溫度對(duì)交流無(wú)間隙金屬氧化物避雷器狀態(tài)檢測(cè)的影響

張嘉旻，周 越，郭 潔，饒旭妮，楊凌輝，趙丹丹，司文榮

（1.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)院，上海200437；2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安710049）

溫度對(duì)交流無(wú)間隙金屬氧化物避雷器狀態(tài)檢測(cè)的影響

張嘉旻1，周 越2，郭 潔2，饒旭妮2，楊凌輝1，趙丹丹1，司文榮1

（1.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)院，上海200437；2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安710049）

隨著氧化物非線性電阻片配方工藝的不斷改進(jìn)，其特性對(duì)溫度的敏感程度也有顯著變化。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)金屬氧化物避雷器生產(chǎn)廠家不同規(guī)格的氧化鋅非線性電阻片進(jìn)行的溫度特性試驗(yàn)研究，分析了不同溫度下避雷器狀態(tài)檢測(cè)特征參量的變化規(guī)律，以期對(duì)狀態(tài)檢測(cè)的有效性和狀態(tài)評(píng)估提供參考。研究發(fā)現(xiàn)，離線狀態(tài)檢測(cè)測(cè)得的0.75倍直流參考電壓下泄漏電流以及在線狀態(tài)檢測(cè)測(cè)得的阻性電流基波分量隨溫度變化最為明顯。

金屬氧化物避雷器；溫度特性；狀態(tài)檢測(cè)；泄漏電流；基波分量

0 引言

迄今為止，金屬氧化物避雷器（metal oxide ar?rester，MOA）以其優(yōu)異的保護(hù)特性、通流能力已被廣泛應(yīng)用，成為電力系統(tǒng)中過(guò)電壓防護(hù)的主要設(shè)備，因此對(duì)運(yùn)行中MOA的狀態(tài)檢測(cè)十分重要[1-2]。避雷器的狀態(tài)檢測(cè)手段主要有離線狀態(tài)檢測(cè)和在線狀態(tài)檢測(cè)。其中，離線檢測(cè)必須停運(yùn)對(duì)應(yīng)的主設(shè)備，因其試驗(yàn)周期長(zhǎng)、影響供電連續(xù)性等不利因素，不能隨時(shí)開(kāi)展；而在線檢測(cè)則可根據(jù)需要進(jìn)行試驗(yàn)，能夠盡早發(fā)現(xiàn)故障并評(píng)估故障程度，是掌握MOA運(yùn)行狀況的重要手段[3-7]。

隨著避雷器非線性金屬氧化物電阻片（metal oxide varistor，MOV）配方工藝的發(fā)展，其保護(hù)特性有了很大的提高，但同時(shí)對(duì)于溫度的變化也更加敏感[8-11]。溫度對(duì)狀態(tài)檢測(cè)的結(jié)果有很大影響，如果不能正確掌握溫度變化規(guī)律，很有可能會(huì)造成狀態(tài)誤判，導(dǎo)致人力物力的浪費(fèi)，嚴(yán)重者會(huì)使事故進(jìn)一步擴(kuò)大。

筆者對(duì)不同溫度下的MOV進(jìn)行試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)得到狀態(tài)檢測(cè)不同特征參量的變化規(guī)律，以期對(duì)實(shí)際運(yùn)行中的狀態(tài)檢測(cè)提供修正參考作用。

1 避雷器狀態(tài)檢測(cè)特征參量

1）離線狀態(tài)檢測(cè)：離線檢測(cè)試驗(yàn)一般為直流試驗(yàn)，能夠更好觀察絕緣性能變化情況，主要特征參量為MOV的直流1mA參考電壓U1mA以及0.75倍直流參考電壓U1mA下的泄漏電流I0.75。

2）在線狀態(tài)檢測(cè)：在持續(xù)運(yùn)行電壓下，流過(guò)MOV的持續(xù)電流I由阻性電流IR和容性電流IC組成，由于等效電阻R為非線性電阻，所以阻性電流IR是一個(gè)非正弦波形，含有基波、3次、5次以及更高次諧波分量，主要以基波和3次諧波電流為主。等效電容C是線性電容，由于等效電容C隨電壓變化時(shí)其電容值變化較小，因此在持續(xù)運(yùn)行電壓下，等效電容近似為一常數(shù)值。流過(guò)電容C的容性電流IC和母線電壓Ux波形一致。正常情況下，上述電流分量中阻性電流僅占總泄漏電流的5%～20%[12]。當(dāng)MOA發(fā)生內(nèi)部受潮、老化劣化等故障時(shí)，阻性電流會(huì)有顯著增大，但是容性電流基本不發(fā)生變化，總泄漏電流也變化不明顯[13-18]。

