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摘要：氧化锌避雷器具有良好的伏安特性，可不利用串联间隙进行隔离，提高了对波头冲击的反应速度，放电无延迟，过电压限制效果很好，可降低对电力设备绝缘水平的要求。并且由于无续流，动作后通过的能量很小，特别适用于短时内可能重复发生的重复雷击、操作波等的过电压保护。目前氧化锌避雷器已广泛应用于不同电压等级的电力系统中。但由于其自身制造上的原因，或外部恶劣气候条件的影响，多次发生氧化锌避雷器爆炸现象，严重威胁电网的安全可靠运行，由于常规停电试验已不能满足对氧化锌避雷器运行状况判断的需求，对其运行状态进行在线监测势在必行。
关键词：氧化锌避雷器；过电压；带电监测；
1 概述
对运行中金属氧化物避雷器(MOA)的工作状况进行监测，准确判断其老化程度，是运行部门十分关心的问题[1]。MOA老化程度的加大通常伴随电阻片泄漏电流中的阻性电流的逐渐增大。由于MOA没有放电间隙，氧化锌电阻片长期承受运行电压，泄漏电流将流过MOA各个串联电阻片。该电流的大小取决于MOA热稳定和电阻片的老化程度，若MOA在动作负载下发生劣化，将造成其正常对地绝缘水平降低，泄漏电流增大，直至发展成为MOA的击穿损坏。因此，把工作电压下MOA阻性电流测量是监测MOA工作状况的一种重要手段，《电气设预防性试验规程》规定，必须对运行中的MOA进行严格有效的检测和定期预防性试验，由于MOA预试必须停运主设备，将降低设备的运行可靠性，且有时因运行方式的限制无法停运主设备，导致避雷器无法按时预试，因此MOA的带电测试与在线监测将非常必要。
2 金属氧化物避雷器简介
2.1 金属氧化物避雷器
金属氧化物避雷器(MOA)，又称为氧化锌避雷器，是一种与传统避雷器有很大不同的新型避雷器[2]，从80年代中期开始，已批量生产并在电力系统中得到推广应用。
MOA与其他传统避雷器的区别在于：其他类型避雷器，从羊角间隙到FCZ磁吹式避雷器，其内部空气间隙起着十分重要的作用，正常运行时靠间隙将阀片与电源隔开，出现过电压间隙才被击穿，阀片放电泄流。而氧化锌避雷器是用氧化锌阀片叠装而成，可完全取消间隙，解决了因间隙放电时限及放电稳定性所引起的各种问题。由于氧化锌阀片具有良好的非线性特性，其避雷性能得到了有效提升。
氧化锌阀片是以氧化锌为主并掺以Sb、Bi、Mn、Cr等金属氧化物烧制而成，氧化锌电阻率为1～10Ω/cm，晶界层电阻率为1013～1014Ω/cm。施加较低电压时，晶界层近似绝缘，电压几乎都加在晶界层上，流过避雷器的电流只有微安级；电压升高时，晶界层由高阻变低阻，流过的电流急剧增大[3]。
在正常电压下，如不采用串联间隙，普通SiC阀式避雷器电流为几十安及数百安培，而流过氧化锌避雷器上的电流只有数百微安至1mA，二者相差几十万倍[4]。
避雷器的主要作用是限制过电压，一方面它在大电流下的残压必须被限制在被保护设备的绝缘水平以下，并留有一定裕度。另一方面，在过电压能量释放后，避雷器需及时恢复正常的高绝缘状态。传统阀型避雷器由于碳化硅阀片的非线性特性不佳，间隙将必不可少。而氧化锌避雷器的氧化锌电阻片具有极其优异的非线性特性，正常工作电压下的电阻值很大，泄漏电流很小；过电压情况下其电阻值又很小，过电压能量释放后即可恢复为高阻值状态，无工频续流，因此可不采用串联间隙接入到系统中。
2.2 氧化锌避雷器的优点
