金屬氧化物避雷器試驗補償裝置研究與應用

吳昊疆，王和喜，龔奕瑋，蒙 揚，陳弘基

（中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司廣州局海口分局，海南 海口 510663）

1 概述

相比于普通避雷器，金屬氧化物避雷器（MOA）具有良好的伏安特性，當電網電壓升高達到避雷器動作電壓時，釋放過電壓負荷，將電網電壓升高的幅值限制在一定水平之下。同時，避雷器還能限制雷擊過電壓及一部分操作過電壓，從而保護設備絕緣不受損壞[1]。因此，避雷器的穩定運行尤為重要。

為監測避雷器的健康狀態，常采用U1mA及0.75倍U1mA下泄漏電流兩個指標對設備進行評價。在避雷器長時間運行后，由于受到表面瓷套臟污、老化程度不同等因素影響，會造成上下節避雷器的U1mA有所差異。即使避雷器整體性能仍滿足運行要求，但是在開展U1mA及0.75 倍U1mA下泄漏電流試驗時，卻會出現上下節U1mA差值過大的情況，導致其中一節避雷器的U1mA難以測得。

2 避雷器特性及常規試驗項目

2.1 避雷器的伏安特性

避雷器作為重要的過電壓保護設備，自20 世紀80 年代開始，金屬氧化物避雷器已開始大規模應用于電力系統。得益于非線性電阻片的應用，金屬氧化物避雷器具有良好的伏安特性，如圖1 所示。

圖1 金屬氧化物避雷器伏安特性

避雷器整體的伏安特性可簡單區分為小電流區、非線性區、飽和區3 段。

第Ⅰ段為小電流區：由a 至b 電壓逐步升高的過程中，隨著電壓升高，泄漏電流逐漸增加。第Ⅱ段為非線性區：b 點為進入非線性區的拐點，b 點電流大概為1 mA，此時的避雷器殘壓值即為U1mA。泄漏電流到達1 mA 時，一般認為避雷器已經開始工作了。經過b 點后電壓再升高，避雷器電阻迅速減小，泄漏電流迅速增大，通過對地釋放大電流，降低電壓，從而實現對設備的過電壓保護。第Ⅲ段為飽和區：c 段之后，電壓升高，電流也迅速增加，一般c 點即為避雷器標稱放電電流，根據型號不同可以是5 kA、10 kA、20 kA 等。

2.2 避雷器常規試驗項目

避雷器一經接入電網即有微小的電流流過，使元件自身發熱。工作電壓越高，泄漏電流越大，發熱量隨之增加。在高壓電場、過電壓、自然環境等累積作用下，容易導致避雷器熱崩潰。避雷器作為電力系統中重要的電氣設備，定期對其開展試驗，監測設備狀態，對設備和電網安全意義重大。對于避雷器的設備狀態參數，依照《交流無間隙金屬氧化物避雷器》（GB/T 11032—2020），將避雷器的參考電壓分為工頻參考電壓和直流參考電壓，避雷器的參考電流分為工頻參考電流和直流參考電流。

依照國家標準《交流無間隙金屬氧化物避雷器》（GB/T 11032—2020）、《電氣裝置安裝工程設備交接試驗標準》（GB 50150—2016），規定了避雷器在開展型式試驗及交接試驗時，需測量避雷器工頻參考電壓和持續電流以及U1mA及0.75 倍U1mA下的泄漏電流。而依照《電力設備預防性試驗規程》（DL/T 596—2021）、《南方電網公司電力設備檢修試驗規程》（Q/CSG 1206007—2017），U1mA及 0.75 倍 U1mA下的泄漏電流為定期開展的預防性試驗項目。

