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1、第四章 MOA避雷器在线监测与诊断,On-line monitoring and fault diagnosis for MOA,1,本章内容,概述避雷器的故障特点与诊断内容监测总泄漏电流Ix 谐波法测量阻性电流补偿法测量阻性电流基波法光电技术在避雷器泄露电流在线监测中的应用,2,4.1 概述,3,避雷器定义：一种过电压限制器。当过电压出现时，避雷器两端子间的电压不超过规定值，使电气设备免受过电压损坏，过电压过后，又能使系统迅速恢复正常状态。无间隙金属氧化物避雷器：由非线性金属氧化物电阻片串联或并联组成且无并联或串联放电间隙的避雷器（Metal Oxide Surge Arresters，简称
2、MOA）,避雷器的作用：限制过电压以保护电气设备。,4,4.1.1 氧化锌避雷器结构及特性,Zno电阻片的等值电路,Zno阀片的等值电路RcZno晶粒本体的电阻C晶界层的固有电容R晶界层的电阻,山东彼岸电力科技有限公司,MOV在高倍显微镜下微观结构(MOV晶粒的等值半径约5m),金属氧化物电阻片具有极其优异的非线性V-A特性，在正常工作电压下，其阻值很大（电阻率高达1010-1011cm），通过电阻片的漏电流很小（A级），在这个电流下，电阻片具有足够的运行寿命。而在过电压的作用下，阻值会急剧变小，非线性系数约为：0.010.04，因此保证了在泄放几千安操作电流和几十千安雷电流时电阻片两端仍然保
3、持低电压。,MOV的综合特性,ZnO电阻片与SiC阀片伏安特性的比较,归纳起来： a. 优异的非线性； b. 快速的响应特性； c. 大的能量吸收能力； d. 持久的抗老化特性； e. 在不同区段，有敏感程度不同的温度特性。 在低电场区MOV具有极强的电介质特性，在持续工作电压下，静态相对介电常数r为6501200，MOV对外主要呈现电容特性，泄漏电流中，阻性电流分量约占全电流的1/51/12；等值电阻具有明显的负温度系数，其值依据配方、工艺的不同而异；,在强电场区，即工作区呈现极强的金属特性，在1s的冲击波电流作用下，主要显示电阻特性，随着温度的升高电阻值单调增大。电阻片具有对称性，无极性效
4、应，在1s冲击电流波范围内，响应时间可忽略不计。在配方工艺一定的前提下，V-A特性与作用波波形有关，波陡度增加，残压增大，在VFTO波作用下，呈现明显的电感特性，残压出现过冲现象。,MOV的老化特性与长期承受的持续电压、环境温度、吸收的过电压能量、波形、次数以及荷电率等有关，通常荷电率越高老化速度越快。 前苏联学者对老化寿命的研究结果表明：电阻片具有记忆性。对一定配方、工艺制造的电阻片，各自都拥有固定的能量储备，对雷电冲击、操作冲击固有能量储备是不同的，通常操作冲击固有能量储备较大，约大于雷电冲击下一个数量级。电阻片每吸收一次过电压能量，就耗费一些固有储备，待固有能量储备耗完，电阻片也寿终了。
5、电阻片易吸潮，受潮后电阻值下降且很难经处理后完全恢复。MOV性能受温度应力的严重影响，温度应力会导致MOA炸裂或热崩溃。,（1）金属氧化物避雷器的结构（2）金属氧化物避雷器的分类（3）金属氧化物避雷器的特点（4）金属氧化物避雷器的主要电气性能参数,4.1.2 金属氧化锌避雷器,依据MOA运行工况和被保护设备的不同,MOA分为： 无间隙金属氧化物避雷器 有间隙金属氧化物避雷器 无间隙金属氧化物避雷器基于MOV的电气特性具有无续流、无截波、响应快、吸收能量大、保护残压低、电气性能稳定，抗老化性能强等独特特性，完全取消间隙。,金属氧化物避雷器的结构,无间隙金属氧化物避雷器 主要由MOV、防爆装置、均