(1) 无间隙。施加工作电压时，氧化锌阀片相当于一个绝缘体，可不采用串联间隙来隔离工作电压。由于无间隙，可迅速响应陡波头的冲击波，放电无延迟，限制过电压效果很好。既提高了对电力设备保护的可靠性，又降低了作用于电力设备上的过电压，降低了对电力设备绝缘水平的要求[5]。
(2) 无续流。氧化锌阀片上的残压与其流过的电流大小基本无关，基本为一定值。当作用电压降低至动作电压以下时，氧化锌阀片导通状态终止，又相当于一个绝缘体。因此不存在工频续流，由于无续流，动作后通过的能量很小，对重复雷击、操作波等短时间可能重复发生的过电压保护特别适用。按单位体积计算，其通流容量比碳化硅阀片约大4倍。
(3) 体积小、质量小、结构简单、运行维护方便。正是由于氧化锌避雷器的这些优点，世界上许多国家都在致力于其研制和推广。目前我国研制的500kV氧化锌避雷器已通过技术鉴定，并投入了实际运行。
2.3 氧化锌避雷器实际应用中存在的问题
由于MOA不带间隙，一旦接入电网就有电流通过，造成元件自身发热，工作电压越高则发热量越大。由于MOA阀片在小电流范围内呈现负温度特性，温度升高将造成泄漏电流增大，再加上操作、雷电、暂时过电压等冲击能量和表面污秽，将导致MOA发生热崩溃。MOV运行中的爆炸事故时有发生，具体可能原因如下：
(1) 中性点不接地系统发生单相接地时，非故障相对地电压升高为线电压，即使避雷器所承受的电压小于其工频放电电压，在持续时间较长的过电压作用下可能会引起爆炸；
(2) 电力系统发生的铁磁谐振过电压，造成避雷器放电，烧坏其内部元件而引起爆炸；
(3) 由于其本身火花间隙灭弧性能差，当间隙承受不住恢复电压而击穿时，电弧将重燃，工频续流将再度出现，引起避雷器爆炸；若避雷器阀片电阻不合格，残压虽然降低，但续流却增大，间隙不能灭弧而引起爆炸；
(4) 避雷器密封垫圈与水泥接合处松动或有裂纹，密封不良而引起爆炸。
3 带电测试方法介绍
带电测试主要是在运行电压下对氧化锌的全电流、阻性电流、容性电流进行测量。正常情况下，流过避雷器的主要电流为容性电流，阻性电流只占很小一部分，约为10％-20％左右。但当阀片老化、避雷器受潮、内部绝缘部件受损以及表面严重污秽时，容性电流变化不大，而阻性电流却大大增加。根据阻性电流和容性电流有90度的相差，以及阻性电流中包含有三次和高次谐波的特点，目前常采用三次谐波法、同期整流法、常规补偿法和非常规补偿法等监测方法，并研制出一些在线监视仪器。国内外的MOA泄漏电流测量仪按其工作原理最常用的有如下两种[6]。
3.1 电流补偿法
MOA中氧化锌电阻片的等值电路一般可表示为非线性电阻与电容的并联，流经电阻片的总电流可分为阻性电流和容性电流两部分，导致电阻片发热的为阻性电流分量。有效监视电阻片的老化情况的依据是监测泄漏电流中的有功分量-阻性电流的变化。可利用外加容性电流补偿泄漏电流中的无功分量-容性电流，保留阻性电流。补偿法最大的优点是测量结果基本不受高次谐波的影响，精度较高。
3.2 谐波分析法
由于MOA等值回路中的电阻呈非线性，其工作电压为工频正弦波时，其阻性电流不但含有基波，还含有三次、五次或更高次谐波，以三次谐波为主，而容性电流只含有基波，不含谐波分量，总电流谐波含量即是阻性电流的谐波含量。因此通过测量MOA总电流中的谐波分量（主要是三次谐波的峰值），根据它与阻性电流峰值的函数关系，可间接得到阻性电流峰值。由于谐波法只需测取MOA的总电流，无需测取参考电压，仪器使用比较方便。但谐波法对MOA两端电压波形要求较高，电压中谐波含量对测量结果影响很大。且由于不同的MOA具有不同特性，阻性电流与其谐波含量的函数关系不完全相同，测量不同类型的MOA需要进行修正，限制了相关仪器的通用性。