所以在線檢測(cè)的主要特征參量是持續(xù)運(yùn)行電壓下的交流特征參量，包括持續(xù)泄漏電流I、阻性泄漏電流基波分量IR1以及3次諧波分量IR3。

2 試驗(yàn)研究方案

1）試品：選取國(guó)內(nèi)主流廠家生產(chǎn)的、用于高壓和超高壓等級(jí)的交流氧化物避雷器中的餅狀電阻片若干。編號(hào)A-d50、A-d70和A-d105分別為A廠家直徑?50 mm、?70 mm及?105 mm的MOV試品，編號(hào)B-d50、B-d70和B-d105分別為B廠家直徑?50 mm、?70 mm及?105 mm的MOV試品。

2）試驗(yàn)方法：圖1為直流試驗(yàn)回路模擬離線檢測(cè)；圖2為交流試驗(yàn)回路模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行中的在線檢測(cè)。試驗(yàn)時(shí)將試品放置于恒溫箱中，通過(guò)溫控調(diào)節(jié)使試品維持在一定溫度下，測(cè)量狀態(tài)檢測(cè)中的交流特征參量與直流特征參量。圖中T表示變壓器，R1與R2為保護(hù)電阻。

圖1 直流試驗(yàn)回路Fig.1 Circuit of DC tests

圖2 交流試驗(yàn)回路Fig.2 Circuit of AC tests

3）試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理：為了消除MOV自身參數(shù)分散性造成的影響，取同批次的多片MOV進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果取平均值。由于MOV泄漏電流中存在多種電流諧波分量，因此通過(guò)示波器和精密取樣電阻，獲取了作用于MOV上的電壓波形和通過(guò)MOV的泄漏電流波形。

持續(xù)電流峰值可以由電流波形讀出，阻性電流峰值的測(cè)量則采用容性電流補(bǔ)償法，以得到阻性電流。將獲得的電壓信號(hào)和電流信號(hào)進(jìn)行傅里葉分解，根據(jù)傅里葉變換對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以從頻譜表中讀取對(duì)應(yīng)頻率分量的電壓和電流峰值，再根據(jù)電壓和電流之間相角關(guān)系進(jìn)行補(bǔ)償，以獲得MOV中的阻性基波電流和3次諧波電流。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在離線檢測(cè)中，根據(jù)《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》[19]和GB11032《交流無(wú)間隙金屬氧化物避雷器》[20]，判斷MOA狀態(tài)的依據(jù)是直流參考電壓與初始值比較不大于±5%，0.75倍直流參考電壓下泄漏電流一般不超過(guò)50 μA。在MOA在線檢測(cè)中，對(duì)于運(yùn)行電壓下的泄漏全電流和阻性電流，規(guī)定的判據(jù)是實(shí)際測(cè)量值與初始值比較應(yīng)無(wú)明顯變化，當(dāng)阻性電流增加一倍時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)或離線檢測(cè)直流參數(shù)加以判斷[21]。

在90%荷電率下，避雷器電阻片的各特征參量隨溫度變化情況見(jiàn)圖3—圖9。

圖3 直流1mA參考電壓U1mA隨溫度變化曲線Fig.3 Change curve of U1mAwith temperature

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著溫度從-20℃逐漸加溫到80℃，MOV直流1 mA參考電壓U1mA近似線性降低，其他電流特征參量均隨溫度升高呈現(xiàn)指數(shù)型上升趨勢(shì)。若以20℃溫度為初始條件，當(dāng)溫度升到60℃～80℃時(shí)，部分電阻片的直流參考電壓下降已大于5%，0.75倍直流參考電壓下泄漏電流已超過(guò)50 μA，交流泄漏阻性電流增加也已超過(guò)一倍。若不對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行溫度修正，按照規(guī)程將判定避雷器狀態(tài)出現(xiàn)異常，要對(duì)其進(jìn)行處理。然而實(shí)際上避雷器在夏日的炎熱天氣中遭到陽(yáng)光直射暴曬很有可能出現(xiàn)內(nèi)部60℃的高溫，若MOA本身并未出現(xiàn)故障，則造成狀態(tài)檢測(cè)的誤判，因此需要對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行溫度修正。

