高壓電力設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù) 第4章 MOA避雷器在線監(jiān)測與診斷

1、第四章 MOA避雷器在線監(jiān)測與診斷On-line monitoring and fault diagnosis for MOA1本章內(nèi)容概述避雷器的故障特點與診斷內(nèi)容監(jiān)測總泄漏電流Ix 諧波法測量阻性電流補償法測量阻性電流基波法光電技術(shù)在避雷器泄露電流在線監(jiān)測中的應(yīng)用24.1 概述3避雷器定義：一種過電壓限制器。當(dāng)過電壓出現(xiàn)時，避雷器兩端子間的電壓不超過規(guī)定值，使電氣設(shè)備免受過電壓損壞，過電壓過后，又能使系統(tǒng)迅速恢復(fù)正常狀態(tài)。無間隙金屬氧化物避雷器：由非線性金屬氧化物電阻片串聯(lián)或并聯(lián)組成且無并聯(lián)或串聯(lián)放電間隙的避雷器（Metal Oxide Surge Arresters，簡稱MOA）避雷器的

2、作用：限制過電壓以保護電氣設(shè)備。44.1.1 氧化鋅避雷器結(jié)構(gòu)及特性Zno電阻片的等值電路Zno閥片的等值電路RcZno晶粒本體的電阻C晶界層的固有電容R晶界層的電阻 山東彼岸電力科技有限公司MOV在高倍顯微鏡下微觀結(jié)構(gòu)(MOV晶粒的等值半徑約5m) 金屬氧化物電阻片具有極其優(yōu)異的非線性V-A特性，在正常工作電壓下，其阻值很大（電阻率高達1010-1011cm），通過電阻片的漏電流很?。ˋ級），在這個電流下，電阻片具有足夠的運行壽命。而在過電壓的作用下，阻值會急劇變小，非線性系數(shù)約為：0.010.04，因此保證了在泄放幾千安操作電流和幾十千安雷電流時電阻片兩端仍然保持低電壓。MOV的綜合特性

3、ZnO電阻片與SiC閥片伏安特性的比較 歸納起來： a. 優(yōu)異的非線性； b. 快速的響應(yīng)特性； c. 大的能量吸收能力； d. 持久的抗老化特性； e. 在不同區(qū)段，有敏感程度不同的溫度特性。 在低電場區(qū)MOV具有極強的電介質(zhì)特性，在持續(xù)工作電壓下，靜態(tài)相對介電常數(shù)r為6501200，MOV對外主要呈現(xiàn)電容特性，泄漏電流中，阻性電流分量約占全電流的1/51/12；等值電阻具有明顯的負溫度系數(shù)，其值依據(jù)配方、工藝的不同而異； 在強電場區(qū)，即工作區(qū)呈現(xiàn)極強的金屬特性，在1s的沖擊波電流作用下，主要顯示電阻特性，隨著溫度的升高電阻值單調(diào)增大。電阻片具有對稱性，無極性效應(yīng)，在1s沖擊電流波范圍內(nèi)，響

4、應(yīng)時間可忽略不計。在配方工藝一定的前提下，V-A特性與作用波波形有關(guān)，波陡度增加，殘壓增大，在VFTO波作用下，呈現(xiàn)明顯的電感特性，殘壓出現(xiàn)過沖現(xiàn)象。 MOV的老化特性與長期承受的持續(xù)電壓、環(huán)境溫度、吸收的過電壓能量、波形、次數(shù)以及荷電率等有關(guān)，通常荷電率越高老化速度越快。 前蘇聯(lián)學(xué)者對老化壽命的研究結(jié)果表明：電阻片具有記憶性。對一定配方、工藝制造的電阻片，各自都擁有固定的能量儲備，對雷電沖擊、操作沖擊固有能量儲備是不同的，通常操作沖擊固有能量儲備較大，約大于雷電沖擊下一個數(shù)量級。電阻片每吸收一次過電壓能量，就耗費一些固有儲備，待固有能量儲備耗完，電阻片也壽終了。電阻片易吸潮，受潮后電阻值下降

