電力設(shè)備絕緣在線監(jiān)測實驗論文金屬氧化物避雷器的在線監(jiān)測和絕緣診斷

1、西安交通大學高電壓技術(shù)教研室 電力設(shè)備絕緣在線監(jiān)測實驗論文 金屬氧化物避雷器的在線監(jiān)測和絕緣診斷 姓名： 班級：電氣89 學號： 2011/12/03金屬氧化物避雷器的在線監(jiān)測和絕緣診斷摘 要金屬氧化物避雷器（moa）已廣泛應(yīng)用于變電站、gis等各個領(lǐng)域，成為世界上避雷器發(fā)展的主要方向。但是，由于目前采用的金屬氧化物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。因此，對金屬氧化物避雷器的絕緣狀

2、況進行長期的在線監(jiān)測是保證其安全運行的重要手段，目前電力部門主要通過監(jiān)測moa阻性泄露電流來判斷其絕緣狀況。本文詳細介紹了氧化鋅閥片（mov）的特性以及金屬氧化物避雷器的工作機理，對moa的故障特點和診斷內(nèi)容加以分析，提出了幾種監(jiān)測其阻性泄露電流的方法，最后對實驗室提供的金屬氧化物避雷器依照“電力設(shè)備預防性試驗規(guī)程”進行了絕緣診斷。關(guān)鍵詞：金屬氧化物避雷器，mov ，絕緣診斷，在線監(jiān)測0引言20世紀70年代至80年代間，一種新型的、無間隙的以氧化鋅為閥片原料的金屬氧化物避雷器（moa）問世。與由放電間隙和碳化硅發(fā)片電阻構(gòu)成的傳統(tǒng)避雷器相比，moa具有優(yōu)越的保護性能，如無續(xù)流、動作負載輕、耐重復

3、動作能力強、通流容量大等；并且性能穩(wěn)定、抗老化能力強、能適應(yīng)嚴重污染和高海拔地區(qū)以及gis等多種特殊需要；適于大批量生產(chǎn)，成本低。金屬氧化物避雷器（moa）已廣泛應(yīng)用于變電站、gis等各個領(lǐng)域，成為世界上避雷器發(fā)展的主要方向。但是，經(jīng)過現(xiàn)場的運行表明：由于目前采用的金屬氧化物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。因此，對金屬氧化物避雷器的絕緣狀況進行長期的在線監(jiān)測是保證其安全運行的重要

4、手段，目前電力部門主要通過監(jiān)測moa阻性泄露電流來判斷其絕緣狀況，本文主要研究內(nèi)容即是moa阻性泄露電流的監(jiān)測。1 moa電阻片1.1 mov的微觀結(jié)構(gòu)貼片壓敏電阻片（mov）是金屬氧化物避雷器（moa）的主要工作部件。由于其具有非線性伏安特性，在過電壓時呈低電阻，從而限制避雷器端子間的電壓，而在正常工頻電壓下呈現(xiàn)高電阻，使得金屬氧化物避雷器（moa）具有優(yōu)越的保護性能。20世紀70年代末，國內(nèi)、外專家、學者借鑒了壓敏電阻在其他領(lǐng)域的應(yīng)用，對氧化鋅及添加劑材料、zno電阻片制造工藝進行了潛心分析、研究，制成了以氧化鋅為主要原料添加少量的三氧化二鉍、氧化鈷、三氧化二鉻、二氧化錳、三氧化二銻等多種

5、微量金屬氧化物添加劑,經(jīng)過混料、造粒、含水、沉浮、成型，并按嚴格的溫度曲線排膠、燒結(jié)、熱處理和涂布、燒結(jié)、涂刷側(cè)面高阻層釉等十幾道復雜工藝流程過程的貼片壓敏電阻（mov）。moa 閥片的主要成分是zno，還摻有bi2o3、co2o3、mno2、sb2o3 等其它金屬氧化物，moa的非線性特性主要是由晶界層形成的，在低電場強度下其電阻率為1010m1011m,而當電場強度達到106107v/m時，其電阻率驟然下降進入低電阻狀態(tài)。這種閥片具有極好的非線性保護特性。晶界層的相對介電常數(shù)可達5002000，使閥片具有相當大的電容量，因而在運行中流過閥片的電流主要是電容電流。圖11 moa閥片的微觀結(jié)構(gòu)

