金屬氧化物避雷器的劣化機理與狀態評估研究

劉海峰，王鶴許

(1.河北省電力公司，石家莊 050021；2.華北電力大學，河北 保定 071003)

金屬氧化物避雷器(MOA)是當前限制過電壓最先進的一種保護電器，被廣泛地用于發電、輸變電和配電系統中，保護電氣設備的絕緣免受過電壓的損害。金屬氧化物避雷器有著優異的非線性伏安特性，同時還具有通流容量大、殘壓低、體積小、質量輕等優點，近年來已逐步取代其它類型的避雷器，成為電力系統的主要過電壓保護設備。雖然在正常工作電壓下流過MOA的電流極小(微安級)，但由于MOA內部閥片長期承受工頻電壓作用，會逐漸劣化，引起電阻特性變化而導致泄漏電流增加；另外，避雷器結構不良，密封不嚴、內部構件受潮也會導致泄漏電流增大。泄漏電流的阻性分量將形成有功損耗，使電阻片溫度升高，嚴重時可能引起MOA爆炸。因此，盡管MOA的單位造價不高，但是及時準確掌握MOA的運行狀態，對于防止人身和電網惡性事故十分必要。

1 金屬氧化物避雷器的性能與結構

MOA的核心元件是金屬氧化物電阻片，它具有理想的伏安性能，在非線性區其非線性系數α為0.015～0.05，比普通閥型的非線性系數要小得多。正常運行時，金屬氧化物避雷器處在正常工頻電壓下，電阻片呈現很大的電阻，呈絕緣狀態。當出現雷電過電壓、內部過電壓時，電壓超過氧化物電阻片的動作值后，電阻片瞬間呈低阻狀態，釋放電流。避雷器兩端維持較低的殘壓，以保護電氣設備不受過電壓損壞。當過電壓結束后，避雷器氧化物電阻片即可恢復極高電阻，保持絕緣狀態，保證電力系統的正常運行。電阻片呈圓餅狀或環狀，兩端面噴有金屬電極，側面涂有絕緣釉保護以防沿面閃絡。電阻片中心有孔，孔中穿有1根有機絕緣棒，兩端用螺栓緊固。內部元件裝入瓷套(或復合絕緣套)內，上、下兩端各用1個壓緊彈簧壓緊。瓷套兩端法蘭各有1個壓力釋放口，當避雷器內部發生故障時，可將內部過高的壓力釋放出來，以防瓷套爆炸。MOA絕緣底座處除安裝動作記錄器外，還可安裝MOA泄漏電流監測裝置，為運行中監測避雷器狀態提供方便。金屬氧化物避雷器結構如圖1所示。

圖1 220 kV金屬氧化物避雷器外部結構

2 運行中金屬氧化物避雷器的劣化機理

金屬氧化物避雷器受電網和運行環境中多種應力因素的影響，這些應力能夠引起避雷器的過早老化，甚至損壞其非線性電阻片。引起避雷器劣化的機理主要有以下幾種，嚴重的將造成金屬氧化物避雷器故障。

2.1 密封缺陷引起內部受潮

據統計，金屬氧化物避雷器爆炸事故中，內部受潮是主要原因。金屬氧化物避雷器內部空腔約占整個避雷器內部空間的50%，在環境溫度冷熱循環變化下，空腔內的氮氣膨脹或收縮形成呼吸作用，如果避雷器密封不嚴，潮氣會逐步侵入，導致內部受潮，使泄漏電流增大，加速電阻片的老化。

密封不良可能由以下幾方面造成：一是密封圈漏裝、移位或者密封圈達不到設計要求，一般在運行一段時間，遇到天氣驟然變化或雨季后，就會表現出來。二是兩端蓋板制造質量差，有砂眼或者加工時密封槽出現缺口，導致潮氣和水分侵入。三是瓷套質量問題，存在細小的裂紋，使潮氣緩慢侵入。