5、且很難經(jīng)處理后完全恢復(fù)。MOV性能受溫度應(yīng)力的嚴重影響，溫度應(yīng)力會導(dǎo)致MOA炸裂或熱崩潰。（1）金屬氧化物避雷器的結(jié)構(gòu)（2）金屬氧化物避雷器的分類（3）金屬氧化物避雷器的特點（4）金屬氧化物避雷器的主要電氣性能參數(shù)4.1.2 金屬氧化鋅避雷器 依據(jù)MOA運行工況和被保護設(shè)備的不同,MOA分為： 無間隙金屬氧化物避雷器 有間隙金屬氧化物避雷器 無間隙金屬氧化物避雷器基于MOV的電氣特性具有無續(xù)流、無截波、響應(yīng)快、吸收能量大、保護殘壓低、電氣性能穩(wěn)定，抗老化性能強等獨特特性，完全取消間隙。金屬氧化物避雷器的結(jié)構(gòu) 無間隙金屬氧化物避雷器 主要由MOV、防爆裝置、均壓裝置、緊固裝置、外絕緣套、密封裝置

6、等組成，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)電阻片間的串并聯(lián)，受環(huán)境影響小，使用于重污穢、潮氣大的地區(qū)，能夠?qū)θ踅^緣和大容量設(shè)備實施可靠保護。理論上可以實現(xiàn)帶電水沖洗。 有串聯(lián)間隙的金屬氧化物避雷器綜合了MOV和放電間隙的優(yōu)點，具有放電電壓更高，可以避開系統(tǒng)中高幅值、持續(xù)時間長威脅避雷器自身安全的部分內(nèi)過電壓，而保持合理的絕緣配合的特點，有選擇性地限制過電壓。利用電阻片的電容、電阻特性改善了間隙的放電分散性，減小了放電沖擊系數(shù)，基本上無續(xù)流、無截波，吸收能量大抗老化性能強等特性。有串聯(lián)間隙的金屬氧化物避雷器 主要由MOV、放電間隙、防爆裝置、緊固裝置、外絕緣套、密封裝置等組成。更適用于6kV10kV中性點不接地

7、系統(tǒng)，實現(xiàn)對配電網(wǎng)電氣設(shè)備雷電沖擊過電壓的防護。但間隙的存在，放電電壓具有分散性且受環(huán)境影響。淋雨狀態(tài)下、重污穢地區(qū)運行工頻放電電壓明顯降低，可能會導(dǎo)致避雷器誤動損壞。按MOA額定電壓值分類： 分為高壓類、中壓類和低壓類三類。高壓類指66kV及以上等級的MOA，大致可劃分為750kV、500kV、330kV、220kV、110kV、66kV六個電壓等級；中壓類指3kV35kV的MOA，大致可劃分為3kV、6kV、10kV、35kV四個電壓等級；低壓類指3kV以下的MOA，大致可劃分為1kV、0.5kV、0.38kV、0.22kV四個電壓等級。金屬氧化物避雷器的分類按用途分類a.系統(tǒng)用線路型避雷

8、器；b.系統(tǒng)用電站型避雷器；c.系統(tǒng)用配電型避雷器；d.并聯(lián)補償電容器組保護型避雷器；e.電氣化鐵道型避雷器；f.電動機及電動機中性點型避雷器；g.變壓器中性點型避雷器；h.特種避雷器；i.線路懸掛式避雷器按外套材料分類a瓷外套型:瓷外套MOA按耐污穢性能分為四個等級，I級為普通型、II級為用于中等污穢地區(qū)（爬電比距20mm/ kV）、III級為用于重污穢地區(qū)（爬電比距25mm/kV）、IIII級為用于特重污穢地區(qū)（爬電比距31mm/kV）。b復(fù)合外套型:復(fù)合外套MOA是用復(fù)合硅橡膠材料做外套，并選用高性能的氧化鋅電阻片，內(nèi)部采用特殊結(jié)構(gòu)，用先進工藝方法裝配而成，具有硅橡膠材料和氧化鋅電阻片的

