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为了保护变电站中价值昂贵的资产, 约20年前，波斯尼亚和黑塞哥维那电力系统运营公司Elektroprenos BiH 开始在每个高压变压器间隔中安装金属氧化物（MO）避雷器。从1996到2000年间, 这项投资计划为几乎全部的110kV、220kV和400kV变压器间隔配备了避雷器。
尽管避雷器通常不需要维护, 但大多数用户仍然认为有必要对其定期监测并采用了多种监测方法。2001年, Elektroprenos公司基于测量系统电压下泄漏电流的阻性分量, 即分析包含有三次谐波补偿的总泄漏电流, 开始对新安装的避雷器进行状态测试。
本文由Elektroprenos输电工程师Igor Djokic, Evelin Sokolovic和Goran Skelo撰写, 综述了这项测试项目的原理和结论, 也探讨了出现总泄漏电流阻性分量显著增加的特殊情况, 并讨论了其原因。
尽管避雷器的基本功能是保护电网中的电力设备免遭过电压侵袭, 但在其大部分服役寿命期中, 避雷器基本上起着和绝缘子相同的作用。由于避雷器独一无二的结构 (即金属氧化物 (MO) 阀片具有非线性伏安特性并且串联使用) , 流过地线的电流值恒定。因此, 在适用的网络电压和环境温度下, 绝缘特性的任何老化伴随着总泄漏电流的增大, 特别是其阻性分量。
因此, 大多数监测避雷器状况的诊断方法是基于对该参数的测量, Elektoprenos也决定基于该测试项目来进行这一分析。由于现实和经济原因, 认为在正常运行条件下进行试验是理想的, 并为此购买了特殊泄漏电流监测仪 (LCM)。
LCM装置：基本原理
当正弦波电压施加在避雷器上时, 由于MO阀片是非线性电阻, 总泄漏电流中包含的谐波更高。谐波的数量取决于阻性泄漏电流幅值和阀片电阻值的非线性度 (也取决于系统电压和温度)。这解释了为什么泄漏电流的谐波含量能够作为阻性泄漏电流水平的有效指标。
除了MO避雷器的非线性电阻, 泄漏电流谐波的总含量也包括源于输电网络自身的分量。系统电压产生的容性泄漏电流谐波量与避雷器非线性电阻产生的泄漏电流谐波量在同一个数量级上。例如, 容性泄漏电流的典型峰值为约1mA, 网络电压中包含的三次谐波的1%产生大约30μA的容性电流峰值。这意味着必须补偿 (即消除) 网络电压产生的泄漏电流谐波, 从而避免测试避雷器时发生重大错误的风险。
Elektroprenos用于监测避雷器状况的LCM装置由如下部分组成：
1. 控制单元, 处理所有数据；
2. 电流探针, 通过接地线来提供泄漏电流信息；以及
3. 电压探针, 其位置临近绝缘基座, 提供补偿系统电压谐波量所需要的信息。
校正和分析测试测量
LCM测试装置测量的数据始终显示为施加到避雷器上的网络电压为0.7倍Un, 阀片温度维持在20°C时的值, 但在试验过程中很少出现这些条件。考虑到阻性泄漏电流和阻性泄漏电流三次谐波分量的关系随着网络电压和温度的不同而变化, 这就是为什么必须对测量结果进行修正。这些修正是基于测试设备制造商所提供的特殊曲线。最终结果是将阻性泄漏电流修正到实际环境温度以及实际施加到避雷器上的网络电压。
对阻性泄漏电流数据的分析是通过对同类型、同生产年份以及类似序列号避雷器的测试结果进行对比。此外, 由于MO压敏电阻的老化导
致阻性泄漏电流增大, 有必要定期进行测试来记录这些增长的数据。
LCM测试仪中阻性泄漏电流三次谐波和总阻性泄漏电流之间的特定关系是根据同一家制造商生产出的避雷器确定的, 因此, 测量仅仅适用于该特定供应商的避雷器。但如果考虑测试结果将不是泄漏电流的真实值这一因素, LCM测试仪也能用于测试其他供应商生产的避雷器。幸运的是, 如果以相同的时间间隔进行测量, 与此同时也监测任何两次测量之间阻性泄漏电流的增大, 则不会给分析带来很大的影响。采用这种方法, 可以根据分别测量分析不同供货商的避雷器将测量分析的结果进行分类。