2.2 內部局部放電

正常情況下，電阻片與瓷套之間的徑向電位差較小。當避雷器外部瓷套受到污穢及潮氣作用時，瓷套上的電位分布發生變化，特別是在避雷器外套或下部存在干區時，電位分布將更加不均勻，電阻片與外部瓷套間存在較大的徑向電位差，該電位差接近避雷器的工作電壓。當電位差較大時，可能發生徑向的局部放電，產生脈沖電流，如果電流很大，會使電阻片在電流聚集的地方溫升過高被燒熔，損壞電阻片，導致整個避雷器破壞[1]。

2.3 污穢引起表面放電

瓷套表面嚴重積污，除了會引起表面閃絡以外，還會引起沿電阻片電壓分布不均，造成電阻片局部過熱并導致損壞。一般避雷器表面的污閃或泄漏電流的增加只是在一段時間內出現，過一段時間后將消失，表明污穢導致的阻性電流增加與內部受潮導致阻性電流長期增加有本質區別。因此，監測避雷器的阻性電流時，如發現避雷器在一段時間內阻性電流增加，有可能是避雷器外套表面積污較嚴重，應及時清理[1]。

2.4 暫時或暫態過電壓引起超負荷

超負荷一般出現在電力系統故障發生以后，此時在電網中伴隨著高的暫態過電壓。如果避雷器額定電壓設定得太低，即使暫態過電壓仍然處在本應該能夠承受的水平，還是會增加出現超負荷的風險。避雷器超負荷將降低其抵御過電壓的保護能力。例如，多重雷擊引起的嚴重暫態過電壓，或高能量的暫時過電壓。因此，避雷器在尚未抑制住過電壓之前就可能發生故障，同時被保護的設備也將遭到損壞。

2.5 參數選擇不當

避雷器的使用必須滿足絕緣配合的要求。當避雷器技術參數不適合實際的系統電壓和過電壓應力的時候便會出現這種問題。避雷器的殘壓值偏高，可能難以起到很好的保護作用；避雷器的額定電壓偏低，可能會加速電阻片的老化進程，縮短避雷器的壽命；標稱放電電流選擇偏低，會影響避雷器的保護水平和通流能力。

2.6 電阻片存在質量問題

有些產品老化特性不好，如運行一段時間后，部分電阻片首先劣化，造成避雷器參考電壓下降，電位分布不均勻，阻性電流和功率損耗增加，在電網電壓不變的情況下，避雷器荷電率增加，老化速度加快，形成惡性循環，最終導致避雷器熱崩潰而爆炸。

3 金屬氧化物避雷器的狀態評估

目前，金屬氧化物避雷器狀態評估主要包括在線、離線2種運行方式，具體包括運行巡視、離線試驗、帶電檢測、在線監測等方法。

3.1 運行巡視

運行巡視主要是檢查運行中避雷器的外觀、觀察泄漏電流表指示值和放電計數器動作情況。這是一種常用的、甚至很有效的確定外部異常的方法。日常巡視中應檢查避雷器外絕緣積污情況；瓷套有無裂紋；復合外套有無電蝕痕跡；有無異物附著；均壓環有無松動、歪斜；引線連接情況是否正常；檢查泄漏電流表指示與同等條件下運行的其他避雷器比較，無明顯差異。雷雨大風及避雷器經歷不良工況后應進行特殊巡視，重點檢查放電計數器動作情況，避雷器表面有無放電閃絡痕跡。

3.2 離線試驗

離線測量可以提供一種試驗環境，這種環境下可以得到較好的測量可靠性和可重復性。這種方法要求避雷器不帶電，使用便攜式試驗設備，或者把避雷器送到試驗室進行試驗。

根據國家電網公司Q/GDW 168-2008《輸變電設備狀態檢修試驗規程》，金屬氧化物避雷器的停電試驗項目包括直流1 mA電壓(U1 mA)及0.75U1 mA下漏電流測量、底座絕緣電阻。U1 mA反應金屬氧化物避雷器由小電流工作區到大電流工作區的分界點，對判斷避雷器老化狀態有著重要意義。若U1 mA電壓下降或0.75U1 mA下漏電流明顯增大，就可能是氧化鋅電阻片受潮老化。根據《規程》規定，金屬氧化物避雷器U1 mA初值差應不超過±5%且不低于GB 11032規定值，0.75U1 mA泄漏電流初值差應不大于30%或小于50 μA。