6、压装置、紧固装置、外绝缘套、密封装置等组成，结构简单，易于实现电阻片间的串并联，受环境影响小，使用于重污秽、潮气大的地区，能够对弱绝缘和大容量设备实施可靠保护。理论上可以实现带电水冲洗。,有串联间隙的金属氧化物避雷器综合了MOV和放电间隙的优点，具有放电电压更高，可以避开系统中高幅值、持续时间长威胁避雷器自身安全的部分内过电压，而保持合理的绝缘配合的特点，有选择性地限制过电压。利用电阻片的电容、电阻特性改善了间隙的放电分散性，减小了放电冲击系数，基本上无续流、无截波，吸收能量大抗老化性能强等特性。,有串联间隙的金属氧化物避雷器,主要由MOV、放电间隙、防爆装置、紧固装置、外绝缘套、密封装置等组
7、成。更适用于6kV10kV中性点不接地系统，实现对配电网电气设备雷电冲击过电压的防护。但间隙的存在，放电电压具有分散性且受环境影响。淋雨状态下、重污秽地区运行工频放电电压明显降低，可能会导致避雷器误动损坏。,按MOA额定电压值分类： 分为高压类、中压类和低压类三类。高压类指66kV及以上等级的MOA，大致可划分为750kV、500kV、330kV、220kV、110kV、66kV六个电压等级；中压类指3kV35kV的MOA，大致可划分为3kV、6kV、10kV、35kV四个电压等级；低压类指3kV以下的MOA，大致可划分为1kV、0.5kV、0.38kV、0.22kV四个电压等级。,金属氧化物
8、避雷器的分类,按用途分类a.系统用线路型避雷器；b.系统用电站型避雷器；c.系统用配电型避雷器；d.并联补偿电容器组保护型避雷器；e.电气化铁道型避雷器；f.电动机及电动机中性点型避雷器；g.变压器中性点型避雷器；h.特种避雷器；i.线路悬挂式避雷器,按外套材料分类a瓷外套型:瓷外套MOA按耐污秽性能分为四个等级，I级为普通型、II级为用于中等污秽地区（爬电比距20mm/ kV）、III级为用于重污秽地区（爬电比距25mm/kV）、IIII级为用于特重污秽地区（爬电比距31mm/kV）。b复合外套型:复合外套MOA是用复合硅橡胶材料做外套，并选用高性能的氧化锌电阻片，内部采用特殊结构，用先进工
9、艺方法装配而成，具有硅橡胶材料和氧化锌电阻片的双重优点。 C罐式:由MOV、均压罩、外壳、放电计数器以及绝缘盆和电联接器等部分组成，主要应用于GIS电站中。,按结构性能分类MOA可分为：A.无间隙（W），包括单柱、多柱；b.带串联间隙（c）；c.带并联间隙（B）。 但应注意：多柱电阻片并联可以显著提高避雷器的能量吸收能力和降低残压，但需严格控制多柱间的电流分布和径向电场。 对于不同电压等级的避雷器，需按参数要求，采取多片电阻片串联结构，对于220kV及以上的避雷器，必须严格控制电阻片柱轴向电位分布。 实际应用中，电阻片可能会采取电阻片的串、并联结构。,（1）无间隙避雷器标称放电电流额定电压持续
10、运行电压和持续运行电流工频电压耐受时间冲击保护水平参考电流和参考电压压比荷电率通流容量外绝缘水平,金属氧化物避雷器的主要电气性能参数,（2）有间隙金属氧化物避雷器,避雷器的额定电压选择越高，自身负荷越轻，可靠性越高，但在电阻片V-A特性一定的前提下，与避雷器的保护特性构成了一对制约矛盾。为了解决这一矛盾，满足系统工况要求，可采取MOV与放电间隙串联的有间隙避雷器结构。如：在配电网中，绝缘配合确定的内过电压水平为4p.u.,出现持续时间长,幅值4p.u.的内过电压时，可能会导致无间隙MOA动作,泄放过电压能量。这是无间隙MOA与碳化硅阀式避雷器在限制过电压时的本质区别。由于避雷器自身所具有的工频
11、时间耐受特性决定了它不能耐受配电网中出现的这种高幅值、长时间的内过电压,因此。借助串联间隙将避雷器的动作门槛抬高, 躲过出现的内过电压。,有间隙金属氧化物避雷器分为： 串联间隙和并联间隙两种 （a）带串联间隙的MOA （b）带并联间隙MOA,有间隙金属氧化物的主要电气性能参数避雷器灭弧电压 保证避雷器泄放过电压能量后，工频过电压下可靠灭弧的最低电压值；也称为额定电压。工频放电电压标准雷电冲击放电电压陡波雷电冲击放电电压必要时：还需要确定操作冲击放电电压,标准雷电冲击残压标准操作冲击残压通流容量外绝缘水平持续运行下的电导电流、泄漏电流 除此之外，避雷器的机械性能、防爆性能 、防污性能、热稳定性能
