金屬氧化物避雷器電流參數(shù)分析

李小建

(云南電網(wǎng)電力研究院，云南 昆明 650051)

1 前言

為了解金屬氧化物避雷器(英文縮寫為MOA)的電氣性能，一個非常有效的手段就是測量其交流運(yùn)行電壓下的泄漏電流，通過對泄漏電流中各分量的分析來判斷MOA性能的優(yōu)劣及造成劣化的原因。哪些工頻電流參數(shù)能正確反映MOA性能的好壞有不同看法，為搞清楚這個問題，有必要作深入的探討。

2 MOA的基本電流參數(shù)及物理特性

對交流運(yùn)行電壓下MOA的泄漏電流而言，全電流無疑是重要的基本參數(shù)之一，是主要的測量對象。全電流由容性電流和阻性電流組成。正常情況下，流過MOA閥片主要是容性電流，阻性電流相對較小，僅占全電流的10%左右。雖然容性電流被認(rèn)為是線性變化，但由于MOA閥片的非線性，導(dǎo)致阻性電流為一非正弦波，因此全電流波也為非正弦波。當(dāng)流過MOA總體的電流I為已知時，其壓降U為:

式中A—與閥片高度、面積有關(guān)的常數(shù)。

變換后，已知壓降U時計算I的公式為

阻性電流是另一重要的基本參數(shù)，它由阻性電流基波和各奇次諧波電流組成，其傅里葉級數(shù)的展開式為

式中各次諧波電流幅值的表達(dá)式為

由基波和各奇次諧波電流組成的阻性電流為非正弦波，因此阻性電流總是用峰值來表示。在實際分析中，由于三次以上奇次諧波電流的值很小，一般總認(rèn)為阻性電流峰值由基波和三次諧波電流組成，它能綜合反映MOA的受潮、元件損壞、表面污穢和閥片老化。阻性電流峰值和全電流波雖同為非正弦波，但由于全電流中的容性電流波在相位上超前阻性電流波90°，因此兩者的波形還是有較大的差別。

阻性電流基波是個正弦分量，主要反映MOA有功分量的變化。與阻性電流峰值一樣，阻性電流基波也能反映MOA的受潮、元件損壞、表面污穢和閥片老化情況，不同的是它是從功率損耗的角度來反映的。

阻性電流三次諧波分量也是個正弦分量，它和其它奇次諧波電流是由MOA閥片的非線性特性而產(chǎn)生的。三次諧波分量與阻性電流基波之間存在一定函數(shù)關(guān)系，三次諧波電流分量的大小可間接反映MOA有功損耗的變化和閥片的老化情況。目前一些阻性電流儀就是根據(jù)它們之間的這種關(guān)系制造出來的。

容性電流分量是個正弦量，隨著外施電壓的增大按線性規(guī)律增加。當(dāng)閥片溫度增加時，容性電流分量值也有微略的改變，但這種變化比起阻性電流的變化要小得多，可忽略。正常情況下容性電流中的高次諧波含量只有(容性電流)基波量的1% ～2%［2］，因此可以認(rèn)為容性電流分量是線性變化的。

3 電流參數(shù)反映MOA的電氣特性

根據(jù)上一節(jié)的分析，各電流量都能反映MOA電氣性能的變化。那么誰是最主要的量，測試儀器應(yīng)該給出哪些測量值，每次預(yù)試后應(yīng)紀(jì)錄哪些電流值作為判斷值和今后的比較量，對這些問題各有不同看法。

3.1 全電流

電力預(yù)防性試驗規(guī)程(DL/T596－1996)［6］規(guī)定“對MOA應(yīng)測量運(yùn)行電壓下的全電流、阻性電流或功率損耗”。這表明全電流和阻性電流是必須監(jiān)測的兩個基本量。全電流是個非正弦量，應(yīng)以峰值來表示。全電流峰值由容性電流和阻性電流組成，阻性電流所占成分很小，因此全電流對阻性電流的變化反映不靈敏，就是有反應(yīng)也容易被測量的分散性所掩蓋，導(dǎo)致無法進(jìn)行正確的判別。它的價值主要體現(xiàn)在MOA有較大故障或老化較嚴(yán)重時，因此它只是一個不可缺少的參考量。