停電試驗方法的優點是測量結果較為準確可靠，缺點是被試設備必須停電，且試驗過程一般需要解開避雷器引線，操作起來費時費力，不方便。更重要的是，隨著電網規模的快速增長，新建及擴建大量變電站，需要維護的電力設備數量劇增，若頻繁進行停電試驗，不僅工作量巨大，有時甚至由于供電可靠性而無法安排。

電網企業轉入狀態檢修模式后，金屬氧化物避雷器的停電檢修周期根據狀態評價結果確定，狀態良好的設備，在停電試驗基準周期4.5年的基礎上，可延長1～1.5年。因此，在兩次例行試驗期間，通過運行電流檢測和紅外測溫等帶電檢測技術掌握設備運行狀態，才能確保設備狀態的能控、在控。

3.3 帶電檢測

金屬氧化物避雷器的帶電檢測，目前采用的主要測試手段是帶電測試避雷器阻性電流和紅外熱像檢測。

3.3.1 阻性電流帶電檢測

帶電檢測避雷器持續電流主要是檢測泄漏的全電流及其阻性分量，這是發現避雷器早期缺陷的有效手段。在交流電壓下，MOA總泄漏電流中包含阻性電流(有功分量)和容性電流(無功分量)。在正常情況下，通過MOA的主要為容性電流，阻性電流只占很小一部分，約為10%～20%。但當電阻片老化時，避雷器受潮、內部絕緣部件受損以及表面嚴重污穢時，容性電流變化不大，而阻性電流大大增加。全電流的變化反映避雷器的嚴重受潮、內部元件接觸不良、電阻片嚴重老化，而阻性電流的變化則對電阻片初期老化的反應比較靈敏。所以監測阻性電流可以更有效地監測MOA的絕緣狀況。

目前，帶電檢測MOA運行中持續電流的原理主要分為基波法、三次諧波法和補償法，3種測量方法原理見圖2-4。基波法的主要原理為：在正弦波電壓的作用下，MOA的阻值電流中只有基波電流做功產生功耗，另外，無論諧波電壓如何，阻性基波電流都是一個定值，因此全電流經數字諧波分析，提取基波進行阻性電流分解，即可得到阻性電流的基波，根據阻性電流基波所占比例的變化來判斷MOA的狀況。實際測量中，一般在采得MOA全電流的同時，還要測取PT二次側的電壓，然后將電壓和電流信號進行FFT計算，得到電壓和電流基波分量的幅值和相位，將基波電流在基波電壓上投影就可以得到阻性電流的基波分量。三次諧波法是利用氧化鋅電阻片的非線性，在電壓作用于非線性電阻時會產生含有三次諧波的電流，電流三次諧波初相角與電壓基波初相角相關，由此計算出電壓的基波初相角與泄漏電流的阻性分量。三次諧波法需用數字測量的方式，優點是無需參考電壓信號，操作簡便。但是，受到電網中固有的三次諧波的影響，其測量誤差大，一般只能進行定性測量。補償法是將流經避雷器總電流中的容性電流平衡掉，它用PT二次側的電壓信號通過硬件方式來補償容性電流分量進而得到阻性電流。該方法對單支MOA測得的阻性電流較為精確，但現場試驗中，三相避雷器呈一字形布置，各相避雷器除受本相電壓作用外，還通過相間耦合到相鄰相電壓，從而帶來測量誤差，并且系統電壓等級越高，誤差越大。