綜上規程要求，避雷器出廠、交接、預防性試驗均需開展U1mA及0.75 倍U1mA下的泄漏電流試驗。

3 不拆線避雷器試驗的問題

3.1 不拆線試驗遇到的問題

廠站內使用的避雷器往往與CVT 一同安裝在線路進（出）線側，由龍門架進線處的引下線接至避雷器頂部接線板，且由于避雷器本身高度較高，拆除一次引線較為困難。在線路停電檢修期間對避雷器開展電氣試驗，為提高工作效率，簡化工作流程，往往采用不拆一次引線方式開展。

以220 kV 避雷器為例，在不拆線開展220 kV避雷器直流參考電壓U1mA試驗時，試驗接線如圖2所示。

圖2 不拆線開展220 kV 避雷器U1mA 試驗接線

直流高壓發生器的高壓輸出端接至兩節避雷器間的法蘭，μA 表1 測量高壓輸出端的電流值為I1，μA 表2 測量流過下節避雷器的電流值為I2，上節避雷器流過電流值為I3。當I1-I2=I3=1000 μA 時的電壓，即為上節避雷器的U1mA。在理想狀態下，避雷器上下節伏安特性完全一致，上下節避雷器所流過的泄漏電流也一樣，所以I2=I3。當I1-I2=I3=1000 μA 時，I2也為1000 μA，故儀器僅需具備2 mA 的輸出電流容量即可滿足試驗要求。

但在實際開展試驗的過程中，可能會因為種種原因導致上下節避雷器泄漏電流差值過大的情況。如下節避雷器流過的電流值I2先達到1000 μA，而直流高壓發生器輸出電流I1尚未達到2000 μA，甚至僅為1800 μA 或更小時，此時 I3與 I2的差值為 200 μA。目前常規直流高壓發生器的容量一般為3 mA，即使下節電流I2增加速率與上節電流I3相當，但若無法在I1＜3 mA 時測得I1-I2=1000 μA，當直流高壓發生器輸出電流I1＞3 mA 時，儀器已無法滿足測試要求。

3.2 傳統解決辦法及弊端

首先，可將避雷器簡化為電容和非線性電阻并聯的模型，理想狀態下，在施加直流電壓時，泄漏電流為流經非線性電阻片的電流。而在實際運行中瓷套表面仍會流過微弱的泄漏電流，若避雷器瓷套表面受潮臟污，瓷套表面流過的沿面泄漏電流將會影響試驗結果。

其次，避雷器內部由多片電阻片串聯而成，受到避雷器均壓環及周圍設備的耦合電容影響，每片電阻片在運行中承受的電場強度是不一樣的[2]。受此影響，避雷器長期運行后，電阻片的老化程度不一，故上下節避雷器之間的伏安特性也會發生變化，造成兩節避雷器間U1mA差值變大。

最后，在避雷器周圍安裝有一次引線、CVT 等設備，與避雷器構成一個復雜的阻容網絡[3]。由于阻容網絡與避雷器的相互作用，也可能會對U1mA試驗中的泄漏電流造成影響。

綜上所述，避雷器的U1mA難以測得，可能有以下3 個影響因素：①避雷器瓷套表面臟污。②長期運行后避雷器不同電阻片老化程度不一。③一次引線及周邊設備與避雷器構成的阻容網絡的影響。

為消除220 kV 避雷器上下節之間U1mA差值較大，不易測得U1mA試驗的情況。可以采用的方法有：①對避雷器瓷套表面進行清潔或采取表面屏蔽法進行試驗。②拆除一次引線，用低壓看表法單獨測量上節避雷器U1mA。③在下節避雷器處串接電阻片，抑制下節避雷器的泄漏電流[4]。

第1 種和第2 種方法為目前最常用的處理方法，需要投入更多人力配合開展高空作業，既增加了工作風險，又需要投入更多人力資源。

第3 種方法是通過在下節避雷器串接電阻片，提高該節避雷器的U1mA，從而使兩節避雷器間的U1mA差值減小。但電阻片外觀一般為穿心圓盤，現場安裝不便；且電阻片阻值選擇不當，也會導致試驗效果不佳，需反復進行調整及阻值匹配，操作較為煩瑣，工作效率不高。

