高压电力设备在线监测技术-第4章-MOA避雷器在线监测与诊断

第四章MOA避雷器在线监测与诊断On-linemonitoringandfaultdiagnosisforMOA1本章内容•概述•避雷器的故障特点与诊断内容•监测总泄漏电流Ix•谐波法测量阻性电流•补偿法测量阻性电流•基波法•光电技术在避雷器泄露电流在线监测中的应用2§4.1概述3避雷器定义：一种过电压限制器。当过电压出现时，避雷器两端子间的电压不超过规定值，使电气设备免受过电压损坏，过电压过后，又能使系统迅速恢复正常状态。无间隙金属氧化物避雷器：由非线性金属氧化物电阻片串联或并联组成且无并联或串联放电间隙的避雷器（MetalOxideSurgeArresters，简称MOA）避雷器的作用：限制过电压以保护电气设备。4§4.1.1氧化锌避雷器结构及特性Zno电阻片的等值电路xIUCRRICIcRZno阀片的等值电路Rc—Zno晶粒本体的电阻C—晶界层的固有电容R—晶界层的电阻山东彼岸电力科技有限公司MOV在高倍显微镜下微观结构(MOV晶粒的等值半径约5μm)金属氧化物电阻片具有极其优异的非线性V-A特性，在正常工作电压下，其阻值很大（电阻率高达1010-1011Ω·cm），通过电阻片的漏电流很小（μA级），在这个电流下，电阻片具有足够的运行寿命。而在过电压的作用下，阻值会急剧变小，非线性系数α约为：0.01～0.04，因此保证了在泄放几千安操作电流和几十千安雷电流时电阻片两端仍然保持低电压。MOV的综合特性ZnO电阻片与SiC阀片伏安特性的比较归纳起来：a.优异的非线性；b.快速的响应特性；c.大的能量吸收能力；d.持久的抗老化特性；e.在不同区段，有敏感程度不同的温度特性。在低电场区MOV具有极强的电介质特性，在持续工作电压下，静态相对介电常数εr为650～1200，MOV对外主要呈现电容特性，泄漏电流中，阻性电流分量约占全电流的1/5～1/12；等值电阻具有明显的负温度系数，其值依据配方、工艺的不同而异；在强电场区，即工作区呈现极强的金属特性，在1μs的冲击波电流作用下，主要显示电阻特性，随着温度的升高电阻值单调增大。电阻片具有对称性，无极性效应，在≥1μs冲击电流波范围内，响应时间可忽略不计。在配方工艺一定的前提下，V-A特性与作用波波形有关，波陡度增加，残压增大，在VFTO波作用下，呈现明显的电感特性，残压出现过冲现象。MOV的老化特性与长期承受的持续电压、环境温度、吸收的过电压能量、波形、次数以及荷电率等有关，通常荷电率越高老化速度越快。前苏联学者对老化寿命的研究结果表明：电阻片具有记忆性。对一定配方、工艺制造的电阻片，各自都拥有固定的能量储备，对雷电冲击、操作冲击固有能量储备是不同的，通常操作冲击固有能量储备较大，约大于雷电冲击下一个数量级。电阻片每吸收一次过电压能量，就耗费一些固有储备，待固有能量储备耗完，电阻片也寿终了。电阻片易吸潮，受潮后电阻值下降且很难经处理后完全恢复。MOV性能受温度应力的严重影响，温度应力会导致MOA炸裂或热崩溃。（1）金属氧化物避雷器的结构（2）金属氧化物避雷器的分类（3）金属氧化物避雷器的特点（4）金属氧化物避雷器的主要电气性能参数§4.1.2金属氧化锌避雷器依据MOA运行工况和被保护设备的不同,MOA分为：无间隙金属氧化物避雷器有间隙金属氧化物避雷器无间隙金属氧化物避雷器基于MOV的电气特性具有无续流、无截波、响应快、吸收能量大、保护残压低、电气性能稳定，抗老化性能强等独特特性，完全取消间隙。金属氧化物避雷器的结构无间隙金属氧化物避雷器主要由MOV、防爆装置、均压装置、紧固装置、外绝缘套、密封装置等组成，结构简单，易于实现电阻片间的串并联，受环境影响小，使用于重污秽、潮气大的地区，能够对弱绝缘和大容量设备实施可靠保护。理论上可以实现带电水冲洗。有串联间隙的金属氧化物避雷器综合了MOV和放电间隙的优点，具有放电电压更高，可以避开系统中高幅值、持续时间长威胁避雷器自身安全的部分内过电压，而保持合理的绝缘配合的特点，有选择性地限制过电压。