12、等也是反映避雷器性能的参数内容。,（1）国内外金属氧化物避雷器的应用（2）金属氧化物的运行情况（3）金属氧化物的发展前景,4.1.2金属氧化物避雷器的应用,3.1国内外金属氧化物避雷器的应用,金属氧化物避雷器，由于其优异的非线性、大的通流能力和持久的抗老化，一出现就迅速得到了广泛应用。如美国、前苏联、英国、法国、日本等，MOA已基本取代了传统碳化硅阀式避雷器，MOA已成功地应用在3kV1150kV各级交、直电力系统，俄罗斯还开发、研究了1800kV特高压MOA。,我国的金属氧化物避雷器在引进日本日立配方、工艺和设计技术基础上，经过20多年的研究、改进，制造技术也有了长足进步，性能参数已达到了世
13、界先进水平，完全实现了交、直流避雷器的国产化，现已有数万相110kV以上高压、超高压交流MOA和数百台直流高压MOA在运行，国产避雷器的占有率大于78% ，MOA的占有率高于82%，电压等级覆盖3kV-750kV，产品出口多个国家和地区。 国家发改委明确声明：我国的MOA生产技术完全满足我国3kV-1000kV交流系统过电压保护的要求，完全可以取代进口。,MOA应用领域不断扩大，除了常规的电站型、线路型、配电型MOA外，还大量开发了悬挂式线路用MOA、大容量旋转电机MOA、变压器匝间绝缘油浸式MOR、阻波器MOA、大容量电容器组用MOA、避雷绝缘子、罐式GIS用MOA等交流专用设备MOA及保护
14、各种整流、换流设备的高压直流MOA避雷器等。,输电线路用悬挂式避雷器的作用,由于输电线路雷击事故率高。据统计：高压线路运行的总跳闸次数中，由于雷击事故的次数约占（5070）。尤其是在多雷、土壤电阻率高、地形复杂的山区，雷击输电线路而引起的事故率更高，通常需要增加绝缘子片数、加大空气间隙距离等。在超高压线路中，当线路上的操作过电压较高时，通常需要在断路器上装设合闸电阻进行限制。线路上采用线路用悬挂式避雷器可以有效地限制线路上的操作过电压、取消合闸电阻，防止绝缘子串闪络，降低线路跳闸率。,悬挂式线路避雷器的应用,悬挂式线路避雷器的主要应用场合（1）应用在雷电活动较强的地区或某些降低接地电阻有困难以
15、及对防雷有特殊要求（如过江塔）的局部线段，与绝缘子串并联，例如：日本在66kV500kV输电线路中投运了线路型复合外套有串联间隙金属氧化物避雷器；美国GE公司、AEP公司在1982年将138kV线路型复合外套金属氧化物避雷器投运到5个试验线段的25级杆塔上。,（2）沿线装设线路避雷器，用来限制沿线的操作过电压。例如：前苏联开发了110kV1150kV复合外套金属氧化物避雷器；ABB公司研发的66kV800kV线路避雷器都是用于限制操作过电压；国内开发的500kV线路避雷器，应用在广东惠汕500kV输电线路上，取消了合闸电阻，仅靠线路悬挂式避雷器来限制系统操作过电压。,线路悬挂式避雷器主要有两种
16、结构类型（1）复合外套无间隙避雷器；（2）外部串联间隙避雷器 。,420kV避雷器,230kV避雷器,69kV避雷器,3.2金属氧化物的运行情况,自20世纪80年代至今，金属氧化物避雷器经过二十多年的实际运行验证，除对雷电过电压有限制作用外，对大部分操作过电压有明显的保护效果，大幅度地降低了设备绝缘投资费用和电力运行费用。 在我国MOA自八十年代后期至今已有数万相110kV以上高压、超高压交流MOA和数百台直流高压MOA在运行，电压等级覆盖3kV-750kV。由原水电部、机械部两部组织的110kV及以上MOA运行情况调查结果表明：MOA的保护效果和统计事故率明显低于传统的阀式避雷器，国产MOA
17、事故率低于进口产品。,我国750kV示范工程，也是采用国产的无间隙金属氧化物避雷器作为操作过电压、雷电过电压的主保护，并以此将操作过电压水平限制在1.8p.u.，雷电过电压水平限制在1380kV，保证了750kV电气设备的绝缘配合。,国内外主要MOA产品应用情况,3.3金属氧化物的发展前景,目前金属氧化物避雷器的设计、制造技术水平已得到了迅速提高，但我国的ZnO电阻片制造技术与世界先进国家相比还存在显著距离。随着电力系统对电能质量要求的不断提高，需要吸收容量更大、保护残压更低、自身可靠性更高的避雷器产品，因此还需在以下方面进行深入研究：,（1）高梯度、大容量ZnO电阻片的研制；（2）提高ZnO
