基于帶電監測的配網避雷器聯合狀態診斷研究

張詣，代正元，方勇，王清波，鄒璟

（云南電網有限責任公司昆明供電局，昆明 650011）

0 前言

隨著社會發展和城市化進程不斷加快，電網規模也不斷擴大。帶電監測作為電網設備狀態檢測的重要手段之一，在保證設備安全可靠運行，減少人力資源，降低安全風險等方面發揮著重要作用。

避雷器[1-4]作為電網安全運行的重要設備之一，根據電力設備預防性試驗規程和現場絕緣試驗實施導則，每年雷雨季前或必要時，需對其進行停電檢修。該項工作不僅需要在停電條件下開展，而且需要大量的人力資源，特別是在云南電網省公司“三統一、兩強化”的指導思想下，大量原來由縣級供電企業管轄的變電站也納入昆明供電局統一管理，避雷器數量成倍增加，同時，也增加了安全風險及測試人員的心理負擔。

本文詳細介紹了配網避雷器的性能及故障分析，并在此基礎[5-8]上，提出了三種在線監測的聯合診斷方法，通過該方法對配網避雷器開展狀態診斷，旨在節約停電時間，緩解人力資源矛盾，降低了現場安全風險及人員煩躁情緒，并獲得準確可信的試驗結果，對避雷器進行狀態評估。

1 配網避雷器性能分析及故障原因分析

氧化鋅避雷器廣泛應用于配網一次設備，具有許多優點，在電網中得到了廣泛的應用。

1.1 性能分析

1.1.1 結構特點

閥片是以氧化鋅（ZnO）及壓敏電阻（非線性）為基礎，添加Bi2O3，CO2O3，MnO2等金屬氧化物，經過混合高溫燒結而成。其非線性比SiC好得多。在殘壓相同的情況下流過的電流較小，所以不用串聯火花間隙，由于沒有間隙，可以避免由間隙帶來的一系列問題（如瓷套污染對電壓分布和放電電壓的影響；放電電壓的分散性等），并且有較平坦的保護特性。

1.1.2 性能參數

1）氧化鋅避雷器（MOA）的額定電壓，是指由動作負載試驗確定的避雷器上下端子間允許的最大工頻電壓有效值，避雷器在該電壓下應能正常工作。

2）MOA的持續運行電壓，是指允許持續加在避雷器兩端子間的工頻電壓有效值，一般小于避雷器的額定電壓。

3）MOA的起始動作電壓。在伏安特性的低電壓區段是MOA的小電流區域，在接近拐點b處，有電流為毫安級的殘壓值UNmA，一般取N=1，即1 mA直流電流通過電阻元件時，在其兩端所測得的直流電壓值，稱為MOA的起始動作電壓。N值隨ZnO元件的大小組裝結構而變化，一般取1～4。

4）MOA的荷電率。荷電率的表達式為：

式中Um為系統最大運行電壓，α為非線性電阻片的不均壓系數，UXmA為氧化鋅避雷器通過XmA時工頻參考電壓，N為一個單元內非線性電阻片數。

早期MOA的荷電率取40%～70%，隨著制造技術的改進，各制造廠都提高了荷電率，現在一般為80%，提高荷電率能減少電阻片串聯片數，降低殘壓，但荷電率高了，會加速閥片老化，縮短使用壽命，過高還會引起事故。

1.2 常見故障及原因分析

避雷器常見的故障包括但不限于直流1 mA電壓異常升高、有異常放電聲或電暈聲、絕緣電阻及直流1 mA電壓明顯降低、泄漏電流異常增大等。

研究成果表明，避雷器故障原因主要包括三個方面：69%是由于產品設計及制造質量問題；25%是由于運行及維護不當；6%是由于選型不當。

針對以上性能分析及故障原因分析，便可對癥下藥，提出適合于避雷器的診斷方法。

2 配網避雷器帶電監測診斷技術

目前，根據電力設備預防性試驗規程和現場絕緣試驗實施導則，對配網避雷器主要開展絕緣電阻、直流1 mA電壓（U1mA）、0.75U1mA下的泄漏電流試驗及紅外測溫等項目進行狀態診斷，前三種試驗項目需在停電狀態下開展，不僅增加人力資源和安全風險，也加大了物資和停電時間的損耗，而如果僅采用紅外測溫，會由于手段單一或者現場環境干擾等因素，造成測量結果精確度不夠，而造成誤判。