利用电阻片的电容、电阻特性改善了间隙的放电分散性，减小了放电冲击系数，基本上无续流、无截波，吸收能量大抗老化性能强等特性。有串联间隙的金属氧化物避雷器主要由MOV、放电间隙、防爆装置、紧固装置、外绝缘套、密封装置等组成。更适用于6kV～10kV中性点不接地系统，实现对配电网电气设备雷电冲击过电压的防护。但间隙的存在，放电电压具有分散性且受环境影响。淋雨状态下、重污秽地区运行工频放电电压明显降低，可能会导致避雷器误动损坏。①按MOA额定电压值分类：分为高压类、中压类和低压类三类。高压类指66kV及以上等级的MOA，大致可划分为750kV、500kV、330kV、220kV、110kV、66kV六个电压等级；中压类指3kV～35kV的MOA，大致可划分为3kV、6kV、10kV、35kV四个电压等级；低压类指3kV以下的MOA，大致可划分为1kV、0.5kV、0.38kV、0.22kV四个电压等级。金属氧化物避雷器的分类②按用途分类a.系统用线路型避雷器；b.系统用电站型避雷器；c.系统用配电型避雷器；d.并联补偿电容器组保护型避雷器；e.电气化铁道型避雷器；f.电动机及电动机中性点型避雷器；g.变压器中性点型避雷器；h.特种避雷器；i.线路悬挂式避雷器③按外套材料分类a．瓷外套型:瓷外套MOA按耐污秽性能分为四个等级，I级为普通型、II级为用于中等污秽地区（爬电比距20mm/kV）、III级为用于重污秽地区（爬电比距25mm/kV）、IIII级为用于特重污秽地区（爬电比距31mm/kV）。b．复合外套型:复合外套MOA是用复合硅橡胶材料做外套，并选用高性能的氧化锌电阻片，内部采用特殊结构，用先进工艺方法装配而成，具有硅橡胶材料和氧化锌电阻片的双重优点。C．罐式:由MOV、均压罩、外壳、放电计数器以及绝缘盆和电联接器等部分组成，主要应用于GIS电站中。④按结构性能分类MOA可分为：A.无间隙（W），包括单柱、多柱；b.带串联间隙（c）；c.带并联间隙（B）。但应注意：多柱电阻片并联可以显著提高避雷器的能量吸收能力和降低残压，但需严格控制多柱间的电流分布和径向电场。对于不同电压等级的避雷器，需按参数要求，采取多片电阻片串联结构，对于220kV及以上的避雷器，必须严格控制电阻片柱轴向电位分布。实际应用中，电阻片可能会采取电阻片的串、并联结构。（1）无间隙避雷器①标称放电电流②额定电压③持续运行电压和持续运行电流④工频电压耐受时间⑤冲击保护水平⑥参考电流和参考电压⑦压比⑧荷电率⑨通流容量⑩外绝缘水平金属氧化物避雷器的主要电气性能参数（2）有间隙金属氧化物避雷器避雷器的额定电压选择越高，自身负荷越轻，可靠性越高，但在电阻片V-A特性一定的前提下，与避雷器的保护特性构成了一对制约矛盾。为了解决这一矛盾，满足系统工况要求，可采取MOV与放电间隙串联的有间隙避雷器结构。如：在配电网中，绝缘配合确定的内过电压水平为4p.u.,出现持续时间长,幅值≤4p.u.的内过电压时，可能会导致无间隙MOA动作,泄放过电压能量。这是无间隙MOA与碳化硅阀式避雷器在限制过电压时的本质区别。由于避雷器自身所具有的工频时间耐受特性决定了它不能耐受配电网中出现的这种高幅值、长时间的内过电压,因此。借助串联间隙将避雷器的动作门槛抬高,躲过出现的内过电压。有间隙金属氧化物避雷器分为：串联间隙和并联间隙两种（a）带串联间隙的MOA（b）带并联间隙MOA有间隙金属氧化物的主要电气性能参数①避雷器灭弧电压保证避雷器泄放过电压能量后，工频过电压下可靠灭弧的最低电压值；也称为额定电压。②工频放电电压③标准雷电冲击放电电压④陡波雷电冲击放电电压⑤必要时：还需要确定操作冲击放电电压⑥标准雷电冲击残压⑦标准操作冲击残压⑧通流容量⑨外绝缘水平⑩持续运行下的电导电流、泄漏电流除此之外，避雷器的机械性能、防爆性能、防污性能、热稳定性能等也是反映避雷器性能的参数内容。