)值有無超過規(guī)程規(guī)定值，阻性電流波形都存在毛刺，并非標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，這些毛刺屬于泄漏電流中的高頻成分，需要使用寬頻電流傳感器才能將其完整捕獲。采用高頻脈沖電流法進(jìn)行局部放電測試已在電纜中廣泛應(yīng)用，筆者嘗試了使用該方法對(duì)多組MOA進(jìn)行帶電測試并取得良好效果。

1 高頻脈沖電流法測試原理及典型缺陷的圖譜特征

運(yùn)行中的MOA，其絕緣部分可等效為一個(gè)電容，三相間存在一個(gè)耦合電容。當(dāng)MOA絕緣狀況發(fā)生變化或者內(nèi)部元件松動(dòng)時(shí)，等效電容的兩極出現(xiàn)電荷變化，并伴隨一個(gè)持續(xù)、短暫的脈沖電流信號(hào)貫通等效電容的兩極，這個(gè)脈沖電流信號(hào)類似微觀雷電流，即高頻脈沖電流。高頻脈沖電流法就是捕獲脈沖電流信號(hào)，頻率較高，普通的電流傳感器不能有效獲取其完整信息，因此必須使用高頻電流傳感器(high frequency current transformer，HFCT)，它可以捕獲的電流頻率高達(dá)幾十兆赫茲甚至上百兆赫茲[13-16]。

HFCT捕獲的高頻脈沖電流信號(hào)既可用于示波器直接觀察波形特征，也可用于頻譜分析，還可以輸入給智能診斷系統(tǒng)形成幅值、相位和脈沖個(gè)數(shù)相關(guān)聯(lián)的圖譜，即Φ-Q-N圖譜，用于缺陷類型的判斷。MOA常見缺陷包括內(nèi)部受潮、閥片老化、頂部壓緊彈簧松動(dòng)造成懸浮放電、連接部位的尖端等，其中最常見、威脅最大的是內(nèi)部受潮和閥片老化。內(nèi)部受潮主要源于產(chǎn)品生產(chǎn)過程避雷器閥片烘干不徹底，含水分或者裝配時(shí)避雷器的密封墊圈安放位置不當(dāng)甚至沒有安裝；廠家使用材料不合格，瓷瓶質(zhì)量差，帶有看不見的小孔也會(huì)造成水分滲入，造成內(nèi)部受潮。閥片老化主要產(chǎn)生于運(yùn)行過程中，由于避雷器閥片的均一性差，其老化程度不盡相同，造成閥片電位分布不均勻，部分閥片首先劣化導(dǎo)致其余閥片負(fù)擔(dān)加重，老化速度加快，形成惡性循環(huán)。

現(xiàn)在運(yùn)行中，可以將MOA典型缺陷歸結(jié)為絕緣類放電、懸浮電位放電、尖端放電3種情形。3種典型局部放電的通用Φ-Q-N圖譜如圖1所示。將高頻脈沖電流法應(yīng)用于避雷器局部放電測試，可以參考以下通用圖譜作為判據(jù)。

圖1 MOA典型缺陷Φ-Q-N圖譜

缺陷1情形如圖1(a)所示，它屬于受潮或者閥片劣化的絕緣類放電[17]，缺陷圖譜呈現(xiàn)雙極性“饅頭狀”分布特征，屬于內(nèi)部絕緣缺陷，隨著電壓升高，MOA出現(xiàn)放電，電壓下降繼續(xù)充電再放電，如此反復(fù)，在電壓峰值過后電壓下降放電暫停，直到達(dá)到反相的放電電壓值后又開始新一輪的放電，電壓越高放電幅值越大，因此放電呈現(xiàn)出雙極性的“饅頭狀”特征。

缺陷2情形如圖1(b)所示[17]，它屬于內(nèi)部元件松動(dòng)的懸浮電位放電，缺陷圖譜呈現(xiàn)“平臺(tái)狀”分布特征，屬于懸浮電位缺陷，一般由MOA頂部壓緊彈簧松動(dòng)引起，若松動(dòng)程度不隨電動(dòng)力或機(jī)械振動(dòng)發(fā)生變化則屬于固定間隙的懸浮電位，反之則屬于非固定間隙的懸浮電位。固定間隙在起始放電電壓之后擊穿電壓之前，放電幅值均不會(huì)發(fā)生太大變化，因此放電圖譜呈現(xiàn)規(guī)則的“平臺(tái)狀”特征；而非固定間隙放電電壓隨間隙尺寸變化而變化，圖譜呈現(xiàn)不規(guī)則的“平臺(tái)狀”特征。