6、1-zno晶粒 2-晶界層 3-尖晶石晶粒1.2 mov的物理模型 mov在低電壓下具有很強的電介質(zhì)特性，而在高電壓下具有極強的導體特性，屬于半導體陶瓷性電阻。它的物理模型是一個復雜的非線性電阻、電容、電感元件的混聯(lián)電路，并且這些元件參數(shù)值均與作用電壓、電流、波形、溫度等多種因素有關(guān)，準確地反映這一物理模型目前仍是一個艱巨的理論課題。近幾年的研究表明：在極陡的電流波作用下，mov的v-a特性曲線上會出現(xiàn)幅值為5%15%、持續(xù)時間為幾納秒幾十納秒的殘壓過沖，過沖幅值和持續(xù)時間與作用電流的陡度、幅值、時間有關(guān)。這一現(xiàn)象說明了mov在快速的陡波頭電流沖擊下具有明顯的電感效應(yīng)。通常柱式避雷器電感量約為

7、1h/m,gis罐式避雷器電感量約為0.33h/m。ieee工作組提出了適用于沖擊電流波頭時間在0.5s45s范圍的zno電阻片模型電路，經(jīng)驗證，這種模型電路與實際測試結(jié)果比較吻合，產(chǎn)生的最大誤差4.5%。 mov傳統(tǒng)宏觀的物理模型該模型適用于波頭較緩的沖擊電流波作用下 圖12 mov的傳統(tǒng)物理模型r1晶粒呈現(xiàn)的弱非線性電阻 r2結(jié)晶界層呈現(xiàn)的極強的非線性電阻 c低電壓呈現(xiàn)的電介質(zhì)特性ieee推薦的mov物理模型 該模型適用于波頭較陡的沖擊電流波作用下 圖13 ieee推薦的mov物理模型1.3 mov的v-a特性 圖14 mov的伏安特性曲線依據(jù)mov典型的伏安特性曲線，可擬合出v-a特性滿

8、足函數(shù)： u=ci 式中：c、對不同的電場區(qū)、不同的波形，不同的溫度區(qū)有不同的值。在定性分析時，通常將曲線分為三個區(qū)段:1小電流區(qū)段；2擊穿區(qū)段，也叫工作區(qū)段；3翻轉(zhuǎn)區(qū)段。1.4 mov的綜合特性金屬氧化物電阻片具有極其優(yōu)異的非線性伏安特性，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?。╝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。同傳統(tǒng)避雷器使用的碳化硅（sic）電阻片相比，mov具有優(yōu)越的性能，歸納起來

9、：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。 圖15mov和sic伏安特性比較 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；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

10、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，受潮后電阻值下降且很難經(jīng)處理后完全恢復。mov性能受溫度應(yīng)力的嚴重影響，溫度應(yīng)力會導致moa炸裂或熱崩潰。 2金屬氧化物避雷器（moa）2.1金屬氧化物避雷器的結(jié)構(gòu)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和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

11、穩(wěn)定，抗老化性能強等獨特特性，完全取消間隙。a. 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。

12、b. 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，可能會導致避雷器誤動損壞。2.2金屬氧化物避雷器的分類按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

13、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。按用途分類a.系統(tǒng)用線路型避雷器；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復合外套

14、型:復合外套moa是用復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）。3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

15、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110kv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

16、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。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-7

17、50kv。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。4金屬氧化物避雷器的監(jiān)測方法目前金屬氧化物避雷器的監(jiān)測方法主要有以下幾種，總泄漏電流法、零序電流法（阻性電流三次諧波法）、常規(guī)補償法和基波法等，其共同點是從容性電流為主的總電流中分離出弱的阻性電流。另外使用光電測量法，測量各

18、閥片電阻片電壓分布狀況也能在一定程度上反映moa絕緣狀況，但目前該項技術(shù)發(fā)展尚不成熟。目前采用遠紅外技術(shù)，監(jiān)測避雷器溫度分布和變化情況也有一定的應(yīng)用。4.1總泄露電流法由于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。監(jiān)測總泄漏電流的優(yōu)缺點 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)m

19、oa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。4.2諧波法（三次諧波零序電流法）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，當一相或者三相避雷器出現(xiàn)問題時

20、，三相電流不平衡, i0 增大，且含有基波成份,因此能發(fā)現(xiàn)故障。零序電流法的優(yōu)缺點此方法簡便，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，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。圖42 零序電流法接線圖4.3補償法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)?。圖44描述了利用補償法分流出

