避雷器的试验与状态诊断

避雷器的试验与状态诊断避雷器是一种过电压保护装置，当电网电压升高达到避雷器规定的动作电压时，避雷器动作，释放电压负荷，将电网电压升高的幅值限制在一定水平之下，从而保护设备绝缘所能承受的水平，除了限制雷击过电压外，有的还能限制一部分操作过电压。在由预防性试验向检修方式过渡的今天，避雷器安全运行故障诊断的重要性毋庸置疑。本章将主要介绍避雷器的运行性能及故障诊断的三种方法——避雷器试验,红外诊断和在线监测。第一节避雷器试验避雷器在制造过程中可能存在缺陷而未被检查出来，如在空气潮湿的时候或季节装配出厂，预先带进潮气；在运输过程中受损,内部瓷碗破裂，并联电阻震断，外部瓷套碰伤或者在运输中受潮，瓷套端部不平，滚压不严，密封橡胶垫圈老化变硬，瓷套裂纹以及并联电阻和阀片在运行中老化等。这些劣化都可以通过预防性试验来发现，从而防止避雷器在运行中的误动作和爆炸等事故。避雷器按结构分为保护间隙和管式避雷器、阀式避雷器(配电型FS、变电所型FZ)磁吹阀式避雷器和金属氧化物避雷器。其中保护间隙和管式避雷器、磁吹阀式避雷器等均被慢慢淘汰，阀式避雷器稍有使用。对与阀式避雷器的试验项目主要有可分两种情况：不带并联电阻的阀式避雷器主要试验项目有：绝缘电阻试验（用2500V兆欧表）、工频放电电压试验。带并联电阻的阀式避雷器（包括FZ型，FCZ型和FCD型磁吹避雷器）试验主要试验项目有：绝缘电阻试验、工频放电电压试验和电导电流试验，其中电导电流试验可停电试验，也可带电进行测量。相对来说，金属氧化物避雷器目前得到越来越广泛的应用，下面就主要介绍一下金属氧化物的有关情况。一、金属氧化物避雷器简介金属氧化物避雷器(MOA)又称氧化锌避雷器，是一种与传统避雷器概念有很大不同的新型避雷器，从80年代中期开始，它已在电力系统推广应用并已批量生产。它主要由氧化锌压敏电阻构成，每一块压敏电阻从制成时就有它的一定开关电压（叫压敏电压），在正常的工作电压下（即小于压敏电压）压敏电阻值很大，相当于绝缘状态，但在冲击电压作用下（大于压敏电压），压敏电阻呈低值被击穿，相当于短路状态。然而压敏电阻的被击穿状态是可以恢复的；当高于压敏电压的电压撤销后，它又恢复了高阻状态。因此，在电力线上如安装氧化锌避雷器后，当雷击时，雷电波的高电压使压敏电阻击穿，雷电流通过压敏电阻流入大地，使电源线上的电压控制在安全范围内，从而保护了电器设备的安全。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，在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的，可完全取消间隙，这就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非线性特性好的特点，从而使避雷器的特性和结构发生了重大改变。在额定电压下,流过氧化锌避雷器阀片的电流仅为10-5A以下，相当于绝缘体。因此,它可以不用火花间隙来隔离工作电压与阀片。当作用在金属氧化锌避雷器上的电压超过定值（起动电压）时，阀片“导通”将大电流通过阀片泄入地中，此时其残压不会超过被保护设备的耐压，达到了保护目地。此后，当作用电压降到动作电压以下时，阀片自动终止“导通”状态，恢复绝缘状态，因此，整个过程不存在电弧燃烧与熄灭的问题。二、金属氧化物避雷器试验由于MOA是一种新型的避雷器，所以前几年其试验方法和试验设备都不很完善，但随着MOA在电力系统中的推广和应用。对MOA的研究也越来越深入，运行经验也在逐渐积累，随之也发现了一些重要的问题。例如：①MOA阀片性能不佳，参数设计不合理；②内部绝缘部件爬电距离不够和材质不良，内部结构不合理；③在装配中受潮或密封不良造成运行中受潮；④额定电压选择不合理等。随着运行时间的增加，MOA阀片在长期运行电压下的老化问题也变得突出，所以加强投运前的交接验收试验和运行中的监测，及时总结运行经验是一项重要的工作。