9、雙重優(yōu)點。 C罐式:由MOV、均壓罩、外殼、放電計數(shù)器以及絕緣盆和電聯(lián)接器等部分組成，主要應(yīng)用于GIS電站中。 按結(jié)構(gòu)性能分類MOA可分為：A.無間隙（W），包括單柱、多柱；b.帶串聯(lián)間隙（c）；c.帶并聯(lián)間隙（B）。 但應(yīng)注意：多柱電阻片并聯(lián)可以顯著提高避雷器的能量吸收能力和降低殘壓，但需嚴格控制多柱間的電流分布和徑向電場。 對于不同電壓等級的避雷器，需按參數(shù)要求，采取多片電阻片串聯(lián)結(jié)構(gòu)，對于220kV及以上的避雷器，必須嚴格控制電阻片柱軸向電位分布。 實際應(yīng)用中，電阻片可能會采取電阻片的串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)。（1）無間隙避雷器標稱放電電流額定電壓持續(xù)運行電壓和持續(xù)運行電流工頻電壓耐受時間沖擊保護水

10、平參考電流和參考電壓壓比荷電率通流容量外絕緣水平金屬氧化物避雷器的主要電氣性能參數(shù)（2）有間隙金屬氧化物避雷器 避雷器的額定電壓選擇越高，自身負荷越輕，可靠性越高，但在電阻片V-A特性一定的前提下，與避雷器的保護特性構(gòu)成了一對制約矛盾。為了解決這一矛盾，滿足系統(tǒng)工況要求，可采取MOV與放電間隙串聯(lián)的有間隙避雷器結(jié)構(gòu)。如：在配電網(wǎng)中，絕緣配合確定的內(nèi)過電壓水平為4p.u.,出現(xiàn)持續(xù)時間長,幅值4p.u.的內(nèi)過電壓時，可能會導(dǎo)致無間隙MOA動作,泄放過電壓能量。這是無間隙MOA與碳化硅閥式避雷器在限制過電壓時的本質(zhì)區(qū)別。由于避雷器自身所具有的工頻時間耐受特性決定了它不能耐受配電網(wǎng)中出現(xiàn)的這種高幅值

11、、長時間的內(nèi)過電壓,因此。借助串聯(lián)間隙將避雷器的動作門檻抬高, 躲過出現(xiàn)的內(nèi)過電壓。有間隙金屬氧化物避雷器分為： 串聯(lián)間隙和并聯(lián)間隙兩種 （a）帶串聯(lián)間隙的MOA （b）帶并聯(lián)間隙MOA 有間隙金屬氧化物的主要電氣性能參數(shù)避雷器滅弧電壓 保證避雷器泄放過電壓能量后，工頻過電壓下可靠滅弧的最低電壓值；也稱為額定電壓。工頻放電電壓標準雷電沖擊放電電壓陡波雷電沖擊放電電壓必要時：還需要確定操作沖擊放電電壓標準雷電沖擊殘壓標準操作沖擊殘壓通流容量外絕緣水平持續(xù)運行下的電導(dǎo)電流、泄漏電流 除此之外，避雷器的機械性能、防爆性能 、防污性能、熱穩(wěn)定性能等也是反映避雷器性能的參數(shù)內(nèi)容。（1）國內(nèi)外金屬氧化物避

12、雷器的應(yīng)用（2）金屬氧化物的運行情況（3）金屬氧化物的發(fā)展前景4.1.2金屬氧化物避雷器的應(yīng)用3.1國內(nèi)外金屬氧化物避雷器的應(yīng)用 金屬氧化物避雷器，由于其優(yōu)異的非線性、大的通流能力和持久的抗老化，一出現(xiàn)就迅速得到了廣泛應(yīng)用。如美國、前蘇聯(lián)、英國、法國、日本等，MOA已基本取代了傳統(tǒng)碳化硅閥式避雷器，MOA已成功地應(yīng)用在3kV1150kV各級交、直電力系統(tǒng)，俄羅斯還開發(fā)、研究了1800kV特高壓MOA。 我國的金屬氧化物避雷器在引進日本日立配方、工藝和設(shè)計技術(shù)基礎(chǔ)上，經(jīng)過20多年的研究、改進，制造技術(shù)也有了長足進步，性能參數(shù)已達到了世界先進水平，完全實現(xiàn)了交、直流避雷器的國產(chǎn)化，現(xiàn)已有數(shù)萬相11

