氧化鋅避雷器故障類型與診斷分析

張文浪 王橋莉 張光耀

（1、陜西公眾智能科技有限公司，陜西 西安 710000 2、陜西東方航空儀表有限責任公司，陜西 漢中 723102 3、西安市軌道交通集團有限公司，陜西 西安 710000）

近年來，氧化鋅避雷器（MOA）在電網(wǎng)運行方面逐漸得到了更廣泛的應用。由于MOA 擁有非線性特性好、放電無延遲、無工頻續(xù)流等諸多優(yōu)點[1]，因而被廣泛地用在了電力系統(tǒng)運行中。

在實際工況下，MOA 在日常運行的過程中一旦發(fā)生自身事故，不僅會影響自身絕緣性能和設備安全，嚴重時還會發(fā)生爆炸等事故，從而影響周圍工作人員和電網(wǎng)運行。基于此，本文對MOA 發(fā)生故障時，兩大典型故障進行分析。其次，對故障帶來的影響進行概括，在電力系統(tǒng)運行中，必須要對運行中的氧化鋅避雷器的日常運作進行檢測，從而達到對它可以進行防護的目的。

在MOA 密封性不良的影響下，會有很大幾率會使其在運行時的閥片出現(xiàn)容易受潮的情況。由于外部水分的影響，它在進入MOA 后會積累在其內(nèi)部，與此同時，隨著水分的積累，在MOA 內(nèi)部很可能會發(fā)生受潮的現(xiàn)象，進而會導致泄漏電流增大，從而繼續(xù)促使惡劣程度加劇，接著造成MOA 泄漏電流增大。如若故障得不到及時的排查，嚴重時將導致MOA 出現(xiàn)絕緣性能問題，甚至是爆炸等。而老化使得氧化鋅避雷器內(nèi)部電位分布不均，從而出現(xiàn)額外溫升，又加速老化，同樣會導致惡性循環(huán)的產(chǎn)生。隨著老化，會出現(xiàn)內(nèi)部擊穿的現(xiàn)象，從而影響MOA 絕緣性能甚至是電網(wǎng)運行。

1 氧化鋅避雷器典型故障

氧化鋅避雷器具有很多優(yōu)點，尤其是它無間隙、無續(xù)流、殘壓低等一些非線性特性。但同時，避雷器在實際工況運行過程中，受到很多因素的影響[2]，往往會導致其出現(xiàn)諸多故障的發(fā)生。

在MOA 正常運行時，一旦出現(xiàn)缺陷時，會影響氧化鋅避雷器的絕緣性能，若缺陷得不到排除，會隨著時間推移轉(zhuǎn)變?yōu)楣收希收喜坏珪绊慚OA 自身絕緣性能，嚴重時還會發(fā)生爆炸等事故，從而影響周圍工作人員和電網(wǎng)運行。所以，在電力系統(tǒng)中，非常有必要強化對氧化鋅避雷器故障原因的分析。

1.1 密封性差

圖1 氧化鋅避雷器結構圖

對氧化鋅避雷器故障原因的分析中，主要因素之一，就是其密封性較差。比如閥片受潮。氧化鋅避雷器閥片受潮主要是由于其在生產(chǎn)、運輸及安裝過程中密封性受到破壞，導致產(chǎn)生貫穿性裂紋[3]，在氧化鋅避雷器正常運行時，隨著時間的增長，外部水分會逐漸滲入氧化鋅避雷器內(nèi)部并在一定條件下會積累起來，使氧化鋅避雷器絕緣受到影響。當氧化鋅避雷器受潮情況積累到一定程度時，MOA 內(nèi)絕緣性能下降，會導致無法承受其內(nèi)部相應的電壓的情況出現(xiàn)，從而促使氧化鋅避雷器出現(xiàn)內(nèi)部絕緣擊穿的事故。一般情況下，在事故中，會表現(xiàn)為MOA 外表面出現(xiàn)比較明顯的閃絡痕跡，緊接著引起局部發(fā)熱，當MOA 的受潮情況嚴重時，可能會導致線路對地短路的事故發(fā)生。