21、阻性泄露電流的電路系統(tǒng)。用ct從moa的引下線處取得電流信號i0，再從分壓器或者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)?；剩下的僅為阻性分量ir。再根據(jù)us及ir可以獲得moa的功率損耗p。圖43 泄露電流向量圖圖44補償法監(jiān)測moa阻性電流原理圖補償法的優(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

22、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：a. 三相避雷器一字型安裝，由于相間耦合電容和電磁干擾，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；b. 當電網(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；c. 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。針對補償法的缺點即當電網(wǎng)電壓存在較大諧波時測量不準確的問題，可提出兩種改善方案思路1基波法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

23、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)。思路2采用阻容分壓原理的電場探頭提取補償信號常規(guī)補償法在線監(jiān)測moa時，補償容性電流的信號都是從pt取得的。pt可等效成一電容分壓器，因此pt所取得的補償信號在任何頻率下增益的大小是相同的。而實際上，流過moa的容性電流對于不同頻率，增益的大小不相等，它是與頻率成正比的。因此用pt取補償信號，除存在角差及安全性較差外，一很大的缺陷就是：其補償信號的增益是由能否完全補償?shù)艋ㄈ菪噪娏鱽泶_定的，因此不能將電網(wǎng)電壓諧波引起的各次容性電流諧波分量完全

24、補償?shù)?，從而無法正確的判斷moa的運行狀況。圖45采用阻容分壓原理的電場探頭提取補償信號5實驗室金屬氧化物避雷器絕緣診斷實例5.1實驗?zāi)康膮⒄諊鴺恕半娏υO(shè)備預防性試驗規(guī)程”對實驗室提供的金屬氧化物避雷器作預防性試驗，并根據(jù)試驗結(jié)果對該金屬氧化物避雷器樣品作出診斷結(jié)論。5.2 實驗室moa避雷器規(guī)格本試驗選用避雷器型號為yh5ws-17/50,額定電壓17kvz，持續(xù)運行電壓13.6kv。以下是該避雷器出廠試驗數(shù)據(jù)：測試項目規(guī)定值實測值1ma下直流參考電壓（kv）2526.826.90.75u1ma下泄露電流（ua）5033殘壓（v）504545 表51 試驗避雷器出廠數(shù)據(jù)5.3 實驗內(nèi)容依照“

25、電力設(shè)備預防性試驗規(guī)程”之14.2項規(guī)定，金屬氧化物避雷器的檢測項目共6項，分別為（1）絕緣電阻（2）直流u1ma及0.75u1ma下的泄漏電流（3）運行電壓下的交流泄漏電流（4）工頻參考電壓下的工頻參考電流（5）底座絕緣電阻（6）檢查放電計數(shù)器動作情況。限于實驗室設(shè)備條件，第（5）項和第（6）項內(nèi)容沒做。試驗時室內(nèi)干濕溫度分別為18、14，氣壓為73.10cm汞柱。5.3.1絕緣電阻測量a. 測量回路 圖51 moa絕緣電阻測量接線圖圖中，兆歐表量程為1000v，l線路端子，e接地端子，g保護端子，在金屬氧化物避雷器表面緊纏銅絲作為屏蔽并連接到兆歐表的保護端子g上。這樣做得目的是使流過moa

26、表面的泄漏電流不會進入儀表內(nèi)部，從而使得兆歐表的讀數(shù)不受表面絕緣的影響而只反映絕緣內(nèi)部的狀況。b. 測量結(jié)果絕緣電阻：r1min=7500m5.3.2直流u1ma及0.75u1ma下的泄漏電流a. 測量回路 圖52 直流u1ma及0.75u1ma下的泄漏電流測量回路 圖中，d高壓硅堆，c濾波電容，v高壓靜電電壓表，ua直流高壓微安表b. 測量結(jié)果直流1ma時測得避雷器兩端電壓為26kv；避雷器兩端施加0.75u1ma即19.5kv電壓測得泄露電流為13ua。5.3.3 運行電壓下的交流泄露電流 避雷器持續(xù)運行電壓，是指允許持久地施加在避雷器端子間的工頻電壓的有效值。本次試驗避雷器的持續(xù)運行電壓為13.6kv。a. 測量回路 圖53 交流泄露電流測量回路圖中，c1，c2鐵板分壓器；r無感小電阻，其值為2k；