由此可见，只有在电压波形较好的情况下，谐波法测得的MOA阻性电流与补偿法的测量结果基本一致，可进行横向比较。而在电压波形畸变，三次谐波含量较大的情况下，谐波法只能局限于同一产品同一试验条件下的纵向比较。
4 氧化锌避雷器现场带电测试方法
4.1 原理
MOA可简化等效为一个可变电阻和一个不变电容并联，在运行电压作用下，其氧化锌电阻片会逐渐老化，也可能由于密封失效受潮，导致阻性电流增大，因此通过测量MOA阻性电流的变化，就可掌握MOA的运行状况。MOA带电测试是通过专用的阻性电流测量仪获得MOA运行时的全电流IX，以MOA端电压U为基准向量，通过比较IX与U的相位，将IX中阻性分量IR与容性分量IC分离，根据阻性分量IR的变化来判断MOA的运行状况。现场测量接线图如图1所示，将试验设备的电流回路并联于MOA泄漏电流监控仪两端，因监控仪内阻较大，故可不计分流，即可获得MOA的全电流。以PT二次电压为参考相量，将试验设备电压回路并联接到被测相母线PT二次电压端子上，可获得母线电压的相位。
图1 MOA带电测试接线
对于新投运的MOA，其阻性电流IR应小于等于全电流IX的25%，若测量的阻性电流与初始值比较有明显变化时，应加强监测；当阻性电流增加一倍时，应停电检查。对阻性电流明显超标的，必须及时退出MOV并予以更换。
4.2 避雷器带电测试的角度校正
以PT二次电压为参考相量时，用本相PT二次电压测量本相的MOA电流，不存在相间干扰，补偿角度Φ0=0。存在相间干扰时，可对A/C相设置补偿角度，例如考虑B相对A/C相的干扰，若测量出Ic超前Ia的角度为Φca，则A/C相分别补偿： 
， ，而Φ0b=0。Φca的测量方法是：选择B相电压为参考，先输入C相电流，再输入A相电流，将两次相角相减即可（结果为负时应加360°）。再用本相PT二次电压测量本相MOA电流，并置入上述补偿角度。某变电所MOA带电测试角度校正前后的数据如表1所示。
从表1数据可以看出，角度校正前后数据有明显的差别，角度校正对判断MOA运行状况非常重要。
4.3 影响避雷器泄漏电流测试的因素分析
(1) 电压谐波含量的影响。实践证明，谐波电压将从幅值和相位两方面影响MOA阻性电流的测量。不同的电压谐波状况将造成差异很大的测量。阻性电流基波峰值基本不受谐波分量的影响，因此建议现场判定MOA的运行状况时应以阻性电流基波峰值为准。采用谐波法原理的泄漏电流测量仪对MOA两端电压波形要求较高，电压中的谐波成分对测量结果影响很大，如三次谐波含量超过0.5%将造成测量结果出现很大的误差。电压波形畸变且三次谐波含量较大的情况下，谐波法只能局限于同一产品同一试验条件下的纵向比较。
(2) 两端电压波动的影响。系统电压的变化对MOA泄漏电流影响很大。实践经验表明：MOA两端电压由相电压(63kV)向上波动5%时，其阻性电流一般增加13%左右。因此在对MOA泄漏电流进行横向或纵向比较时，应详细记录MOA两端电压值，据此正确判定MOA的运行状况。
(3) 外表面污秽的影响
MOA外表面的污秽，不仅影响电阻片柱的电压分布，同时将造成其内部泄漏电流的增加，而外表面泄漏电流将对测试精度造成影响。由于MOA阻性电流较小，即使较小的外表面泄漏电流也会给测试结果带来误差。
(4) 温度对MOA泄漏电流的影响
由于MOA的氧化锌电阻片在小电流区域具有负温度系数，且MOA内部空间较小，散热条件较差，有功损耗产生的热量会使电阻片的温度高于环境温度。这些因素都将造成MOA阻性电流增大，电阻片温度从+20℃变化至+60℃时，阻性电流将增加79%，实际运行过程中MOA电阻片温度变化范围较大，造成阻性电流变化范围加大。