目前国内预试规程对MOA的试验有三项规定：(1)绝缘电阻试验；(2)直流1mA下电压及75％该电压下泄漏电流的测量；(3)运行电压下交流泄漏电流及阻性分量的测量(有功分量和无功分量)。对金属氧化物避雷器的试验项目及要求如表9-1所示：序号项目周期要求说明1绝缘电阻1)发电厂、变电所避雷器每年雷雨季节前2)必要时1)35kV以上，不低于2500MΩ2)35kV及以下，不低于1000MΩ采用2500V及以上兆欧表2直流1mA电压(U1mA)及0.75U1mA下的泄漏电流1)发电厂、变电所避雷器每年雷雨季前2)必要时1)不得低于GB11032规定值2)U1mA实测值与初始值或制造厂规定值比较，变化不应大于±5%3)0.75U1mA下的泄漏电流不应大于50μA1)要记录试验时的环境温度和相对湿度2)测量电流的导线应使用屏蔽线3)初始值系指交接试验或投产试验时的测量值3运行电压下的交流泄漏电流1)新投运的110kV及以上者投运3个月后测量1次；以后每半年1次；运行1年后，每年雷雨季节前1次2)必要时测量运行电压下的全电流、阻性电流或功率损耗，测量值与初始值比较，有明显变化时应加强监测，当阻性电流增加1倍时，应停电检查应记录测量时的环境温度、相对湿度和运行电压。测量宜在瓷套表面干燥时进行。应注意相间干扰的影响表9-1金属氧化物避雷器的试验项目、周期和要求4工频参考电流下的工频参考电压必要时应符合GB11032或制造厂规定1)测量环境温度20±15℃2)测量应每节单独进行，整相避雷器有一节不合格，应更换该节避雷器(或整相更换)，使该相避雷器为合格5底座绝缘电阻1)发电厂、变电所避雷器每年雷雨季前2)必要时自行规定采用2500V及以上兆欧表6检查放电计数器动作情况1)发电厂、变电所避雷器每年雷雨季前2)必要时测试3～5次，均应正常动作，测试后计数器指示应调到“0”根据现场条件及厂家规定，可选择性地进行以下3个试验：1、绝缘电阻试验测量前应检查瓷套有无外伤，测量时用兆欧表，把试验连线与避雷器可靠连接，摇表放水平位置，摇的速度不要太快或太慢,一般120r/s。当天气潮湿时，瓷套表面对泄漏电流的影响较大，应用干净的布把瓷套表面擦净。并用金属丝在下端瓷套的第一裙下部绕一圈再接到摇表的屏蔽接线柱，以消除其影响(其测量值应大于2500)。电压等级在35kV及以下用2500V兆欧表，35kV以上用5000V兆欧表。由于氧化锌阀片在小电流区域具有很高的阻值，故绝缘电阻主要取决于阀片内部绝缘部件和瓷套。进口避雷器一般按厂家的标准进行绝缘电阻试验。阀式避雷器的绝缘电阻试验与金属氧化物避雷器的绝缘电阻试验相同。2、lmA直流下的电压及75％该电压下泄漏电流测量该项试验有利于检查MOA直流参考电压及MOA在正常运行中的荷电率，对确定阀片片数，判断额定电压选择是否合理及老化状态都有十分重要的作用。其试验原理接线图如图9-1所示。Mc5432μA=图9-1金属氧化物避雷器直流试验接线图1—直流电压发生器；2—滤波电容；3—静电电压表；4—直流微安表；5—试品试验步骤：先以指针式微安表监测泄漏电流值，升至1mA。停止升压确定此时电压值，再降压至该电压的75％时，测量其泄漏电流，因该电流值较小，应用数字式万用表来检测。试验中应注意的问题：①试验必须与地绝缘，外表面应加屏蔽，屏蔽线要封口；②直流电压发生器应单独接地；③试品底部与匝绝缘应保持干燥；④现场测量应注意场地屏蔽。试验分析：①试验中如U1mA电压比工厂所提供的数据偏差较大，与铭牌不符时，应与厂家进行联系。②通常在70％U1mA下的电流值偏大或电压加不上去，则有可能严重受潮；电流50μA，则有可能有受潮情况。投运后，随着运行时间增加，电流有一定增大，但电流不能超过50μA。3、MOA在持续运行电压下的交流泄漏总电流、阻性电流及损耗功率测量金属氧化物避雷器（MOA）在保护电力系统安全运行上有十分重要的作用，但由于MOA没有放电间隙，ZnO电阻片长期承受工频电压，冲击电压和内部受潮等影响，引起内部ZnO阀片（MOA）老化，阻性电流增加，功耗增大，导致MOA内部阀片温度升高，直至发生热崩溃。