基于容性設(shè)備接地電流的金屬氧化物避雷器阻性電流現(xiàn)場檢測方法

邢 超，趙 軍，劉 濤，楊 樺，楊世博，王 輝

(1.國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,石家莊 050021；2.國網(wǎng)河北省電力有限公司保定供電分公司，河北 保定 071000；3.國網(wǎng)河北省電力有限公司檢修分公司，石家莊 050011；4.河北省送變電有限公司，石家莊 050000)

0 引 言

金屬氧化物避雷器(以下簡稱:避雷器)具有非線性、通流量大、殘壓低等優(yōu)異的保護(hù)性能，成為電力系統(tǒng)中重要的過電壓保護(hù)設(shè)備[1-3]。因其運行環(huán)境惡劣，長期運行過程中易發(fā)生絕緣受潮、閥片老化等缺陷。相關(guān)研究表明，避雷器阻性電流相較于全電流能夠更加靈敏反映避雷器早期老化、受潮、劣化和熱崩潰[4-7]，因而阻性電流的檢測尤為關(guān)鍵?，F(xiàn)場檢測阻性電流使用的方法分為檢修電源法、感應(yīng)板法、PT二次法[8]。檢修電源法測試時需接入檢修電源箱的電壓信號作為相位參考，易受負(fù)荷接入、站用變壓器角差及系統(tǒng)運行方式等影響，電壓信號角度波動較大，影響測試數(shù)據(jù)連續(xù)性和準(zhǔn)確度，現(xiàn)場應(yīng)用較少。感應(yīng)板法測試時通過感應(yīng)板的電場感應(yīng)效應(yīng)獲取避雷器運行電壓相位，由于感應(yīng)板對自身所處高度及角度極其敏感，其位置稍有改變時，獲取的運行電壓相位隨即改變，造成測試結(jié)果不確定性很大，現(xiàn)場應(yīng)用也很少。PT二次法測試時接入PT二次側(cè)電壓作為相位參考，是目前比較準(zhǔn)確的測試方法，然而在操作方面，由于要在PT二次端子箱中進(jìn)行接線，存在誤碰、誤短路二次端子造成設(shè)備跳閘的重大隱患[9]，個別單位甚至已經(jīng)禁止對運行中的PT二次端子箱進(jìn)行該類操作，客觀上也使得該方法的應(yīng)用具有一定的局限性。集中帶電檢測期間，數(shù)量有限的技術(shù)人員要在短時間內(nèi)檢測數(shù)量巨大的避雷器，且每次檢測現(xiàn)場都需要電氣二次人員配合接入PT二次端子，檢測效率低，且容易出現(xiàn)人員觸電、誤碰短路引發(fā)電網(wǎng)跳閘事故，因此，如何安全、快速、準(zhǔn)確測試避雷器阻性電流，成為當(dāng)前避雷器測試工作急需解決的問題。

1 基本測試原理

將避雷器全電流信號IA在避雷器運行電壓信號U上進(jìn)行投影即可得到避雷器阻性電流IR[10-12]，見圖1所示。

U:避雷器運行電壓(與避雷器處于同一母線或線路的電壓互感器運行電壓);IA:避雷器全電流;α:U與IA的夾角;U2:電壓互感器二次端子電壓;θ：U與U2夾角

因此測試時關(guān)鍵是如何獲取避雷器運行電壓信號的相位信息。避雷器運行電壓信號可由與避雷器處于同一母線(或線路)的電磁式(或電容式)電壓互感器獲得。而電壓互感器的運行電壓相位信息可通過電壓互感器二次端子電壓獲得，如圖2所示，通常U與U2相位差θ很小，可以認(rèn)為U與U2相位一致。測試避雷器阻性電流時，只需獲得電壓互感器的二次端子電壓U2相位即可。

ICVT:CVT整體接地電流;ICT:CT末屏接地電流;δ1:CT介質(zhì)損耗角;δ2:CVT介質(zhì)損耗角

由于電壓互感器二次端子火線和零線之間距離較近，測試時稍不注意極易造成二次端子短路，嚴(yán)重時甚至觸發(fā)保護(hù)裝置誤動作，因此采用PT二次法測試時存在電網(wǎng)安全風(fēng)險。

