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1、西安交通大学高电压技术教研室 电力设备绝缘在线监测实验论文 金属氧化物避雷器的在线监测和绝缘诊断 姓名： 班级：电气89 学号： 2011/12/03金属氧化物避雷器的在线监测和绝缘诊断摘 要金属氧化物避雷器（MOA）已广泛应用于变电站、GIS等各个领域，成为世界上避雷器发展的主要方向。但是，由于目前采用的金属氧化物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，对金属氧化物避雷器的绝缘状
2、况进行长期的在线监测是保证其安全运行的重要手段，目前电力部门主要通过监测MOA阻性泄露电流来判断其绝缘状况。本文详细介绍了氧化锌阀片（MOV）的特性以及金属氧化物避雷器的工作机理，对MOA的故障特点和诊断内容加以分析，提出了几种监测其阻性泄露电流的方法，最后对实验室提供的金属氧化物避雷器依照“电力设备预防性试验规程”进行了绝缘诊断。关键词：金属氧化物避雷器，MOV ，绝缘诊断，在线监测0引言20世纪70年代至80年代间，一种新型的、无间隙的以氧化锌为阀片原料的金属氧化物避雷器（MOA）问世。与由放电间隙和碳化硅发片电阻构成的传统避雷器相比，MOA具有优越的保护性能，如无续流、动作负载轻、耐重复
3、动作能力强、通流容量大等；并且性能稳定、抗老化能力强、能适应严重污染和高海拔地区以及GIS等多种特殊需要；适于大批量生产，成本低。金属氧化物避雷器（MOA）已广泛应用于变电站、GIS等各个领域，成为世界上避雷器发展的主要方向。但是，经过现场的运行表明：由于目前采用的金属氧化物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，对金属氧化物避雷器的绝缘状况进行长期的在线监测是保证其安全运行的重要
4、手段，目前电力部门主要通过监测MOA阻性泄露电流来判断其绝缘状况，本文主要研究内容即是MOA阻性泄露电流的监测。1 MOA电阻片1.1 MOV的微观结构贴片压敏电阻片（MOV）是金属氧化物避雷器（MOA）的主要工作部件。由于其具有非线性伏安特性，在过电压时呈低电阻，从而限制避雷器端子间的电压，而在正常工频电压下呈现高电阻，使得金属氧化物避雷器（MOA）具有优越的保护性能。20世纪70年代末，国内、外专家、学者借鉴了压敏电阻在其他领域的应用，对氧化锌及添加剂材料、ZnO电阻片制造工艺进行了潜心分析、研究，制成了以氧化锌为主要原料添加少量的三氧化二铋、氧化钴、三氧化二铬、二氧化锰、三氧化二锑等多种
5、微量金属氧化物添加剂,经过混料、造粒、含水、沉浮、成型，并按严格的温度曲线排胶、烧结、热处理和涂布、烧结、涂刷侧面高阻层釉等十几道复杂工艺流程过程的贴片压敏电阻（MOV）。MOA 阀片的主要成分是ZnO，还掺有Bi2O3、Co2O3、MnO2、Sb2O3 等其它金属氧化物，MOA的非线性特性主要是由晶界层形成的，在低电场强度下其电阻率为,而当电场强度达到时，其电阻率骤然下降进入低电阻状态。这种阀片具有极好的非线性保护特性。晶界层的相对介电常数可达5002000，使阀片具有相当大的电容量，因而在运行中流过阀片的电流主要是电容电流。图11 MOA阀片的微观结构1-ZnO晶粒 2-晶界层 3-尖晶石
6、晶粒1.2 MOV的物理模型 MOV在低电压下具有很强的电介质特性，而在高电压下具有极强的导体特性，属于半导体陶瓷性电阻。它的物理模型是一个复杂的非线性电阻、电容、电感元件的混联电路，并且这些元件参数值均与作用电压、电流、波形、温度等多种因素有关，准确地反映这一物理模型目前仍是一个艰巨的理论课题。近几年的研究表明：在极陡的电流波作用下，MOV的V-A特性曲线上会出现幅值为5%15%、持续时间为几纳秒几十纳秒的残压过冲，过冲幅值和持续时间与作用电流的陡度、幅值、时间有关。这一现象说明了MOV在快速的陡波头电流冲击下具有明显的电感效应。通常柱式避雷器电感量约为1H/m,GIS罐式避雷器电感量约为0
7、.33H/m。IEEE工作组提出了适用于冲击电流波头时间在0.5s45s范围的ZnO电阻片模型电路，经验证，这种模型电路与实际测试结果比较吻合，产生的最大误差4.5%。 MOV传统宏观的物理模型该模型适用于波头较缓的冲击电流波作用下 图12 MOV的传统物理模型R1晶粒呈现的弱非线性电阻 R2结晶界层呈现的极强的非线性电阻 C低电压呈现的电介质特性IEEE推荐的MOV物理模型 该模型适用于波头较陡的冲击电流波作用下 图13 IEEE推荐的MOV物理模型1.3 MOV的V-A特性 图14 MOV的伏安特性曲线依据MOV典型的伏安特性曲线，可拟合出V-A特性满足函数： U=C 式中：C、对不同的电
8、场区、不同的波形，不同的温度区有不同的值。在定性分析时，通常将曲线分为三个区段:1小电流区段；2击穿区段，也叫工作区段；3翻转区段。1.4 MOV的综合特性金属氧化物电阻片具有极其优异的非线性伏安特性，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持低电压。同传统避雷器使用的碳化硅（）电阻片相比，MOV具有优越的性能，归纳起来：a. 优异的非线性；b. 快速的响应特性；c