如果MOA在动作负载下发生劣化，将会使正常对地绝缘水平降低，泄漏电流增大，直至MOA被击穿而损坏。为了及时发现MOA的隐患，需要经常监测其运行状态，MOA老化后，内部电阻减小，泄漏电流阻性分量按指数规律极大地增加。因此，准确监测阻性分量电流的变化对于MOA的健康诊断非常重要。目前，现在国内外测量仪器有：（1）瑞典nL型MOA泄漏电流分析仪，常配有雷电计数器(环形线匝接口)。（2）日本日立公司的避雷器泄漏电流检测仪，它可测总泄漏平均值，也可测3次谐波成分，3次谐波经函数变换为阻性电流的信号量。以上两种仪器的基本原理是在MOA阀片劣化后，其阻性电流中的谐波成分明显增加，通过谐波分析法，反映出全电流中阻性电流的变化，但都不明确表明阻性电流的峰值。因容易受系统谐波含量影响，无法反应MOA表面受污秽受潮等问题。（3）日本LCD-4型阻性电流测量仪。其基本原理是利用外加容性电流将流过阀片的IX的容性电流(无功分量)补偿掉，而只保留阻性电流分量。国内众多厂家生产的测量仪，其原理大致与LCD-4型相似。这种测量方式可在现场带电测量，测量较简便。现场测量应注意的问题是：①注意正确选取参考电压的相位；②现场试验测量回路应一点可靠接地，接地点的不稳定也将影响测量结果；③220kV及以上电压等级避雷器在现场带电测量时应注意其相间干扰(目前国内有些测量设备也附带有移相消除相间干扰的功能)第二节避雷器的红外诊断和在线监测对运行中的避雷器进行红外诊断和在线监测是电力设备带电诊断的行之有效的技术手段。本节将分析几种常用避雷器运行和受潮缺陷下的发热原因、特点和红外热像特征，运行中避雷器进行红外测温和故障分析的方法，并重点介绍金属氧化物的在线监测。一、避雷器的红外诊断对于运行中的各型避雷器，将利用红外测温仪测出的避雷器的表面各部分的温度进行相间、上下元件间和同类设备间的相互比较，或用红外热像仪对避雷器的热像图谱进行分析，如果根据上述热像特征发现有不正常的发热或不正常的温度分布，可判断为避雷器存有受潮缺陷，应引起注意，进行跟踪监测或停电进行其它试验，以免故障进一步恶化而引起事故的发生。这里我们主要介绍一下金属氧化物避雷器的热像特征。目前电力系统所采用的氧化锌避雷器主要是无间隙氧化锌避雷器，由氧化锌阀片直接承受系统的运行电压。此类避雷器都是单柱式结构，瓷套体积较小。这种结构得益于氧化锌阀片的高涌流能力和极好的非线性。根据运行保护参数的设计，正常运行的无间隙氧化锌避雷器将有0.5～1.0mA的工频电流流过，并且主要属于容性成分，阻性电流仅占10%～20%,因此，无间隙氧化锌避雷器正常运行时消耗一定的功率，由于几何布置较均匀，外表发热也是整体性的。因正常状态下的氧化锌避雷器有一定的阻性电流分量，因此，热像特征表现为整体轻度发热。其中小型瓷套封装的结构,最热点一般在中部偏上位置，且基本均匀；较大型瓷套封装的结构,最热点通常靠近上部，不均匀程度较大。氧化锌避雷器受潮主要是密封系统不良引起的。氧化锌避雷器受潮会大大增加本身的电导性能，阻性电流明显增大，由于多数氧化锌避雷器没有串联间隙，所以，其阀片将长期承受工作电压的作用。氧化锌避雷器的阀片在小电流区域也有负的电阻温度系数，此外氧化锌避雷器的体积较其他型式小，内部受潮后容易造成沿瓷套内壁或阀片侧面的沿面爬电，引起局部轻度发热，严重时会产生闪络击穿。对于多元件串联结构的氧化锌避雷器，当轻度受潮时，通常因氧化锌阀片电容较大而只导致受潮元件本身阻性电流增加并发热，当受潮严重时，阻性电流可能接近或超过容性电流，在受潮元件温升增加的同时,非受潮元件的功率损耗和发热开始明显,甚至超过受潮元件的相应值。氧化锌避雷器受潮时的热像特征：对于单元件结构表现为整体明显发热；对于多元件结构，受潮初期表现为故障元件自身发热增加，受潮严重后，可引起非故障元件发热超过故障元件，当受潮故障进一步恶化时，还会伴有局部温升高于整体温升