因此本文提出一種基于帶電監測的三種聯合狀態診斷方法，即避雷器的在線監測、帶電測量阻性電流以及紅外測溫聯合診斷方法。

2.1 避雷器的在線監測

避雷器的在線監測主要有以下方法：

1）全電流在線監測，目前國內許多運行單位使用MF-20型萬用表（或數字萬用表）并接在動作計數器上測量全電流，其原理如圖1所示。

圖1 全電流在線監測原理圖

測量時，可采用交流毫安表A1，也可用經橋式整流器連接的支流毫安表A2。當電流增大到2～3倍時，往往認為達到危險界限。但是該方法，在電力系統中諧波分量較大時，其準確性往往收到較大影響。

2）補償法測量阻性電流，是在測量電流的同時檢測系統的電壓信號，借以消除總泄露電流中的容性電流分量。其原理如圖2所示。

圖2 補償法測量阻性電流原理圖

3）諧波法測量阻性電流取MOA的電流信號，其原理圖如圖3所示。

圖3 三次諧波法原理圖

2.2 帶電測量阻性電流

避雷器的閥片老化、受潮、內部絕緣件受損及表面嚴重污染時，總的泄露電流（主要是阻性電流）將明顯增加，所以此試驗是現場檢測的有效方法。

2.3 紅外測溫

紅外測溫的原理是通過傳感器感應出避雷器表面的溫度變化，通過對避雷器的縱向和橫向溫差或溫升比較進行避雷器運行質量的判斷。

現場實踐證明，避雷器劣化引起的表面溫度場的變化有可能是比較細微的，所以現場需要仔細的對避雷器熱像圖進行分析，并進行縱向、橫向的比較，再聯合避雷器的在線監測、帶電測量阻性電流共同診斷，可有效的對故障相避雷器的故障性質作出較為準確的判斷。

3 現場案例分析驗證

根據上述分析，下面以昆明供電局某高壓配電網110 kV避雷器缺陷情況進行分析：

3.1 帶電監測數據分析

2020年1月4日，運維人員發現某110 kVⅠ母避雷器在線監測裝置顯示A相全電流和阻性電流較正常情況，數值明顯變大，變化情況如表1所示，從2019年12月15日至2020年01月04日，其阻性電流及其占比均成上升趨勢。

表1 110 kVⅠ母避雷器在線監測數據

為進一步確認，2020年1月8日，對該組避雷器開展運行電壓下交流泄漏電流的測量，運行電壓下交流泄漏電流的測量數據如表2所示。

從表2可知，110 kVⅠ母避雷器A相阻性電流異常，且已超出全電流的25%，綜合前兩年的數據，并進行相間橫向對比，初步判定內部存在缺陷，需要進行停電處理。

表2 110 kVⅠ母避雷器運行電壓下交流泄漏電流檢測數據

2020年1月9日，進一步開展紅外測溫發現，A相避雷器異常發熱，最大溫差為12.8 ℃，如圖4所示。

圖4 A相避雷器與正常相紅外圖譜對比

通過在線監測裝置、運行電壓下交流泄漏電流檢測數據及紅外測溫三種在線監測手段聯合診斷分析，判定該設備存在嚴重缺陷，建議立即對該組避雷器進行更換。

3.2 停電試驗驗證分析

2020年1月10日，對該組避雷器進行停電試驗檢查，絕緣電阻、直流1 mA下參考電壓及0.75U1mA下泄漏電流測試結果如表3所示。

表3 110 kVⅠ母避雷器停電試驗檢測數據

從表可知，A相避雷器絕緣電阻下降至1000 MΩ，0.75U1mA下泄漏電流也超出規程要求的50μA，兩項試驗數據均不符合規程要求，進一步確認電阻片已經發生劣化。

3.3 解體分析驗證

2020年1月20日，將該組避雷器進行更換后，對更換下來的A相避雷器進行解體檢查，發現A相避雷器底部防爆膜已嚴重銹蝕、粉化，避雷器內部嚴重受潮，多片閥片已經破損、劣化，導致運行中發熱，如圖5所示。

圖5 A相避雷器解體圖

4 結束語

根據上述分析可知，避雷器在線檢測、運行電壓下交流泄漏電流、紅外測溫三種方式聯合診斷方法，能夠及時并且準確地發現避雷器內部絕緣缺陷。相比傳統停電試驗而言，不僅節約了停電時間，緩解了人力資源矛盾，降低了現場安全風險，而且相比停電試驗，帶電監測是在真實運行電壓下獲得的試驗數據，試驗結果更能真實的反映設備的實際絕緣狀況。同時，由于是帶電監測，對測試周期可以靈活把握，有利于對避雷器缺陷及時進行跟蹤和處理。