缺陷3情形如圖1(c)所示[17],它屬于連接部位的尖端放電[17]。缺陷圖譜呈現(xiàn)單極性的“饅頭狀”分布特征，屬于尖端放電缺陷。一般由接線板連接部位的尖端、毛刺等引起，屬于高壓端為尖端的缺陷。當(dāng)尖端為高壓端時(shí)，負(fù)極性時(shí)電子容易發(fā)射，同時(shí)正離子撞擊陰極發(fā)生二次電子發(fā)射，使得放電總是在尖角為負(fù)極性時(shí)先出現(xiàn)，這個(gè)時(shí)候正離子很快移向尖角的尖端而復(fù)合，電子在平移電極過程中，附著于中性分子而成為負(fù)離子，負(fù)離子的遷移速度較為緩慢，眾多的負(fù)離子遠(yuǎn)離尖角后，尖角附近的電場又得到升高，于是出現(xiàn)第二次放電，放電脈沖就出現(xiàn)在外加電壓負(fù)半周的峰值附近。

2 現(xiàn)場檢測方法

高頻脈沖電流法帶電測試，可在放電計(jì)數(shù)器的接地引下線處卡接HFCT，如圖2(a)所示。為了消除放電計(jì)數(shù)器的影響或者現(xiàn)場空間的影響也可以人為構(gòu)造1條高頻信號(hào)通道，即在放電計(jì)數(shù)器兩端并聯(lián)一個(gè)電容，在電容通道上卡接HFCT，如圖2(b)所示。相位同步信號(hào)可以從鄰近的電壓互感器二次獲取，也可以采集被測MOA的泄漏電流，使其通過電阻轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)來獲取。

圖2 測試示意圖

2.1 基于三相信號(hào)的同步檢測

MOA三相并列運(yùn)行，在三相設(shè)備上同時(shí)卡接HFCT。三相設(shè)備同時(shí)發(fā)生相同故障的情況很少，如果存在外部干擾，三相設(shè)備會(huì)同時(shí)檢測到類似的高頻脈沖電流信號(hào)；如果存在高頻脈沖電流信號(hào)又存在干擾，則可根據(jù)波形特征進(jìn)行干擾剔除，即三相設(shè)備都能檢測到波形干擾信號(hào)，而放電信號(hào)則在某一相上存在與之不同波形的信號(hào)。

2.2 基于三相信號(hào)的極性鑒別法

當(dāng)一組MOA三相之間的耦合電容較大時(shí)，某一相因缺陷出現(xiàn)高頻脈沖電流信號(hào)，其他兩相同樣可以檢測到高頻脈沖電流信號(hào)，此時(shí)可以利用三相信號(hào)波形的極性進(jìn)行判斷，故障相的高頻脈沖電流波峰的極性與其他兩相相反，可以通過如圖3所示回路進(jìn)行分析，圖3(a)為“一”字排列的三相MOA，圖3(b)為其等效回路。

CU、CV、CW分別為MOA三相等效電容；C11、C22為等效相間耦合電容。圖3 極性鑒別回路分析

當(dāng)MOA的 U相出現(xiàn)缺陷時(shí)，等效電容CU(其值為CU，其余類推)兩端的電壓降低，而此時(shí)等效電容CV、CW兩端電壓并不發(fā)生變化，CV通過C11向CU充電，充電電流為i1，CW通過C11、C12向CU充電，充電電流為i2，i1和i2即為高頻脈沖電流，若規(guī)定入地的電流為“+”，則在U相檢測到的電流為“+”、V相和W相檢測到的電流為“-”。同理，V相出現(xiàn)缺陷時(shí)，則在V相檢測到的電流為“+”，U相和W相檢測到的電流為“-”；W相出現(xiàn)缺陷時(shí)，則在W相檢測到的電流為“+”、U相和V相檢測到的電流為“-”。因此，利用缺陷相高頻脈沖電流極性與其余兩相相反的原理可以清楚判斷出缺陷相，即利用極性鑒別法定相，如果三相信號(hào)同極性，則判斷為外界干擾信號(hào)。

2.3 基于Φ-Q-N圖譜相位特征進(jìn)行干擾剔除

當(dāng)從鄰近電壓互感器或被測MOA獲得相位信息時(shí)，可根據(jù)檢測到的信號(hào)是否存在相位特征進(jìn)行干擾剔除，隨機(jī)干擾與工頻50 Hz不存在固定的關(guān)系，而放電信號(hào)則與工頻具有特定的關(guān)系。如果檢測到的信號(hào)充滿了整個(gè)工頻周期，沒有明顯的相位特征，即可以判斷為干擾信號(hào)。

3 典型案例應(yīng)用

2013年3月13日試驗(yàn)人員對(duì)某220 kV變電站全站110 kV及以上MOA進(jìn)行交流泄漏電流帶電測試時(shí)，發(fā)現(xiàn)110 kV旭華乙線MOA W相全電流及阻性電流與歷年測試數(shù)據(jù)相比有較大的增長，而在歷次的紅外巡測中并未發(fā)現(xiàn)溫度有出現(xiàn)明顯異常的現(xiàn)象，歷年測試數(shù)據(jù)見表1。全電流及阻性電流變化曲線如圖4(a)、(b)所示。

表1 歷年帶電測試數(shù)據(jù)

測試日期全電流有效值Ieq/μAU相V相W相阻性電流峰值Imax/μAU相V相W相2009-04-2768660659711097912010-02-21686613523111100912011-04-0168961152311098912012-05-06706641571113100932013-03-24683604908115105132