9、. 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。 图15MOV和SiC伏安特性比较 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；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
10、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。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。 2金属氧化物避雷器（MOA）2.1金属氧化物避雷器的结构依据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和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。a
11、. 无间隙金属氧化物避雷器 主要由MOV、防爆装置、均压装置、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。b. 有串联间隙的金属氧化物避雷器主要由MOV
12、、放电间隙、防爆装置、紧固装置、外绝缘套、密封装置等组成。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。2.2金属氧化物避雷器的分类按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
13、可划分为1kV、0.5kV、0.38kV、0.22kV四个电压等级。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
14、选用高性能的氧化锌电阻片，内部采用特殊结构，用先进工艺方法装配而成，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）。3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
15、，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，
16、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及保护各种整流、换流设备的高压直流MOA避雷器等。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110k
17、V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。4金属氧化物避雷器的监测方法目前金属氧化物避雷器的监测方法主要有以下几种，总泄漏电流法、零序电流法（阻性电流三次谐波法）、常规补偿法和基波法等，其共同点是从容性电流为主的总电流中分离出弱的阻性电流。另外使用光电测量法，测量各阀片电阻片电压分布状况也能在一定程度上反映MO
18、A绝缘状况，但目前该项技术发展尚不成熟。目前采用远红外技术，监测避雷器温度分布和变化情况也有一定的应用。4.1总泄露电流法由于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。监测总泄漏电流的优缺点 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
19、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。4.2谐波法（三次谐波零序电流法）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
20、,因此能发现故障。零序电流法的优缺点此方法简便，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，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。图42 零序电流法接线图4.3补偿法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并反相将容性电流补偿掉。图44描述了利用补偿法分流出阻性泄露电流的电路系统。用CT从MOA的引下线
21、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。图43 泄露电流向量图图44补偿法监测MOA阻性电流原理图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，而且不需要人工调节，自动补偿，能够直读I