2 新測試方法探索

測試的關(guān)鍵是獲取避雷器運行電壓的相位，對于電容型設(shè)備，如果其介質(zhì)損耗角δ1(或δ2)足夠小，則可認(rèn)為其接地電流信號和電壓信號U的相位差為90°，見圖2所示。因此考慮采用與避雷器處于同一母線(或線路)的電容式電壓互感器(以下簡稱：CVT)的接地電流信號或電流互感器(以下簡稱：CT)的末屏電流信號作為避雷器阻性電流測試時的參考相位信號，見圖3所示，只需將此信號角度順時針旋轉(zhuǎn)90°即可獲得避雷器運行電壓信號角度。

U:避雷器運行電壓;IA:避雷器全電流;ICVT:CVT整體接地電流;N:CVT最下節(jié)電容接地端子;X:CVT電磁單元變壓器一次繞組接地端子;ICT:油浸式或氣體絕緣式CT末屏接地電流

3 基于CT末屏接地電流信號測試阻性電流

為保證計量準(zhǔn)確度及避免二次線圈短路時造成保護(hù)裝置動作，采用PT二次法測量避雷器阻性電流時通常選擇PT二次測量線圈，而不選擇保護(hù)線圈及計量線圈。

JJG 314-2010《測量用電壓互感器檢定規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)中對于0.1級～0.5級的測量用電壓互感器的誤差限值要求見表1。

表1 測量用電壓互感器的誤差限值Table 1 Error limit ofinstrument voltage transformer

由表1可見，電力系統(tǒng)中常用0.1～0.5級的電壓互感器，在額定頻率、額定功率因數(shù)及二次負(fù)荷為額定二次負(fù)荷的25%～100%之間的任一數(shù)值時，80%～120%額定電壓下其角差范圍(一二次電壓相位誤差)在±5′至±20′之間。因此，采用PT二次法測試阻性電流時，對于準(zhǔn)確度最低的0.5級的電壓互感器來說，其一二次電壓相位差最大，為±20′。

對于絕緣良好的110(66)kV～1 000 kV油浸式電流互感器，其介質(zhì)損耗角正切值110(66)kV允許限值最高，為0.008，見表2所示，折合成介質(zhì)損耗角其角度為27.5′。事實上，對于絕緣良好的油浸式電流互感器，現(xiàn)場試驗時其介質(zhì)損耗角正切值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求，介質(zhì)損耗角一般會遠(yuǎn)低于20′。

表2 油浸式電流互感器介質(zhì)損耗角正切值Table 2 Dielectric loss tangent of oil-immersed current transformer

因此，筆者認(rèn)為采用油浸式電流互感器末屏接地電流相位來推測避雷器運行電壓相位是可行的。

4 不同介質(zhì)損耗角下避雷器阻性電流測試情況

電壓互感器角差一經(jīng)設(shè)定完成后比較穩(wěn)定，日常運行不會發(fā)生很大變化。因此用PT二次法測試避雷器阻性電流數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較好。

對于絕緣良好的電流互感器，其介質(zhì)損耗角也比較穩(wěn)定，由電流互感器末屏接地電流相位來推測避雷器運行電壓是可以接受的。

當(dāng)電流互感器絕緣劣化，必須考慮其介質(zhì)損耗角時，由此得出的避雷器阻性電流會有所變化，見圖4所示。當(dāng)考慮介質(zhì)損耗角時，避雷器阻性電流測試值會比不考慮介質(zhì)損耗角的測試值要大，介質(zhì)損耗角越大，阻性電流測試值會越低于真實值。當(dāng)采用絕緣劣化的電流互感器末屏接地電流信號測試避雷器阻性電流時，阻性電流測試值將小于實際值，此時避雷器的絕緣狀態(tài)可能會被樂觀估計。

IallCT_a:電流互感器末屏接地電流;IR′:不考慮介質(zhì)損耗角時測得的避雷器阻性電流;U_a:考慮介質(zhì)損耗角時獲取的避雷器運行電壓;U_s:不考慮介質(zhì)損耗角時獲取的避雷器運行電壓;

由圖4可以看出，考慮介質(zhì)損耗角時，避雷器阻性電流為：

IR=IAcosα

(1)

不考慮介質(zhì)損耗角時，避雷器阻性電流為：

IR=IAcos(α+δ)

(2)