圖2 基波法測量原理

圖3 三次諧波法測量原理

圖4 電容電流補償法測量原理

現場帶電檢測MOA持續電流時受到很多因素影響，如電網諧波電壓、相間干擾、表面污穢泄漏電流、電壓波動、環境溫度、濕度、PT相移、傳輸誤差等，這些因素都會影響測量的穩定性和準確性。相比之下，基波法能有效抑制電網的諧波干擾，并且容易排除相間干擾對測量結果的影響，因此目前現場多采用該方法。

當阻性電流增加到1.5倍初始值時，應縮短監測周期；當阻性電流增加到2倍初始值時，應停電進行檢查。

3.3.2 紅外熱像檢測

對于金屬氧化物避雷器，紅外熱像檢測同樣是一種常用和有效的狀態評估手段。大量實踐經驗表明，熱成像技術能夠有效地用于跟蹤避雷器的劣化。避雷器電阻片老化后，運行中發熱會加劇，與相同運行條件下的其他避雷器相比，整體或局部溫度偏高，相間溫差加大，因此通過紅外熱像檢測可有效檢出避雷器內部缺陷。紅外熱像檢測具有不停電、不取樣、不接觸，直觀、準確、靈敏度高及應用范圍廣等優點。然而，使用紅外熱像儀的靈敏度必須能夠檢測到升高的電阻片溫度波及到了避雷器外套的表面。

3.4 在線監測

在線測量方法以臨時帶電或連續帶電為基礎，使用便攜式儀器以及非移動式永久安裝的裝置。這種方法的優勢是，無需拆下運行中的避雷器便能得到其狀態評估數據。如果在線測量發現任何疑問，可以結合離線試驗綜合判斷避雷器的狀態。對避雷器實施在線監測可以在不停電的情況下隨時了解避雷器的泄漏電流變化情況，及時發現異常現象和事故隱患，以采取有效預防措施，防止運行中的避雷器發生事故。

目前，35 kV及以上的MOA一般都配有帶泄漏電流表的在線監測裝置，還可以通過電纜將測量信號接入狀態監測系統。該泄漏電流表用于監視MOA運行中流過的電流，即總泄漏電流的有效值Ix。該電流為流過避雷器電阻片和瓷套外表面的泄漏電流，能粗略地反映MOA的絕緣狀況。如Ix超

過同等條件下120%總泄漏電流基數(即正常總泄漏電流值)或相與相之間相差超過20%，應視為異常。

近年來，隨著智能變電站技術的發展，變電站在線監測系統已能夠實時監測MOA的全電流和阻性電流，并傳輸到調控中心和相關檢修班組，實現了設備狀態的可視化。智能變電站通常采用總線式結構的絕緣在線監測系統，現場檢測單元具備信號提取、數字化和處理功能，由后臺機實現數據處理和故障診斷。

4 結論

a. 受潮和老化是金屬氧化物避雷器電阻片劣化的主要原因，這種缺陷在不同階段有不同的發熱表現，直至最終發展成為熱崩潰。

b. 金屬氧化物避雷器受潮及電阻片老化將造成阻性電流和全電流的增大，帶電檢測阻性電流可以快速、方便地發現避雷器缺陷，避免避雷器狀態進一步惡化。

c. 金屬氧化物避雷器電阻片老化會造成避雷器外部溫度場畸變，可以通過紅外熱像檢測方法發現[2]。

d. 通過帶電檢測、在線監測與傳統停電試驗相結合的方式可以延長金屬氧化物避雷器停電周期，確保金屬氧化物避雷器長周期安全可靠運行，真正實現狀態檢修。

參考文獻:

[1] 萬四維．金屬氧化物避雷器缺陷與阻性電流關系的分析探討[J]．電瓷避雷器，2007(5)：31-34.

[2] 朱海貌，黃 銳，夏曉波，等．金屬氧化物避雷器帶電檢測數據異常的診斷及分析[J]．電瓷避雷器，2012(2)：68-71．