采用Elektroprenos购买的特制LCM测量仪进行的测量仅对一家与此测量仪联营的避雷器制造商有效 (供应商2)。因此, 采用它来测试其他制造商的避雷器时, 有必要从每个避雷器通电运行之时起, 之后在特定的时间间隔, 监测阻性泄漏电流的增长。
向波斯尼亚输电网络供应大部分避雷器的制造商 (供应商1) 建议：如果阻性泄漏电流增加到超过初始值的三倍, 必须进行附加测试。或者必须联系制造商并最终更换避雷器。相同的理念也适用于其他避雷器供应商。避雷器通电运行后对测量数据进行分析, 从而将数据与同类型、同生产年份、相同产品编号和相类似序列号的避雷器得到的结果进行对比。同时, 也必须考虑所有相关的运行条件 (例如服役时间、遭受雷击、计数器上记录的雷击次数等)。
由于阻性泄漏电流随着温度和系统电压的不同而各异, 对比相同避雷器或者相同类型避雷器的两次测量结果则要求校正到参考值。通常, 校正到20°C和0.7Un。可以从避雷器制造商处获得校正曲线, 图1和图2是供应商1的避雷器阻性泄漏电流随着电压及温度而变化的实例。
Elektroprenos测试输电线路避雷器
Elektroprenos避雷器测试项目开始于大多数安装的避雷器已经运行了2年到5年之间。鉴于此, 无从知道通电时的阻性泄漏电流, 那么, 分析则通过与相同类型、相同生产年限, 相同产品编号和相类似序列号避雷器获得的测量结果进行对比。
被测试数量最高的是安装在110kV电网中的避雷器，Elektroprenos电网的全部避雷器中，约80%由供应商1所生产。少部分避雷器由一系列其他制造商提供。图3和图4显示了供应商1制造的一支避雷器在持续三年的第一次测试后的数据。提供此类避雷器的测量数据是因为这类避雷器数量众多（共计165支），足以能够得出阻性泄漏电流的预期结论。
测试期间注意到：得出的中相测量值 (‘4’) 比外相 (‘0’和‘8’) 得到的结果低10%到40%。因此这类避雷器获得的结果展示在两幅不同的图中。
图3所示为供应商1提供的安装在 ‘0’ 相和 ‘8’ 相的一种指定型号避雷器的预期阻性泄漏电流, 其值在50μA到60μA之间。而图4所示为安装在 ‘4’ 相上的同样型号的避雷器, 其预期阻性泄漏电流所处的范围为40μA到50μA。 (也对其他制造商的避雷器进行了类似的试验, 但避雷器的数量不足以达到能够对预期值下结论。) 初始测试之后, 后续对MO避雷器的测试以每三年一次的周期进行。例如, 图5和图6提供了2014年底对这些相同避雷器的测试结果。
最近一次的测试结果显示：大多数避雷器的阻性泄漏电流增加了。对于阻性泄漏电流增幅超过预期值两倍的避雷器, 后续的测试周期间隔从每三年一次缩短到每年一次, 并且目前正在持续不断地监测这些避雷器的状况。
从2001年到2014年期间测试的避雷器总数中, 发现仅有三只避雷器由于泄漏电流明显高于预期值而从运行中退出。
阻性泄漏电流明显增加的事例
对安装在不同变电站内110kV变压器间隔中的两只MO避雷器进行例行测试时发现：每只的阻性泄漏电流都比预期值高出了十倍多。在这
两种情况下, 除了对这些避雷器进行测试外, 还通过测量绝缘电阻、容量和介质损耗因数 (tgδ) 对电流互感器 (CT) 进行了测试。也分析了油样中溶解的气体。基于这些调查, 发现它们在绝缘上有显著的缺陷, 并将这两只CT退出运行。鉴于此, 也决定对上述相同110kV变压器间隔中的断路器 (单杆传动机构类型) 进行测试。
第一种情况下的测试显示：在合闸操作中, 其中一相的传动杆滞后第一相260ms, 而第二种情况滞后140ms。这碰巧发生在与测量到阻性泄漏电流增大的同一杆上。基于此得出结论, 避雷器和CT阻性泄漏电流增大以及相关绝缘性能缺陷的原因是：空载变压器开关操作期间断路器传动杆滞后而导致出现的过电压。