（1）国内外金属氧化物避雷器的应用（2）金属氧化物的运行情况（3）金属氧化物的发展前景§4.1.2金属氧化物避雷器的应用3.1国内外金属氧化物避雷器的应用金属氧化物避雷器，由于其优异的非线性、大的通流能力和持久的抗老化，一出现就迅速得到了广泛应用。如美国、前苏联、英国、法国、日本等，MOA已基本取代了传统碳化硅阀式避雷器，MOA已成功地应用在3kV～1150kV各级交、直电力系统，俄罗斯还开发、研究了1800kV特高压MOA。我国的金属氧化物避雷器在引进日本日立配方、工艺和设计技术基础上，经过20多年的研究、改进，制造技术也有了长足进步，性能参数已达到了世界先进水平，完全实现了交、直流避雷器的国产化，现已有数万相110kV以上高压、超高压交流MOA和数百台直流高压MOA在运行，国产避雷器的占有率大于78%，MOA的占有率高于82%，电压等级覆盖3kV-750kV，产品出口多个国家和地区。国家发改委明确声明：我国的MOA生产技术完全满足我国3kV-1000kV交流系统过电压保护的要求，完全可以取代进口。MOA应用领域不断扩大，除了常规的电站型、线路型、配电型MOA外，还大量开发了悬挂式线路用MOA、大容量旋转电机MOA、变压器匝间绝缘油浸式MOR、阻波器MOA、大容量电容器组用MOA、避雷绝缘子、罐式GIS用MOA等交流专用设备MOA及保护各种整流、换流设备的高压直流MOA避雷器等。输电线路用悬挂式避雷器的作用由于输电线路雷击事故率高。据统计：高压线路运行的总跳闸次数中，由于雷击事故的次数约占（50～70）％。尤其是在多雷、土壤电阻率高、地形复杂的山区，雷击输电线路而引起的事故率更高，通常需要增加绝缘子片数、加大空气间隙距离等。在超高压线路中，当线路上的操作过电压较高时，通常需要在断路器上装设合闸电阻进行限制。线路上采用线路用悬挂式避雷器可以有效地限制线路上的操作过电压、取消合闸电阻，防止绝缘子串闪络，降低线路跳闸率。悬挂式线路避雷器的应用悬挂式线路避雷器的主要应用场合（1）应用在雷电活动较强的地区或某些降低接地电阻有困难以及对防雷有特殊要求（如过江塔）的局部线段，与绝缘子串并联，例如：日本在66kV～500kV输电线路中投运了线路型复合外套有串联间隙金属氧化物避雷器；美国GE公司、AEP公司在1982年将138kV线路型复合外套金属氧化物避雷器投运到5个试验线段的25级杆塔上。（2）沿线装设线路避雷器，用来限制沿线的操作过电压。例如：前苏联开发了110kV～1150kV复合外套金属氧化物避雷器；ABB公司研发的66kV～800kV线路避雷器都是用于限制操作过电压；国内开发的500kV线路避雷器，应用在广东惠汕500kV输电线路上，取消了合闸电阻，仅靠线路悬挂式避雷器来限制系统操作过电压。线路悬挂式避雷器主要有两种结构类型（1）复合外套无间隙避雷器；（2）外部串联间隙避雷器。3.2金属氧化物的运行情况自20世纪80年代至今，金属氧化物避雷器经过二十多年的实际运行验证，除对雷电过电压有限制作用外，对大部分操作过电压有明显的保护效果，大幅度地降低了设备绝缘投资费用和电力运行费用。在我国MOA自八十年代后期至今已有数万相110kV以上高压、超高压交流MOA和数百台直流高压MOA在运行，电压等级覆盖3kV-750kV。由原水电部、机械部两部组织的110kV及以上MOA运行情况调查结果表明：MOA的保护效果和统计事故率明显低于传统的阀式避雷器，国产MOA事故率低于进口产品。我国750kV示范工程，也是采用国产的无间隙金属氧化物避雷器作为操作过电压、雷电过电压的主保护，并以此将操作过电压水平限制在1.8p.u.，雷电过电压水平限制在1380kV，保证了750kV电气设备的绝缘配合。国内外主要MOA产品应用情况产品生产国家/公司美国GE日本日立瑞士ABB前苏联中国MOA应用投运时间1976年1979年1974年1978年1985年应用电压等级（kV）3～7503～7503～10503～11503～500MOA的比能量（kJ/kV）3～133～83～