(5) 湿度的影响
湿度较大时，不仅造成MOA瓷套泄漏电流增大，也导致芯体电流明显增大，尤其是雨雪天气，MOA芯体电流将可增大1倍左右，瓷套电流增大数十倍。主要原因是MOA存在自身电容和对地电容，MOA芯体对瓷套、法兰、导线的电容，当湿度变化时，瓷套表面的物理状态发生变化，瓷套表面和MOA内部阀片的电位分布也发生变化，泄漏电流也随之变化。
(6) 三相MOA的相互影响
由于运行中三相MOA呈一字形排列，由于杂散电容的影响，两边相MOA底部的总电流相位将发生变化，其大小与MOA的安装位置有关，MOA相间距离越近时影响越大，一般两边相MOA底部总电流相位变化3°左右。在运行电压下，MOA底部总电流的相角每变化1°，则阻性电流基波数值变化15%左右。在实际测量中应考虑这一因素的影响。
(7) 测试点电磁场的影响
测试点电磁场较强时，会影响到电压U与总电流IX的夹角，从而给阻性电流峰值测量造成误差，对正确判断MOA的运行状况带来不利影响。
5 结论与建议
对新投运的110kV以上MOA，在投运初期，应每月带电测量一次运行电压下的泄漏电流，三个月后改为半年一次。有条件的尽可能安装在线监测仪，以便在巡视时观察运行状况，防止泄漏电流的增大。不同生产厂家同一电压等级的MOA在同一运行电压下测得的泄漏电流值差别很大，不应使用泄漏电流的绝对值作为判定MOA运行状况的依据，而应与前几次测得的数据作纵向比较，三相之间作横向比较。
电压升高、温度升高、湿度增大，污秽严重都会引起MOA总电流、阻性电流和功率损耗的增大，需引起重视。谐波含量偏大时，会使测得的阻性电流峰值不真实，而阻性电流基波值比较稳定，因此在谐波含量较大时，应以测得的阻性电流基波值为准。建议测量MOA阻性电流的单位根据现场和仪器的条件，加强对影响测试精度因素的分析，正确判断MOA运行状况，提高运行可靠性。在带电测试时，对发现异常的MOA，在排除各种因素的干扰后，若仍存在问题，建议停电作直流试验，测取直流参考电压及75%直流参考电压下的泄漏电流，以确诊MOA是否出现问题。确认MOA后应及时与制造厂联系，以便妥善处理。
参考文献
[1] 水利电力部. 电气设备交接和预防性试验规程[M]. 北京: 中国工业出版社, 1962.
[2] 李建明, 朱康. 高压电气设备试验方法[M]. 北京: 中国电力出版社, 2001.
[3] 张保宁. 浅谈氧化锌避雷器带电测试[J]. 电子世界, 2014(7):115-115.
[4] 山西省电力工业局. 电气试验 (高级工)[M]. 北京: 中国电力出版社, 1997.
[5] 江苏省电力工业局. 电气试验技能培训教材[M]. 北京: 中国电力出版社, 1998.
[6] 陈化钢. 电力设备预防性试验方法及诊断技术[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2009.
作者简介
徐彬(1978-), 男, 本科，工程师，现从事变电试验管理工作。
吴荣峰(1989-), 男, 本科，助理工程师，现从事变电试验工作。
范胜国(1982-), 男, 本科，工程师，现从事变电运维管理工作。
论文作者:徐彬,吴荣峰,范胜国
论文发表刊物:《电力设备》2016年第14期
论文发表时间:2016/10/12
标签：电流论文; 避雷器论文; 电压论文; 谐波论文; 氧化锌论文; 过电压论文; 电阻论文; 《电力设备》2016年第14期论文;