13、0kV以上高壓、超高壓交流MOA和數(shù)百臺直流高壓MOA在運行，國產(chǎn)避雷器的占有率大于78% ，MOA的占有率高于82%，電壓等級覆蓋3kV-750kV，產(chǎn)品出口多個國家和地區(qū)。 國家發(fā)改委明確聲明：我國的MOA生產(chǎn)技術(shù)完全滿足我國3kV-1000kV交流系統(tǒng)過電壓保護的要求，完全可以取代進口。 MOA應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，除了常規(guī)的電站型、線路型、配電型MOA外，還大量開發(fā)了懸掛式線路用MOA、大容量旋轉(zhuǎn)電機MOA、變壓器匝間絕緣油浸式MOR、阻波器MOA、大容量電容器組用MOA、避雷絕緣子、罐式GIS用MOA等交流專用設(shè)備MOA及保護各種整流、換流設(shè)備的高壓直流MOA避雷器等。輸電線路用懸掛式避

14、雷器的作用 由于輸電線路雷擊事故率高。據(jù)統(tǒng)計：高壓線路運行的總跳閘次數(shù)中，由于雷擊事故的次數(shù)約占（5070）。尤其是在多雷、土壤電阻率高、地形復(fù)雜的山區(qū)，雷擊輸電線路而引起的事故率更高，通常需要增加絕緣子片數(shù)、加大空氣間隙距離等。在超高壓線路中，當(dāng)線路上的操作過電壓較高時，通常需要在斷路器上裝設(shè)合閘電阻進行限制。線路上采用線路用懸掛式避雷器可以有效地限制線路上的操作過電壓、取消合閘電阻，防止絕緣子串閃絡(luò)，降低線路跳閘率。懸掛式線路避雷器的應(yīng)用懸掛式線路避雷器的主要應(yīng)用場合（1）應(yīng)用在雷電活動較強的地區(qū)或某些降低接地電阻有困難以及對防雷有特殊要求（如過江塔）的局部線段，與絕緣子串并聯(lián)，例如：日本

15、在66kV500kV輸電線路中投運了線路型復(fù)合外套有串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器；美國GE公司、AEP公司在1982年將138kV線路型復(fù)合外套金屬氧化物避雷器投運到5個試驗線段的25級桿塔上。（2）沿線裝設(shè)線路避雷器，用來限制沿線的操作過電壓。例如：前蘇聯(lián)開發(fā)了110kV1150kV復(fù)合外套金屬氧化物避雷器；ABB公司研發(fā)的66kV800kV線路避雷器都是用于限制操作過電壓；國內(nèi)開發(fā)的500kV線路避雷器，應(yīng)用在廣東惠汕500kV輸電線路上，取消了合閘電阻，僅靠線路懸掛式避雷器來限制系統(tǒng)操作過電壓。線路懸掛式避雷器主要有兩種結(jié)構(gòu)類型（1）復(fù)合外套無間隙避雷器；（2）外部串聯(lián)間隙避雷器 。 420

16、kV避雷器230kV避雷器69kV避雷器3.2金屬氧化物的運行情況 自20世紀80年代至今，金屬氧化物避雷器經(jīng)過二十多年的實際運行驗證，除對雷電過電壓有限制作用外，對大部分操作過電壓有明顯的保護效果，大幅度地降低了設(shè)備絕緣投資費用和電力運行費用。 在我國MOA自八十年代后期至今已有數(shù)萬相110kV以上高壓、超高壓交流MOA和數(shù)百臺直流高壓MOA在運行，電壓等級覆蓋3kV-750kV。由原水電部、機械部兩部組織的110kV及以上MOA運行情況調(diào)查結(jié)果表明：MOA的保護效果和統(tǒng)計事故率明顯低于傳統(tǒng)的閥式避雷器，國產(chǎn)MOA事故率低于進口產(chǎn)品。 我國750kV示范工程，也是采用國產(chǎn)的無間隙金屬氧化物避