圖4 0.75 U1mA時(shí)泄漏電流I0.75隨溫度變化曲線Fig.4 Change curve of I0.75with temperature

圖5 泄漏持續(xù)電流I隨溫度變化曲線Fig.5 Change curve of I with temperature

圖6 電流中阻性基波分量IR1隨溫度變化曲線Fig.6 Change curve of IR1with temperature

圖7 電流中阻性3次諧波分量IR3隨溫度變化曲線Fig.7 Change curve of IR3with temperature

因此進(jìn)一步分析試驗(yàn)結(jié)果，在20℃～60℃的常見(jiàn)環(huán)境溫度區(qū)間，可將所有5種特征參量近似等效為線性變化，通過(guò)計(jì)算得到溫度平均升高1℃各特征參量的變化量，見(jiàn)表1和表2。

表1 A廠家MOV隨溫度的特征參量變化Table 1 Characteristic parameters’change of MOV from factory A with temperature

表2 B廠家MOV隨溫度的特征參量變化Table 2 Characteristic parameters’change of MOV from factory B with temperature

表1、表2中數(shù)據(jù)表明，在20～60℃范圍內(nèi)，平均溫度每升高1℃，A、B廠家避雷器電阻片直流1mA參考電壓U1mA分別降低約為0.06%和0.04%，0.75倍直流1mA參考電壓下的泄漏電流I0.75分別增大約8.23%和17.66%，持續(xù)電流I分別增大約0.28%和0.39%，阻性電流基波分量IR1分別增大約2.06%和3.59%，阻性電流3次諧波分量IR3分別增大約1.23%和1.98%。

從本質(zhì)上分析，溫度上升導(dǎo)致MOA特性改變，伏安特性曲線整體下移，導(dǎo)致阻性電流分量增加。離線檢測(cè)結(jié)果中0.75倍直流1mA參考電壓下的泄漏電流增加最明顯；在線檢測(cè)結(jié)果中，阻性電流中基波分量比3次諧波分量增加更明顯。

4 結(jié)論

1）MOA的狀態(tài)檢測(cè)參量具有明顯的溫度特性，且各特征參量變化程度不同。隨著MOA溫度升高，檢測(cè)結(jié)果的變化會(huì)導(dǎo)致對(duì)MOA狀態(tài)的誤判。

2）在20～60℃范圍內(nèi)，平均溫度每升高1℃，A、B廠家避雷器電阻片直流1mA參考電壓U1mA分別降低約為0.06%和0.04%，0.75倍直流1mA參考電壓的泄漏電流I0.75分別增大約8.23%和17.66%，90%的荷電率下持續(xù)電流I分別增大約0.28%和0.39%，阻性電流基波分量IR1分別增大約2.06%和3.59%，阻性電流3次諧波分量IR3分別增大約1.23%和1.98%。另外，若降低荷電率，各項(xiàng)參量變化稍有減小，但規(guī)律均保持一致。在實(shí)際檢測(cè)中，應(yīng)依據(jù)MOV的溫度特性對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正，以此對(duì)MOA狀態(tài)進(jìn)行正確診斷。

3）隨著溫度升高，離線檢測(cè)特征參量中0.75倍直流1mA參考電壓下的泄漏電流增加最為明顯，受溫度影響最大；在線檢測(cè)特征參量中，阻性電流中基波分量比3次諧波分量增加更為明顯，具體的變化量與MOV的配方工藝和性能有關(guān)。

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Influence of Temperature on Condition Detection of AC MOA without Gaps

ZHANG Jiamin1，ZHOU Yue2，GUO Jie2，RAO Xuni2，YANG Linghui1，ZHAO Dandan1，SI Wenrong1
（1.State Grid Shanghai Electric Power Research Institute，Shanghai 200437，China;2.School of Electrical Engineering，Xi′an Jiaotong University，Xi′an 710049，China）

With the progress of the metal oxide varistor（MOV）formula and technology，the sensi?tivity of temperature characteristics has changed significantly.Different types of MOV from factories in China are tested to measure the characteristic parameters of the condition detection at different tempera?tures.The regularity is extracted after analyzing the results to provide a reference for the validity of metal oxide arrester（MOA）condition detection.It is found that the leakage current under 0.75 times of the DC reference voltage measured by off-line detection and the fundamental component of the resistive current measured by on-line detection changes the most obviously with temperature.

MOA；temperature characteristics；condition detection；leakage current；fundamental component

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.010

2016-11-21

張嘉旻（1969—），男，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事電力系統(tǒng)過(guò)電壓及絕緣配合研究工作。

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（編號(hào):520940150004）。