18、电阻片生产的均一性、稳定性和全 过程合格率；（3）大容量串补电容器组用MOA；（4）阻波器用MOA；（5）油中电容器极间；（6）变压器类设备绕组匝间用MOA；（7）带有可靠故障脱离功能的线路悬挂式MOA；（8）绝缘子式（9）超高压、特高压小型化GIS专用避雷器。,4.2 避雷器的故障特点与诊断内容,47,随着氧化锌避雷器在电力系统广泛地应用，大大地提高了电力系统的安全性。产生了巨大的经济效益。经过现场的运行表明：由于目前采用的氧化锌避雷器大多不带有任何间隙, 这样氧化锌阀片长期直接承受工频电压, 运行期间总有电流流过阀片, 另外再加上冲击电压及内部受潮等因素的作用，会引起避雷器阀片老化、阻性泄
19、漏电流增加和功耗加剧, 导致避雷器阀片温度升高直至发生热崩溃, 从而引发电力系统事故。因此，对氧化锌避雷器的阻性泄漏电流进行长期的在线监测是保证其安全运行的重要手段。,4.3 监测总泄漏电流Ix,48,由于MOA的泄漏电流的容性分量基本不变,因此可以简单地认为其总电流I x 的增加能在一定程度上反映其阻性分量电流的增长情况,测量总泄漏电流可以在避雷器放电记录器两端并联微安表(见图) ,流过微安表的电流约为避雷器的总泄漏电流。,49,质量好的MOA，早期的事故较少，要有问题往往是受潮等引起的，这时以在线监测通过MOA的全电流的方法最为简便。一般认为当全电流比过去增加12倍时，MOA已达到危险的边
20、缘。但全电流法对于发现MOA的早期老化很不灵敏。因为早期老化反映在阻性电流的显著增大，而由于阻性电流在全电流中只占很小的比例，因此测量全电流时变化并不会很明显。,4.4 谐波法测量阻性电流,50,零序电流法接线图,51,三相MOA，通常都是相同型号且同批生产的。各项性能应当基本一致。 如果三相电压平衡、不含谐波分量，且三相MOA的电容及非线性电阻相同，三相电流中的基波分量互相抵消，接地线中只剩下三次谐波零序电流I0 ，它等于各相三次谐波阻性电流之和，即I0 = 3 Ir3 。三次谐波阻性电流随阻性电流的增加而增加,并且总的阻性电流与三次谐波分量之间成一定的比例关系。在线检测中，MOA 正常工作
21、时的I r3数值较小，当一相或者三相避雷器出现问题时，三相电流不平衡, I0 增大，且含有基波成份,因此能发现故障。,52,此方法简便，缺点是I0 有变化时不易判断出是那一相出现异常。另外，系统电压中若含有谐波分量，则电容电流也将含有三次谐波Ir3 ，与Ir3叠加后将使测量到的I0比实际阻性电流的三次谐波分量增大很多，造成错觉。,4.5 补偿法测量阻性电流,53,金属氧化物避雷器阀片的劣化或老化反映为阻性电流增大，因此直接测量阻性电流能反映金属氧化物避雷器的健康状况。补偿的原理就是抽取系统电压补偿总泄漏电流中的容性电流分量，以得到阻性电流分量。,容性电流超前系统电压90，因此将系统电压前移90
22、并反相将容性电流补偿掉。,补偿法监测MOA阻性电流原理图,用CT从MOA的引下线处取得电流信号I0，再从分压器或者PT取得电压信号Us。后者经移相器前移90后得到Us0（以便与I0中的电容电流分量同相），再经可控增益放大后与I0一起送入差分放大器。在差分放大器中，将GUs0与I0相减；由乘法器组成自动反馈跟踪，以控制放大器的增益G使同相的（ICGUs0）的差值降为零，即I0中的容性分量全部被补偿掉；剩下的仅为阻性分量IR。再根据Us及IR可以获得MOA的功率损耗P。,补偿法的优点,采用上述原理进行接线，对MOA进行在线监测比较方便实用，因为它是采用CT取样的，不必断开原有接地线，而且不需要人工