因此，要做好對MOA 的運行安全的監(jiān)測，準備相應的預防措施，防止事故的發(fā)生以及后續(xù)對發(fā)生事故的原因進行分析。

1.2 老化故障

電力部門多年的試驗和運行經(jīng)驗表明，除去氧化鋅避雷器本身的制造質(zhì)量問題，環(huán)境濕熱以及外護套表面污穢是加速MOA 老化的主要原因[3]，如閥片使用較多。同一時間下不同的閥片老化速度不同，有的老化快有的老化慢，不同的閥片承壓能力也不同，會導致氧化鋅避雷器出現(xiàn)內(nèi)部電位分布不均的問題，一般在這個情況下，會造成閥片出現(xiàn)存在額外溫升的現(xiàn)象，進而導致氧化鋅避雷器老化的速度變快，引發(fā)氧化鋅避雷器內(nèi)部擊穿事故。

一般情況下，MOA 出現(xiàn)泄漏電流的增加的現(xiàn)象時，可以認為是受所處環(huán)境的天氣因素影響的。即，它們隨著氣候條件呈現(xiàn)間斷性出現(xiàn)的特點。這種現(xiàn)象隨著天氣的變化而變化，在濕潤天氣下這種現(xiàn)象會加重，過一段時間后，等天氣變化后則又會消失。

氧化鋅避雷器中若處于潮濕高溫和表面污穢兩種狀態(tài)中，在它們的雙重作用下，氧化鋅避雷器內(nèi)部電位分布不均的問題將更加嚴重。

2 MOA 在線監(jiān)測技術

為了防止MOA 故障對電力系統(tǒng)和工作人員人身安全造成損害，為了滿足在故障發(fā)生之前能夠準確檢測出氧化鋅避雷器內(nèi)部絕緣缺陷所在及能夠?qū)υO備絕緣進行可靠的統(tǒng)計分析的需求，如何監(jiān)測MOA 在運行中的工作水平，從而保障電網(wǎng)的安全運行顯得很重要。在線監(jiān)測不僅能預防MOA 在前期出現(xiàn)缺陷，還可以隨著工作時間的增加，為其積累原始數(shù)據(jù)，具有很多方面的作用。

對于電網(wǎng)運行來說，在線監(jiān)測的主要目的就是收集氧化鋅避雷器在運行時產(chǎn)生的準確的技術參數(shù)，在收集到數(shù)據(jù)后，通過對收集到的MOA 技術參數(shù)進行分析，進而提供給相應工作人員，便于及時了解氧化鋅避雷器的健康情況，進而再進行缺陷排查的操作。

目前，對于預防MOA 缺陷的方法來說，對應設備帶電檢測，有許多方法，氧化鋅避雷器的在線監(jiān)測只是其中一種方式，它通過對MOA 的在線監(jiān)測，通過收集并分析設備的運行狀態(tài)的手段進行監(jiān)測。當運行時有缺陷發(fā)生時，使工作人員能夠按照分析出來的實際情況對特定部位進行檢修，及時排除缺陷部位進行修正，防止缺陷轉(zhuǎn)變?yōu)楣收希鉀Q設備存在的問題，避免更嚴重的電網(wǎng)運行事故的發(fā)生。

2.1 MOA 在線監(jiān)測技術原理

圖2 為MOA 的等效電路結構圖和向量關系圖，相當于一個非線性電阻R 和線性支路電容C 構成的混聯(lián)電路。其中IR為阻性電流，IC為容性電流，IX為全電流。

圖2 氧化鋅避雷器等效電路圖和向量關系圖

氧化鋅避雷器的運行狀態(tài)可以通過IR、IC和IX這三種電流的變化趨勢來判斷出來。在線監(jiān)測技術通過使用MOA 帶電測試儀，檢測流經(jīng)MOA 的IR，即阻性電流分量或由此產(chǎn)生的有功功率損耗來及時發(fā)現(xiàn)MOA 缺陷[4]。

對氧化鋅避雷器而言，如果處于正常運行狀態(tài)，主要流過的電流是IC，阻性電流相對來說占比并不高。如果電力設備因為密封性不良或者老化的原因?qū)е率艹辈荒苷＿\行時，在這種情況下，流過MOA 的IR的電流量開始增加，而IC的電流量卻沒有太大的變化。與此同時，IX也與IR一樣，它們的數(shù)值將明顯增加。因此監(jiān)測MOA 的運行狀態(tài)，用在線監(jiān)測技術的方法十分有效。

監(jiān)測的數(shù)據(jù)通常有運行電壓下的泄漏電流大小和絕緣電阻的大小等[5,6]，測量數(shù)據(jù)主要是由全泄漏電流的測量和阻性電流的測量構成。