图7描述了空载变压器开关操作时当断路器传动杆‘a’在电压为0时关合 (从仿真开始后15ms) 的仿真结果 (使用EMTP软件)。另外两相断路器传动杆保持断开直到仿真结束。
在电压为0时关合断路器传动杆 ‘a’, 导致在关合后第一个周期约8ms时出现过电压, 该过电压达到约为160kV的峰值。在接下来的电压中, 当电压再次下降到约160kV之前, 最大峰值上升到约220kV。由于其幅值和频率的原因, 这两相的电压可以称为工频 (50Hz) 暂态过电压, 出现这种情况的原因是电力变压器电感和电容之间的谐振现象。由于变压器励磁支路的电感是非线性的, 这种现象也叫做铁磁谐振。
从文献中得知, 造成铁磁谐振的原因是空载变压器开关操作时断路器传动杆的滞后作用, 发生在变压器一次绕组在隔离情况下的三角形连接和星形连接中, 也出现在变压器原边一次绕组直接接地且星形连接的情况下。
当供应低负荷变压器的电缆或输电线的一个相开断时也会出现电力变压器铁磁谐振。电力变压器铁磁谐振造成的过电压峰值可以达到超过峰值额定电压的几倍 (取决于电网的参数), 证明会对变压器间隔中设备的绝缘 (即断路器、CT和避雷器), 以及也对变压器本身的绝缘, 造成致命的伤害。MO避雷器对这类过电压尤其敏感, 这是因为, 在铁磁谐振造成变压器长时间持续过电压的情况下, 避雷器或许不能够消散所有累加的能量。这将会导致其绝缘劣化, 可能甚至导致热失效。
图8显示为一空载变压器合闸操作的仿真结果, 断路器传动杆 ‘a’ 在电压为0时合闸, 然后传动杆 ‘b’ 和 ‘c’ 在电压为最大值时合闸 (15ms之后)。
仿真结果显示, 工频暂态过电压出现之后 (闭合滞后第一相的两相传动杆的瞬间, 电力变压器铁磁谐振所造成), 出现另一个在波前陡然增加的过电压, 在μs范围内。这一过电压的峰值达到270kV, 甚至可能在约500kV带电运行期间遇到电压发生非常急剧的变化。
得出的重要结论是, 断路器合闸操作期间有两相滞后时, 可以出现两种类型的过电压：
1. 变压器铁磁谐振造成的工频过电压；以及
2. 操作过电压, 伴随着闭合滞后的两相断路器传动杆之后急剧升高到峰值。
可以证明, 这两种过电压的效应对变压器间隔中设备的绝缘是毁灭性的。
在第三种情况中发现, 避雷器阻性泄漏电流比预期值高10倍的原因大不相同。此处, 避雷器安装在一个夏天雷电频繁的变电站内, 所以, 安装在避雷器上的放电计数器记录了十年间的70次雷击。在这种情况下, 大量的雷电放电造成阻性泄漏电流的增加。
结论
由于MO避雷器在电力系统中起着关键作用, 已经成为影响电力系统可靠性的重要因素。因此有必要对其进行监测从而确定它们的状况, Elektroprenos通过测量阻性泄漏电流实施这项工作。这一方法是评 估避雷器绝缘特性是否已经劣化的最可靠诊断技术之一。采用补偿三次谐波测量阻性泄漏电流的方法, 可以消除由于系统电压中存在谐波而导致错误的风险。
系列测试第一个三年中进行的初次测量确定了输电网中应用最广泛避雷器类型的阻性泄漏电流的预期值。与此同时, 获得的大量试验经验为避雷器保持良好的状态建立了限定值, 同时也设定出特定的评估标准。所有这些为监测挂网运行中的避雷器未来状态创造了有利条件。
最近的一次系列测试结果显示阻性泄漏电流增加, 鉴于避雷器到2014年底的运行年限, 这一结果在预期之中。对于阻性泄漏电流值增大到超过预期值两倍的避雷器, 后续的测试周期间隔会缩短到每年仅一次。
这一项目的结果证实了金属氧化物避雷器是电力系统中极其可靠的元件。在13年的监测中, 仅有3只避雷器因其特别高的阻性泄漏电流而退出运行这一事实证明了这一点。在所有情况下, 这是避雷器长期受到过电压的结果。