3.2 阻性電流峰值分量

阻性電流峰值由包括基波在內(nèi)的各奇次諧波疊加而成。在系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行電壓下，正常的阻性電流峰值約100～200μA，MOA受潮和閥片老化后，阻性電流峰值的變化很容易達(dá)到這個數(shù)量級，因此阻性電流峰值綜合反映MOA性能的變化是比較靈敏的，很多情況下都以它數(shù)值的大小來判別MOA性能的優(yōu)劣。預(yù)防性試驗規(guī)程(DL/T596－1996)規(guī)定:當(dāng)阻性電流增加到初始值的一倍時，應(yīng)停電檢查［6］。部分避雷器的生產(chǎn)廠家也規(guī)定了運(yùn)行電壓下阻性電流(峰值)允許的上限值，作為判別MOA性能優(yōu)劣的參考標(biāo)準(zhǔn)(如西瓷廠對330kV避雷器規(guī)定為0.3mA)［1］。國外一些觀點還認(rèn)為MOA閥片的功率損耗(或阻性電流分量)達(dá)到初始值的2倍時，或阻性電流達(dá)到10mA時，避雷器就不再能夠可靠工作了，以此來推算其預(yù)期壽命［4］。阻性電流峰值IRP是一個非常重要參數(shù)，在作MOA性能的好壞的初步判斷時應(yīng)以它的大小作為標(biāo)準(zhǔn)。但它只是一個綜合量的反映，且易受電源諧波的影響，因此在對造成阻性電流增大原因作深入分析時僅靠它是不夠的。

3.3 阻性電流基波分量

阻性電流基波是從功率損耗角度綜合反映MOA性能的分量。與阻性電流峰值IRP一樣，作MOA缺陷的深入分析和判斷時它的局限性就體現(xiàn)出來了，因此在MOA性能變化和缺陷的判斷方面它也是一個綜合判斷量。由于阻性電流基波不受電源電壓諧波的影響，因此有人提出用測量阻性電流基波的方法代替測量阻性電流峰值，并以此制造出了測量儀器［5］。這樣做是否正確下面還要深入進(jìn)行討論。

3.4 阻性電流三次諧波分量

阻性電流三次諧波是由MOA閥片的非線性產(chǎn)生的。MOA閥片老化之后，阻性電流中的三次諧波成分增大［1］。三次諧波分量只反映MOA閥片的老化，是一個不折不扣的局部判斷量。

3.5 用各電流分量判斷MOA性能的方法

從以上分析可看出，MOA的各個基本電流量在反映MOA缺陷方面都有一定的局限性，都不能單獨(dú)作為一個判斷量來確認(rèn)MOA性能變化的原因。正確的方法是準(zhǔn)確地測量各個基本電流量，根據(jù)各個電流量的大小綜合分析和判斷MOA性能的好壞和變化的原因。

目前流行這樣一種觀點，認(rèn)為阻性電流基波IR1是反映MOA性能的好壞的主要參數(shù)，測量儀器與測它為主;試驗中只紀(jì)錄全電流和阻性電流基波IR1，并以其作判斷值及試驗的初始比較值。持這樣觀點的人認(rèn)為①IR1既包括MOA受潮等的信息也包括其老化的信息。②電源電壓諧波會給MOA阻性電流峰值的測量帶來較大的誤差，而IR1并不包括諧波分量。

根據(jù)公式(2)和(3)，當(dāng)MOA閥片老化后其β值增大，從而基波電流IR1及諧波電流IRN也相應(yīng)增大。IR1的老化增大與IR3的老化增大是有區(qū)別的，IR1反映的是閥片老化導(dǎo)致的有功量的增加，而IR3等反映的是閥片老化后電流非線性的變大。文［3］指出根據(jù)國外的研究，MOA閥片的劣化主要使其中的IR3加大，受潮將主要使其中的IR1加大。文［3］還給出了相鄰兩奇次(n次、n－2次)諧波阻性電流幅值間的關(guān)系

公式顯示，n=3時，隨著β值的增加，IR3占IR1的比例越來越大，最終趨近1:1。如n=3對，當(dāng)β=3時，當(dāng)β=10時I=R3已超過1/2。由此可見I對閥片老化的反R3映是十分靈敏的。IR1主要反映MOA有功分量的變化，因此對諸如MOA瓷套表面臟污、內(nèi)部元件損壞和受潮及老化等均有反映，是個綜合判斷量。如果測試后只給出一個有變化的IR1值，測試者能知道是什么狀況造成這種變化的嗎?事實上IR1與IRP一樣只能籠統(tǒng)地對MOA性能作出反映，對閥片老化的反映也不靈敏，因此僅憑IR1這一參數(shù)是不能有效地對造成MOA性能變化的原因作出正確判斷的。