圖4 電流變化趨勢圖

從圖4(a)、(b)可以看出，全電流及阻性電流值比之前數(shù)值有明顯增大。阻性電流的波形如圖5所示，將其與相鄰間隔的110 kV旭華甲線測試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)110 kV旭華乙線MOA W相阻性電流上疊加有脈沖毛刺。

圖5 阻性電流波形

通過以上全電流及阻性電流的變化趨勢可以看到110 kV旭華乙線MOA W相測試結(jié)果出現(xiàn)了異常，特別是阻性電流最后測試值相對(duì)以往測試值已經(jīng)增加了0.5倍，按照南方電網(wǎng)預(yù)試規(guī)程關(guān)于“金屬氧化物避雷器帶電測試時(shí)，阻性電流與初始值相比，增加0.5倍時(shí)應(yīng)分析原因，加強(qiáng)監(jiān)測，適當(dāng)縮短檢測周期”的規(guī)定，直接采取了高頻脈沖電流法局部放電檢測。

采用高頻脈沖電流法對(duì)110 kV旭華乙線MOA進(jìn)行帶電測試，HFCT卡接在放電計(jì)數(shù)器接地處，使用高速示波器觀察三相高頻脈沖電流波形，得到W相電流極性為“+”，而U、V相電流極性為“-”，采用極性鑒別法判斷W相避雷器存在缺陷，其Φ-Q-N圖譜如圖6所示，呈現(xiàn)雙極性“饅頭狀”的分布特征，為內(nèi)部絕緣缺陷，判斷可能為內(nèi)部受潮或者閥片劣化所致。

圖6 Φ-Q-N圖譜

把該支MOA退運(yùn)后進(jìn)行一系列的電氣試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)絕緣電阻合格，但是交流伏安特性曲線失去非線性特征，解體MOA，在端部沿金具和絕緣子接觸部位進(jìn)行橫切，切開后發(fā)現(xiàn)有水從避雷器內(nèi)部流出，說明MOA上端部存在嚴(yán)重的受潮進(jìn)水情況，缺陷原因判斷為MOA注塑孔密封不良，在長期運(yùn)行過程中，水汽逐步侵入密封腔內(nèi)，使部分閥片受潮，喪失非線性特性導(dǎo)致。解體結(jié)果與高頻脈沖電流法帶電測試的Φ-Q-N圖譜呈現(xiàn)雙極性“饅頭狀”的分布特征相吻合。

4 結(jié)束語

MOA預(yù)防性試驗(yàn)的主要手段是帶電測試，基本取代了停電試驗(yàn)。目前廣泛使用的全電流、阻性電流帶電測試以及紅外測溫等手段要繼續(xù)保持并實(shí)現(xiàn)精細(xì)化。本文提出的將高頻脈沖電流法應(yīng)用于MOA，可作為一個(gè)很好的帶電測試手段，發(fā)現(xiàn)MOA的潛在缺陷，對(duì)現(xiàn)有的帶電測試檢測手段起到了補(bǔ)充和驗(yàn)證作用，可根據(jù)高頻脈沖電流波形的極性進(jìn)行缺陷相別判斷，并且可以根據(jù)圖譜特征初步分析放電類型，對(duì)于綜合診斷提供了更加有用的信息，對(duì)指導(dǎo)設(shè)備檢修起到一定的作用，為更好把握MOA健康情況積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)然，目前局放測試也未做到受潮或者絕緣劣化程度的定量判斷，同時(shí)實(shí)際缺陷的圖譜特征更有待積累以完善和動(dòng)態(tài)修正判據(jù)，在提高檢測和綜合判斷的信度與效度上還需要進(jìn)一步的研究和工程實(shí)踐。

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(編輯 王夏慧)

Application of High-frequency Pulse Current Method in MOA On-line Detection

WANG Junbo, ZHANG Tao, QIU Taihong, ZHANG Sihan, LI Guowei

(Foshan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Foshan, Guangdong 528000, China)

This paper analyzes development status quo of metal oxide surge-arrester (MOA) on-line detection of power system and shortages of present main testing methods.It presents an on-line detection method based on MOA high-frequency pulse current and explains testing principles of high-frequency pulse current method and graph spectral features of defect criteria in theory.According to field testing experiences, it summarizes operable practical detection methods and expounds effectiveness of this method in field detection by means of one case of typical example.

MOA; high-frequency pulse current; on-line detection

2016-07-29

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.11.022

TM862

B

1007-290X(2016)11-0114-06

王俊波(1986)，男，山西臨汾人。高級(jí)工程師，工學(xué)碩士，主要從事高壓試驗(yàn)及狀態(tài)監(jiān)測工作。

章濤(1977)，男，湖北鐘祥人。高級(jí)工程師，工學(xué)碩士，主要從事高壓試驗(yàn)及狀態(tài)監(jiān)測管理工作。

邱太洪(1983)，男，福建龍巖人。工程師，工學(xué)碩士，主要從事高壓試驗(yàn)及狀態(tài)監(jiān)測工作。