不同δ下，IR′/IR的值見圖5所示，在δ為20′-50′范圍內(nèi)時，不同α角度下的測得值均比真實值要小。α較小時，δ的增大對測試值的影響較小，IR′基本等同于IR。隨著α的增大，δ的變化對測試結(jié)果的影響越來越顯著，尤其是在88°、89°范圍里，測得值只占到實際值的83%以下，極大影響數(shù)據(jù)的分析和避雷器絕緣狀態(tài)的判斷。在α為89°，δ為30′及以上時，測試值僅占實際值的50%以下。

圖5 不同α、δ角度下阻性電流測得值和真實值得比值Fig.5 Ratio of measured value and true value of resistive current under different α and δ angles

由圖5可以看出，在α較大時，即使避雷器本身絕緣沒有問題，受δ影響(電流互感器絕緣狀態(tài)影響)，用測得值來判斷避雷器絕緣狀態(tài)也會發(fā)生誤判，誤認(rèn)為避雷器絕緣狀態(tài)良好。以α為88°為例，當(dāng)CT介質(zhì)損耗角為20′，阻性電流測試值占真實值的83%，當(dāng)CT介質(zhì)損耗角為50′時，阻性電流測試值僅占真實值的58%。

因此測試時，建議選擇A、B、C相中至少兩相CT末屏接地電流信號作為參考信號測試避雷器兩次數(shù)據(jù)，從而避免其中一相CT絕緣有問題時數(shù)據(jù)誤判。測試時建議輸入兩路CT末屏接地電流參考信號，分別測試各路參考信號下的阻性電流，若兩路參考信號下測得的阻性電流基本一致，則可以推斷所測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，若不一致則需分析是避雷器的絕緣狀態(tài)改變還是CT的絕緣狀態(tài)改變。此種作法的一個附加好處是測試避雷器時有可能會發(fā)現(xiàn)CT絕緣缺陷。

綜上所述，合理使用CT末屏接地電流作為參考信號測試金屬氧化物避雷器阻性電流的準(zhǔn)確度應(yīng)該等同于甚至優(yōu)于PT二次法，且測試方法安全簡單，僅需使用鉗形電流互感器獲取CT末屏接地電流信號相位即可。

5 基于CVT接地電流信號測試阻性電流

對于CVT類設(shè)備，分析原理與CT類設(shè)備相似。但由于其介質(zhì)損耗角更加微小，其接地電流較CT末屏接地電流更大，此種方法抗干擾性更強。

6 現(xiàn)場測試

現(xiàn)場選取某220 kV變電站進(jìn)行驗證測試，變電站220 kV CT末屏接地和CVT接地均進(jìn)行了改造，末屏通過長接地引下線引出后接地，CVT將N端通過長接地引下線引出后接地。分別使用PT二次法、容性設(shè)備接地電流法對同一組避雷器進(jìn)行了阻性電流測試，測試結(jié)果見表3所示。測試時通過鉗形電流互感器卡入接地引下線中獲取接地電流相位信號。

表3 不同測試方法下避雷器阻性電流測試結(jié)果Table 3 Test results of resistive current of metal oxide surge arresters under different measurement methods

由表3可見，在3種取樣部位對參考信號進(jìn)行取樣，測試同一組避雷器時，每相阻性電流測試結(jié)果無較大差異，均可以以其中一種測試方法所得數(shù)據(jù)進(jìn)行避雷器狀態(tài)的分析和判斷,C相避雷器由于受相間及電磁干擾作用[13-15]，阻性電流數(shù)據(jù)極小，此時需考慮采用其他方法綜合分析判斷C相避雷器絕緣狀態(tài)。

7 結(jié) 論

采用容設(shè)備接地電流作為參考信號測試避雷器阻性電流方法可行，其與采用PT二次法測試結(jié)果基本等同。由于無需對PT二次端子進(jìn)行操作，有效避免了PT二次短路風(fēng)險，人員和安全。

測試不同線路的避雷器時，只需將參考電流信號接入處于同一母線下的一組CVT或CT即可，無需頻繁更換接線，即可測試完畢所有處于同母線下的避雷器。

CT和CVT的介質(zhì)損耗角δ在α角度較小時不會對阻性電流測試結(jié)果產(chǎn)生實質(zhì)影響，但在α角度較大時應(yīng)注意考慮。