4 避雷器試驗補償

為了降低工作風險、減少人力投入、提高工作效率，除了在下節避雷器串接電阻片，還可以通過對下節避雷器進行電壓（或阻性）補償，限制下節（或上節）避雷器的泄漏電流，使不拆線狀態下也能夠快速測得避雷器的U1mA。

以220 kV 避雷器為例，一般由2 節避雷器單元組成。依照規程中對U1mA的要求，試驗值與出廠值之差不應超過±5%。根據實際經驗及歷史試驗數據，試驗值與出廠值之差一般不大于3 kV。因此，補償裝置的輸出電壓峰值按照3 kV 進行設計，可滿足試驗的基本要求。

當上節避雷器U1mA較高時，下節避雷器泄漏電流首先達到1000 μA。此時補償裝置需對下節避雷器進行電阻性補償。

開始試驗時，補償裝置不對下節避雷器進行補償，觀察直流高壓發生器升壓時下節避雷器泄漏電流，若下節避雷器泄漏電流先達到1000 μA，此時的電壓即為下節避雷器U1mA。此種情況需要對下節進行電阻性補償，補償后可將下節避雷器泄漏電流限制在950~1050 μA，直流高壓發生器繼續升壓，觀察直流高壓發生器輸出電流達到2000 μA 時的電壓，即為上節避雷器U1mA。

當下節避雷器U1mA較高時，上節避雷器泄漏電流首先達到1000 μA。此時補償裝置則需對下節避雷器進行電壓補償。試驗方法與上述類似，先升壓觀察下節避雷器的泄漏電流。若上節避雷器首先達到1000 μA，此時直流高壓發生器輸出電壓即為上節避雷器的U1mA。此種情況需對下節避雷器進行電壓補償，補償后可將下節避雷器兩端的施加電壓提升3 kV，當下節避雷器泄漏電流進入950~1050 μA 范圍后，即使直流高壓發生器繼續微調升壓，補償裝置將自適應降壓，始終將下節避雷器泄漏電流限制在950~1050 μA。當下節避雷器電流為 1000 μA 時，直流高壓發生器輸出電壓-補償裝置電壓即為下節避雷器的U1mA。

另外，由于補償裝置的介入，在計算0.75 倍U1mA下的泄漏電流時，要考慮補償裝置此時的電壓。當工作人員對直流高壓發生器降壓至0.75 倍U1mA時，補償裝置也需要降壓至0.75 倍，此時的電流值才是正確的泄漏電流值。

通過避雷器補償裝置，可在不拆線開展避雷器試驗時，根據泄漏電流大小，選擇阻性或電壓補償方式開展試驗，通過限制泄漏電流，自適應調節電壓，有效解決了避雷器的U1mA難以測得的問題。

5 結語

避雷器作為電力系統中的重要設備，需要定期開展設備狀態檢測，保障設備及電網運行安全。依照相關規程，避雷器投運后需定期開展U1mA及0.75 倍U1mA下的泄漏電流試驗。因避雷器一次引線較高、感應電壓較大，拆除引線開展試驗風險較高，現場往往采用不拆引線的方式開展試驗。然而，避雷器不拆線試驗容易受到瓷套表面臟污、避雷器老化程度不一、耦合阻容電路等多種因素影響，往往會造成某節避雷器U1mA難以測得的問題。以往現場人員會通過清潔瓷套、屏蔽外表面、串接電阻片的方法嘗試解決，但是也存在高空作業風險較大、現場操作不便等問題。通過設計制作一套避雷器試驗補償裝置，對避雷器進行自適應電壓/阻性補償，可將其泄漏電流始終限制在1000 μA 附近，從而在不拆線開展避雷器試驗時，迅速找到上下兩節避雷器的U1mA，降低了工作風險，減少了人力投入，提高了工作效率。對多節避雷器或多柱并聯型避雷器，亦可設計相應補償裝置輔助開展試驗，為避雷器不拆線試驗提供了一套新的解決思路。