23、调节，自动补偿，能够直读IR和P。,补偿法的缺点,三相运行时存在以下问题：1） 三相避雷器一字型安装，由于相间耦合电容和电磁干扰，使各相避雷器除受本相电压作用外，还通过相间耦合受到相邻相电压的作用，从而影响监测结果的准确性；2） 当电网电压含有较大谐波成分时，此法不能去除容性谐波电流，造成阻性谐波电流误差；3）PT本身存在角差，无法完全补偿掉容性电容，影响测量结果。,三相MOA成直线排列时，相间耦合示意图,补偿法的缺点相间耦合,A相、B相间存在着耦合电容Cab，B相、C相间存在着耦合电容Cbc。A、C两相距离比较远，认为相互之间没有耦合电容。,补偿法的缺点相间耦合（续）,在测量边相A相底部的电
24、流时，主要是A相外施电压Ua经A相MOA所引起的容性分量IAc及阻性分量IAr；另外还有临相B相与A相间的杂散电容Cab所引起的容性干扰电流Ib（C相距离A相较远，其影响忽略）。画出相量图如下所示。,A相“视在”阻性电流增大,补偿法的缺点相间耦合（续）对C、B两相阻性电流的影响,C相“视在”阻性电流减小,B相“视在”阻性电流基本不变,C相,B相,补偿法的缺点相间耦合（续）解决思路,A相,A相多转一个角度,C相少转一个角度,补偿法的缺点电网电压存在较大谐波,施加在MOA上的电压含有谐波：,流过MOA的容性电流为：,流过MOA的阻性电流为：,本身的非线性引起的,电网谐波电压引起的,4.5 谐波分析
25、法监测阻性电流,64,基次谐波分析法的主要依据是:在正弦波电压作用下，MOA 的阻性电流中只有基波电流作功产生功耗；另外，无论谐波电压如何，阻性基波电流都是一个定值。因此全电流经数字谐波分析，提取基波进行阻性电流分解,就可以得到阻性电流的基波，根据阻性电流基波所占比例的变化来判断MOA 的工作状态。,65,基次谐波分析法可以监测阻性电流基波的变化，但实际运行经验和实验结果表明，阻性电流的高次谐波在一些情况下能灵敏地反映MOA 的状态。 MOA阀片的老化，导致其非线性特性变差，主要表现在系统正常运行电压下阻性电流高次谐波分量显著增大，而阻性电流基波分量相对增加较少；MOA阀片的受潮，主要表现在正
26、常运行电压下阻性电流基波分量显著增大，而阻性电流谐波分量增加相对较小。因此，对阻性电流及其谐波的测量可以较为准确的判别MOA的运行状况及其性能下降的原因。,常规补偿法在线监测MOA时，补偿容性电流的信号都是从PT取得的。PT可等效成一电容分压器，因此PT所取得的补偿信号在任何频率下增益的大小是相同的。而实际上，流过MOA的容性电流对于不同频率，增益的大小不相等，它是与频率成正比的。因此用PT取补偿信号，除存在角差及安全性较差外，一很大的缺陷就是：其补偿信号的增益是由能否完全补偿掉基波容性电流来确定的，因此不能将电网电压谐波引起的各次容性电流谐波分量完全补偿掉，从而无法正确的判断MOA的运行状况
27、。,采用阻容分压原理的电场探头提取补偿信号,阻容分压器的阻抗远远小于其容抗，因此从电阻上流过的电流信号Ip为：,流过MOA避雷器的容性电流为：,阻容分压器产生的补偿信号：,PT产生的补偿信号：,采用阻容分压原理的电场探头提取补偿信号优点,仍然无法补偿掉电网电压谐波对MOA阻性电流谐波成分的影响。,采用阻容分压原理的电场探头提取补偿信号缺点,模拟计算，结果表明当含1.5%的三次谐波时，引起的阻性电流各项值的最大变化为：平均值变化1.26%、峰值变化5.1%、有效值变化2.8%；当含5%的三次谐波时，引起的各项值的最大变化为：平均值变化23.8%、峰值变化22.6%、有效值变化21.9%；这显然会对MOA劣化的判断造成一定的困难，甚至是误判。,国标中规定标称电压为0.38kV时，奇次谐波含有率4.0%；标称电压为110kV以上时，奇次谐波含有率1%。因此，在较高的电压等级（110kV以上）下，谐波含量较小，对测量的影响较小。,4.7 光电技术在避雷器泄露电流在线监测中的应用,69,其它相关问题简单介绍,污秽、湿度、降雨等的影响基于温度测量的在线监测技术,红外检测实例避雷器,MOA泄漏电流分析仪,采用日本LCD-4型原理的国内产品,Thank you,77,