22、R和P。补偿法的缺点三相运行时存在以下问题：a. 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；b. 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；c. PT本身存在角差，无法完全补偿掉容性电容，影响测量结果。针对补偿法的缺点即当电网电压存在较大谐波时测量不准确的问题，可提出两种改善方案思路1基波法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，
23、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。思路2采用阻容分压原理的电场探头提取补偿信号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。图
24、45采用阻容分压原理的电场探头提取补偿信号5实验室金属氧化物避雷器绝缘诊断实例5.1实验目的参照国标“电力设备预防性试验规程”对实验室提供的金属氧化物避雷器作预防性试验，并根据试验结果对该金属氧化物避雷器样品作出诊断结论。5.2 实验室MOA避雷器规格本试验选用避雷器型号为YH5WS-17/50,额定电压17Kvz，持续运行电压13.6Kv。以下是该避雷器出厂试验数据：测试项目规定值实测值1mA下直流参考电压（Kv）26.826.90.75U1mA下泄露电流（uA）33残压（v）4545 表51 试验避雷器出厂数据5.3 实验内容依照“电力设备预防性试验规程”之14.2项规定，金属氧化物避雷器
25、的检测项目共6项，分别为（1）绝缘电阻（2）直流U1mA及0.75U1mA下的泄漏电流（3）运行电压下的交流泄漏电流（4）工频参考电压下的工频参考电流（5）底座绝缘电阻（6）检查放电计数器动作情况。限于实验室设备条件，第（5）项和第（6）项内容没做。试验时室内干湿温度分别为18、14，气压为73.10cm汞柱。5.3.1绝缘电阻测量a. 测量回路 图51 MOA绝缘电阻测量接线图图中，兆欧表量程为1000V，L线路端子，E接地端子，G保护端子，在金属氧化物避雷器表面紧缠铜丝作为屏蔽并连接到兆欧表的保护端子G上。这样做得目的是使流过MOA表面的泄漏电流不会进入仪表内部，从而使得兆欧表的读数不受表
26、面绝缘的影响而只反映绝缘内部的状况。b. 测量结果绝缘电阻：R1min=7500M5.3.2直流U1mA及0.75U1mA下的泄漏电流a. 测量回路 图52 直流U1mA及0.75U1mA下的泄漏电流测量回路 图中，D高压硅堆，C滤波电容，V高压静电电压表，uA直流高压微安表b. 测量结果直流1mA时测得避雷器两端电压为26Kv；避雷器两端施加0.75U1mA即19.5Kv电压测得泄露电流为13uA。5.3.3 运行电压下的交流泄露电流 避雷器持续运行电压，是指允许持久地施加在避雷器端子间的工频电压的有效值。本次试验避雷器的持续运行电压为13.6Kv。a. 测量回路 图53 交流泄露电流测量回
27、路图中，C1，C2铁板分压器；r无感小电阻，其值为2K；CH1，CH2双踪示波器；V高压静电电压表。本次试验采取第四章所介绍的补偿法求取全电流中的阻性电流分量，即通过无感小电阻采取流过避雷器的总泄露电流（Ix）幅值和波形，通过铁板分压器采集避雷器两端电压的波形，同时送入双踪示波器求的其相角差，阻性电流Ir=Ix。b. 测量结果测得避雷器电压、电流波形图54 实测避雷器电压电流波形全电流有效值Ix=0.49/=0.35mA.电压和电流之间的相位差可通过功率间接求的。P=UI=，U2=，I2=，易得 =68.4则Ir= Ix=0.13mA5.3.4工频参考电流下的工频参考电压避雷器的工频参考电压，
28、是指在避雷器通过工频参考电流时测出的避雷器的工频电压最大峰值处以。试验时，对避雷器施加工频电压，当通过试品的阻性泄露电流等于工频参考电流时，测出试品电压峰值处以即是工频参考电压。由第一章可知，金属氧化物避雷器在承受较低电压使呈现高阻特性，随着电压升高，电流变化不大；当所施电压超过某一临界值是，避雷器呈现地租非线性特性，电压稍有增加，电流急剧增大。工频参考电流表征的便是这一电压临界值下的阻性泄露电流。由于试验中流过避雷器的阻性电流分量不能直接读出，本实验利用避雷器流过阻性电流超过工频参考电流时，伏安特性曲线呈现非线性这一特性来近似求取工频参考电压。实验回路和实验过程与5.3.3相同，以下是所施工频电压有效值为17Kv、19Kv、21Kv时从示波器所读的的电压电流波形。由图55知，当电压超过19Kv是，电流畸变严重，因此该避雷器工频参考电压应为19Kv左右。图55 通过避雷器电流发生畸变5.4实验结论 该避雷器绝缘电阻测量值7500M，满足国标不低于1000M的规定，符合标准。直流1mA下参考电压26Kv，满足国标大于25Kv的规定，与出厂试验相差3.0%，满足规程小于5%的规定。0.75U1mA下泄露电流为13uA，满足规程中不大于50uA的要求。因此，可初步认为该避雷器的绝缘状况没有问题。