2.2 全泄漏電流的測量

在MOA 監(jiān)測方式中，經(jīng)常使用的對全泄露電流進行監(jiān)測的是全電流法，其原理如圖3 所示。其具體的操作方法是：通過將兩個儀表，即動作計數(shù)器和萬用表，串聯(lián)在MOA 的底部和地之間，通過這個方式實現(xiàn)對MOA 進行在線連續(xù)監(jiān)測。通過對比全泄露電流變化狀況，來判斷MOA 的內(nèi)部是否進水以及MOA 運行情況。這個方法具有方便可靠、操作性強的優(yōu)點，然而與此同時，它的缺點也無法忽視，在MOA 逐漸出現(xiàn)老化以及早期MOA出現(xiàn)受潮時，流經(jīng)MOA 的阻性電流變化很小，全電流的大小不會受到大影響。所以全電流法在這兩種情況下處理較為遲鈍。

圖3 氧化鋅避雷器全電流法原理圖

目前，逐漸顯示出優(yōu)勢的光纖取樣技術是采集監(jiān)測全電流的首要方式。這個方法使得泄露電流中的一些等問題得到了完善解決。光纖取樣技術可以對MOA 的泄露電流以及電流超標進行檢測和報警，且都可采用主動的方式進行。

2.3 阻性電流的測量

測量阻性電流分量的方法有很多，其中較為常見的方法有電容電流補償法、高次諧波法以及基波電流法等。

電容電流補償法是對過去阻性電流法的優(yōu)化方法，其等效圖如圖4 所示。過去的阻性電流法在獲取阻性電流的同時，可能會存在角差問題，同時受諧波電流的影響較大，因此對傳感器的要求比較高，需要它具有高質(zhì)量的磁芯。對于改進的方法來說，通過這種補償法，對阻性電流進行改進，使測量更加方便，但該方法只有當氧化鋅避雷器總泄漏電流中阻性電流的相位與容性電流的相位成π /2 的時候才能夠得到避雷器運行狀況的真實結果。

圖4 氧化鋅避雷器補償法等效圖

高次諧波法是利用MOA 電流測試儀來對MOA 的運行情況進行測試的，其原理圖如圖5 所示。是在基波法的基礎上運用FFT 變換對同步檢測到的電壓和電流信號進行諧波分析，獲得電壓和阻性電流各次諧波的幅值和相角，從而對氧化鋅避雷器的性能做出判斷。主要測量手段是通過收集氧化鋅避雷器的三次諧波電流數(shù)據(jù)，然后通過系數(shù)相關曲線，來對氧化鋅避雷器運行工況進行判斷。

圖5 氧化鋅避雷器高次諧波法原理圖

基波電流法通過快速傅立葉變換（FFT）來運算得到CT 全電流信號以及PT 電壓的數(shù)值，通過提取氧化鋅避雷器基波的電壓電流數(shù)據(jù)進行投影，從而獲取氧化鋅避雷器的阻性電流。該方法的好處是，它不易受電網(wǎng)諧波帶來的干擾，相同情況下檢測程度更高。

2.4 基于溫度測量方法

實現(xiàn)對MOA 各電流的提取，其全泄露電流和阻性電流都會受環(huán)境溫度濕度、及相應運行電壓的影響，而發(fā)熱是電力設備最典型的故障特征之一，通過紅外測溫可以實現(xiàn)對MOA 出現(xiàn)早期受潮時的初步檢測。

目前，紅外測溫技術在識別氧化鋅避雷器出現(xiàn)缺陷時，是一種方便可靠的檢測手段，如紅外線熱像具有不受電場干擾的優(yōu)點。為了實現(xiàn)對MOA 運行狀況的在線監(jiān)測，可借助這種技術，有效診斷氧化鋅避雷器出現(xiàn)缺陷的情況。

3 結論

本文對氧化鋅避雷器發(fā)生故障時的兩大典型故障進行了分析，其中密封性差是MOA 故障的主要原因。其次分析了氧化鋅避雷器進行在線監(jiān)測的基本原理，得出了在MOA 發(fā)生故障時，流過MOA 內(nèi)部的容性電流并不會發(fā)生明顯波動，但是流過MOA 的阻性電流會增加，同時相應的全泄露電流會隨之明顯增加的結論。

在線監(jiān)測技術實現(xiàn)了對氧化鋅避雷器狀態(tài)的監(jiān)測，建立起MOA 的故障監(jiān)測術或管理手段來減少避雷器故障的發(fā)生，是保障電網(wǎng)安全運行的重要技術手段。