17、雷器作為操作過電壓、雷電過電壓的主保護，并以此將操作過電壓水平限制在1.8p.u.，雷電過電壓水平限制在1380kV，保證了750kV電氣設(shè)備的絕緣配合。國內(nèi)外主要MOA產(chǎn)品應(yīng)用情況 3.3金屬氧化物的發(fā)展前景 目前金屬氧化物避雷器的設(shè)計、制造技術(shù)水平已得到了迅速提高，但我國的ZnO電阻片制造技術(shù)與世界先進國家相比還存在顯著距離。隨著電力系統(tǒng)對電能質(zhì)量要求的不斷提高，需要吸收容量更大、保護殘壓更低、自身可靠性更高的避雷器產(chǎn)品，因此還需在以下方面進行深入研究：（1）高梯度、大容量ZnO電阻片的研制；（2）提高ZnO電阻片生產(chǎn)的均一性、穩(wěn)定性和全 過程合格率；（3）大容量串補電容器組用MOA；（4

18、）阻波器用MOA；（5）油中電容器極間；（6）變壓器類設(shè)備繞組匝間用MOA；（7）帶有可靠故障脫離功能的線路懸掛式MOA；（8）絕緣子式（9）超高壓、特高壓小型化GIS專用避雷器。4.2 避雷器的故障特點與診斷內(nèi)容47 隨著氧化鋅避雷器在電力系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用，大大地提高了電力系統(tǒng)的安全性。產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益。經(jīng)過現(xiàn)場的運行表明：由于目前采用的氧化鋅避雷器大多不帶有任何間隙, 這樣氧化鋅閥片長期直接承受工頻電壓, 運行期間總有電流流過閥片, 另外再加上沖擊電壓及內(nèi)部受潮等因素的作用，會引起避雷器閥片老化、阻性泄漏電流增加和功耗加劇, 導(dǎo)致避雷器閥片溫度升高直至發(fā)生熱崩潰, 從而引發(fā)電力系統(tǒng)事故。

19、因此，對氧化鋅避雷器的阻性泄漏電流進行長期的在線監(jiān)測是保證其安全運行的重要手段。 4.3 監(jiān)測總泄漏電流Ix 48由于MOA的泄漏電流的容性分量基本不變,因此可以簡單地認為其總電流I x 的增加能在一定程度上反映其阻性分量電流的增長情況,測量總泄漏電流可以在避雷器放電記錄器兩端并聯(lián)微安表(見圖) ,流過微安表的電流約為避雷器的總泄漏電流。49質(zhì)量好的MOA，早期的事故較少，要有問題往往是受潮等引起的，這時以在線監(jiān)測通過MOA的全電流的方法最為簡便。一般認為當(dāng)全電流比過去增加12倍時，MOA已達到危險的邊緣。但全電流法對于發(fā)現(xiàn)MOA的早期老化很不靈敏。因為早期老化反映在阻性電流的顯著增大，而由于

20、阻性電流在全電流中只占很小的比例，因此測量全電流時變化并不會很明顯。4.4 諧波法測量阻性電流50零序電流法接線圖51 三相MOA，通常都是相同型號且同批生產(chǎn)的。各項性能應(yīng)當(dāng)基本一致。 如果三相電壓平衡、不含諧波分量，且三相MOA的電容及非線性電阻相同，三相電流中的基波分量互相抵消，接地線中只剩下三次諧波零序電流I0 ，它等于各相三次諧波阻性電流之和，即I0 = 3 Ir3 。三次諧波阻性電流隨阻性電流的增加而增加,并且總的阻性電流與三次諧波分量之間成一定的比例關(guān)系。在線檢測中，MOA 正常工作時的I r3數(shù)值較小，當(dāng)一相或者三相避雷器出現(xiàn)問題時，三相電流不平衡, I0 增大，且含有基波成份,