對MOA性能變化原因正確測量和判別的方法是，用能全面正確測量MOA參數(shù)的記錄儀記錄I、IRP、IR1和 IR3等參數(shù)。當(dāng)發(fā)現(xiàn) I和 IRP有增加，說明MOA有問題，比較IR1和IR3的變化，IR1增大;IR3沒變化，可認(rèn)為MOA有受潮、臟污等。反之IR3明顯增大;IR1有增加但變化不明顯，則可斷定MOA的閥片在老化。

3.6 電壓的諧波含量對阻性電流測量的影響

電壓的諧波含量對阻性電流幅值是有影響的，如電壓諧波含量增大則影響更為顯著［2］。但實際上除個別諧波較大的區(qū)域(如冶煉廠、電力機(jī)車等)外，電力系統(tǒng)中的電壓諧波分量并不大。按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定110kV及以上電網(wǎng)的諧波含量應(yīng)在1.5%以內(nèi)。諧波的影響主要表現(xiàn)在諧波含量的變化方面，如系統(tǒng)內(nèi)的電壓諧波含量基本保持恒定，相對比較時，這個影響可以被排除。在停電狀態(tài)下的預(yù)試中，電壓諧波主要來自試驗電源(如試驗變壓器等)。如每次試驗采用同一電源，在相對比較中，諧波的影響也可以被排除。另外利用IR1只反映MOA閥片老化有功分量變化的特性，對各測量參數(shù)進(jìn)行綜合比較，可有效地判斷是諧波的影響還是MOA閥片的老化。準(zhǔn)確測量IRP、IR1和IR3等參數(shù)，當(dāng)僅由系統(tǒng)電壓諧波造成MOA諧波電流增加而閥片未老化時，只有IRP和IR3會變化，而IR1不會變化;當(dāng)IRP、IR1和IR3三個電流參數(shù)同時變大時(增大比例不一樣)，說明MOA閥片在老化，應(yīng)引起注意。這樣的綜合分析和判斷有利于克服電壓諧波造成的測量不確定性和誤差。

3.7 用優(yōu)良的儀器和正確的測量方法

目前不少廠家生產(chǎn)的阻性電流測試儀只能測量部分電流參數(shù)，且不少參數(shù)還有很大的測量誤差。對這樣的儀器，可以認(rèn)為不具備正確測量的能力，不能有效用于MOA阻性電流的測量，廠家應(yīng)對其進(jìn)行改造和完善，使其真正能用于現(xiàn)場的阻性電流測量。對現(xiàn)場測試人員而言，掌握正確的測量方法，全面準(zhǔn)確地測量各性能參數(shù)，認(rèn)真分析綜合比較，不能只以部分參數(shù)來判別MOA的性能變化，這樣才能不斷提高測試水平，對試品性能作出正確的判斷。

4 結(jié)論

1)對MOA的特性而言，非正弦的阻性電流峰值是一個非常重要的參數(shù)，MOA性能的很多判據(jù)都是以它為標(biāo)準(zhǔn)的，應(yīng)認(rèn)真準(zhǔn)確測量。

2)阻性電流基波對MOA閥片老化的反映不靈敏，僅綜合性地反映MOA閥片的功率損耗，因此不能有效地分辨MOA性能的變化原因，單獨(dú)以它作為判斷MOA性能好壞和變化原因的參數(shù)是不行的。

3)要對被試MOA的性能作出正確的判斷，必須用測量誤差小而測量參數(shù)全的測試儀全面記錄各參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合分析比較，只有這樣才能得出正確的結(jié)論。

［1］蔣國雄，丘毓昌.避雷器及其高壓試驗［M］.西安交通大學(xué)出版社，1989.

［2］梁毓錦.金屬氧化物非線性電阻在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用［M］.中國電力出版社，1997.

［3］王秉均.金屬氧化物避雷器［M］.水利電力出版社，1993.

［4］熊泰昌《電力避雷器的原理、試驗與維修》水利電力出版社，1993.

［5］顏文.便攜式MOA－RCD阻性電流測量儀［J］.中國電力，1993年7期.

［6］DL/T 596－1996.電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程［S］.中國電力出版社1997.