21、因此能發(fā)現(xiàn)故障。52 此方法簡便，缺點是I0 有變化時不易判斷出是那一相出現(xiàn)異常。另外，系統(tǒng)電壓中若含有諧波分量，則電容電流也將含有三次諧波Ir3 ，與Ir3疊加后將使測量到的I0比實際阻性電流的三次諧波分量增大很多，造成錯覺。4.5 補償法測量阻性電流53 金屬氧化物避雷器閥片的劣化或老化反映為阻性電流增大，因此直接測量阻性電流能反映金屬氧化物避雷器的健康狀況。補償?shù)脑砭褪浅槿∠到y(tǒng)電壓補償總泄漏電流中的容性電流分量，以得到阻性電流分量。 容性電流超前系統(tǒng)電壓90，因此將系統(tǒng)電壓前移90并反相將容性電流補償?shù)?。補償法監(jiān)測MOA阻性電流原理圖 用CT從MOA的引下線處取得電流信號I0，再從分壓

22、器或者PT取得電壓信號Us。后者經(jīng)移相器前移90后得到Us0（以便與I0中的電容電流分量同相），再經(jīng)可控增益放大后與I0一起送入差分放大器。在差分放大器中，將GUs0與I0相減；由乘法器組成自動反饋跟蹤，以控制放大器的增益G使同相的（ICGUs0）的差值降為零，即I0中的容性分量全部被補償?shù)簦皇Ｏ碌膬H為阻性分量IR。再根據(jù)Us及IR可以獲得MOA的功率損耗P。補償法的優(yōu)點采用上述原理進行接線，對MOA進行在線監(jiān)測比較方便實用，因為它是采用CT取樣的，不必斷開原有接地線，而且不需要人工調(diào)節(jié)，自動補償，能夠直讀IR和P。補償法的缺點三相運行時存在以下問題：1） 三相避雷器一字型安裝，由于相間耦合電

23、容和電磁干擾，使各相避雷器除受本相電壓作用外，還通過相間耦合受到相鄰相電壓的作用，從而影響監(jiān)測結(jié)果的準確性；2） 當(dāng)電網(wǎng)電壓含有較大諧波成分時，此法不能去除容性諧波電流，造成阻性諧波電流誤差；3）PT本身存在角差，無法完全補償?shù)羧菪噪娙?，影響測量結(jié)果。三相MOA成直線排列時，相間耦合示意圖補償法的缺點相間耦合 A相、B相間存在著耦合電容Cab，B相、C相間存在著耦合電容Cbc。A、C兩相距離比較遠，認為相互之間沒有耦合電容。補償法的缺點相間耦合（續(xù)）在測量邊相A相底部的電流時，主要是A相外施電壓Ua經(jīng)A相MOA所引起的容性分量IAc及阻性分量IAr；另外還有臨相B相與A相間的雜散電容Cab所引

24、起的容性干擾電流Ib（C相距離A相較遠，其影響忽略）。畫出相量圖如下所示。A相“視在”阻性電流增大補償法的缺點相間耦合（續(xù)）對C、B兩相阻性電流的影響C相“視在”阻性電流減小B相“視在”阻性電流基本不變C相B相補償法的缺點相間耦合（續(xù)）解決思路A相A相多轉(zhuǎn)一個角度C相少轉(zhuǎn)一個角度補償法的缺點電網(wǎng)電壓存在較大諧波施加在MOA上的電壓含有諧波：流過MOA的容性電流為：流過MOA的阻性電流為：本身的非線性引起的電網(wǎng)諧波電壓引起的4.5 諧波分析法監(jiān)測阻性電流64 基次諧波分析法的主要依據(jù)是:在正弦波電壓作用下，MOA 的阻性電流中只有基波電流作功產(chǎn)生功耗；另外，無論諧波電壓如何，阻性基波電流都是一個定值。因此全電流經(jīng)數(shù)字諧波分析，提取基波進行阻性電流分解,就可以得到阻性電流的基波，根據(jù)阻性電流基波所占比例的變化來判斷MOA 的工作狀態(tài)。65 基次諧波分析法可以監(jiān)測阻性電流基波的變化，但實際運行經(jīng)驗和實驗結(jié)果表明，阻性電流的高次諧波在一些情況下能靈敏地反映MOA 的狀態(tài)。 MOA閥片的老化，導(dǎo)致其非線性特性變差，主要表現(xiàn)在系統(tǒng)正常運行電壓下阻性電流高次諧波分量顯著增大，而阻性電流基波分量相對增加較少；MOA閥片的受潮，主要