范焱炜，费肇胤，商忠韬

(国网上海市电力公司松江供电公司，上海 201600)

金属氧化锌避雷器(Metal Oxide Surge Arresters,简称MOA)具有过电压保护特性好、流通容量大、动作反应快、结构简单、体积小、重量轻等优点已逐步取代了老的阀式避雷器，在电力系统中得到了广泛应用。由于避雷器要长期承受系统运行电压作用，将会出现MOA阀片的老化现象，而且老化、潮湿、污秽和过电压等因素的作用会导致阻性电流及避雷器功率的增加，阀片会逐渐加剧劣化，致使MOA绝缘特性遭到破坏，失去保护作用引起热崩溃，严重时甚至还会发生爆炸，而一旦发生MOA事故，会引起严重后果。为了能够及时发现MOA受潮、老化和其他的隐患，避免因事故造成巨大经济损失，一方面要提高MOA产品可靠性，强化质量管理；同时要对MOA进行有效的性能优劣检测和状态诊断。

目前，检测MOA的方式主要有周期性停电预试和在线带电测试和监测等。周期性预防试验一般在停电状态下进行，是电力系统最早使用的较为普遍的检测手段[1]。这种测试方法的优点是测量的结果较为准确可靠，缺点就是必须要使避雷器停电试验，过程也较为麻烦，既影响正常的供电又费时费力，于是结合实际需求出现了在线带电检测方法。在线带电检测MOA可以在不停电的情况下随时了解MOA的运行性能，及时发现异常现象和事故隐患。MOA在线带电检测已是近年来国内外同行研究的一个重要课题，其研究成果的进一步突破必将对电力系统的安全运行有着深远的意义，本文在分析MOA工作原理的基础上，对避雷器性能检测方法研究现状进行比较分析。

1 MOA工作原理分析

在运行电压下流过MOA的泄漏电流，主要有瓷套外表面电流及内部电流(包括绝缘构架电流和阀体电流)[2]。如受潮或有缺陷，泄漏电流会明显增大，在工频电压下，ZnO阀片(MOV)在小电流区的等效电路如图1所示。在图1中，RC为ZnO晶粒本体的电阻；C为晶界层的固有电容等效电容；R为晶界层的等效非线性电阻；IX为全泄漏电流；IC为容性泄漏电流；IR为阻性泄漏电流。

图1 MOV小电流区等效电路

图1中，非线形电阻R随MOV外施电压U的变化而变化。当U小于某一电压值——称为MOV的拐点电压时，MOV呈现很大的电阻，阻值变化很小；而当U超过拐点电压时，非线形电阻R阻值减小很快，阻性电流值迅速增加。MOV晶界层的相对介电常数可达500～2 000,使阀片具有相当大的电容量,在运行中流过阀片的电流主要是电容电流。当U低于拐点电压时，晶界电容C变化很小，可视为定常值；当U超过拐点电压时，MOV晶界电容增加较快。

MOV具有极好的非线性保护特性，MOA的伏安特性以i=kuβ=f(in)(k，β为非线形系数，in为高次谐波电流，u为电网电压)表示。由于其良好的非线性特性，导致全电流中的阻性分量不仅包含有基波，而且还有3次、5次和更高的谐波，其所占分量逐渐减少，三次谐波对温度变化很灵敏[3]。早期老化阻性电流的变化又主要表现为阻性电流的三次谐波分量的上升，非线性特性曲线如图2所示。

图2 非线性特性曲线

MOA就是根据其非线性伏安特性而起到防雷作用的。当MOA运行在正常的电压时，由于其阻抗很大，通过的电流很小，一般为1 mA；当供电线路上的电压大于MOA击穿电压时，MOA会呈现很低的阻性，将强大的冲击电流泄入大地，而MOA上的电压随冲击电流的增大变化很小，特性平稳；当电压低于击穿电压时，MOA则又回到原来的绝缘状态，MOA仍运行在正常电压。

在工频电压作用下,流经阀体的总泄漏电流IX主要由容性分量IC和阻性分量IR组成。当施加电压为正弦波时，容性电流也为正弦波，它超前电压90°。 由于晶界层电阻具有非线性,阻性电流是与电压同相位的含有高次谐波(主要为3，5，7次谐波)和基波的畸变波。在正常运行电压下,ZnO阀片工作在其线性段,一般只有数十缪安的微小电流通过电阻R(称为阻性电流分量),而通过阀片电容C的电流IC在几百缪安以上。可见在正常情况下阻性电流分量占全电流的5%～20%[4]。

容性电流、阻性电流与电压信号间的关系如图3所示。

图3 容性电流、阻性电流与电压信号间关系

如果MOA发生故障后存在缺陷时，其阻性分量往往成倍增大,容性分量却增加不大。根据MOV的老化试验，在整个老化过程中，容性分量电流几乎不发生变化，阻性电流在正常情况下很小。容性电流是无功分量，它通过阀片不会构成功率损耗，阻性电流是有功分量，它是导致阀片发热的成分。

因此，在进行MOA泄漏电流检测时，除测出总电流外，MOA阻性电流分量的检测十分重要。在MOA刚投运时，一般应测取泄漏电流的初期电流值，以作为判断运行中泄漏电流是否变化的依据。随着ZnO阀片的劣化、受潮或其他故障，阻性电流将增大，从测量总泄漏电流和阻性电流分量都能够反映出这一变化，但阻性电流分量的反映更灵敏，所以一般的方法在测试中常常以阻性电流为主要测试参数并作为氧化锌阀片老化程度的主要判据。一般将测量值与初始值比较，若阻性电流分量增加到初始值的两倍时，应停止运行，这就是目前检测避雷器性能是否正常的基本原理[5]。

2 氧化物避雷器性能检测方法研究现状

目前，检测MOA的方式主要有周期性停电预试与在线带电测试和检测。

周期性预防试验一般在停电状态下进行，是电力系统最早使用的较为普遍的检测手段。目前对于周期性预防试验，主要的试验项目是直流实验，测量避雷器直流1 mA下临界动作参考电压U1 mA和75%的U1 mA下的泄漏电流。通过试验可以检查其阀片是否受潮，确定其动作性能是否符合要求[5]。

这种测试方法的优点是测量结果较为准确可靠，缺点就是必须要使避雷器停电试验，过程也较麻烦，不方便；试验过程有可能需要解开避雷器引线，操作起来费时费力。更为重要的是，随着电网容量的迅猛扩大，新建及扩建大量变电站，使得需要维护的电力设备剧增，若进行停电预试，必然带来很大的困难和经济损失，特别是实际中有时无法进行，于是结合实际需求出现了在线带电检测与诊断方法。

在线带电检测MOA可以在不停电的情况下随时了解MOA的运行性能，及时发现异常现象和事故隐患，以采取有效预防措施，防止事故的发生或扩大而造成更大的经济损失，保证其在良好的状态下运行，这是目前国内外关注的焦点问题[6-8]。MOA在线检测主要是监视阀片是否受潮或老化，检测方法主要有全电流法、阻性电流法、温度法和相角差法等。

2.1 全电流法

全电流法是指在MOA底部与地之间串接全电流监测装置，可以对运行中的MOA实行连续的在线带电监测。测量时，可采用交流毫安表，也可用经桥式整流器连接的直流毫安表。目前国内许多运行单位使用MF-20型万用表(或数字式万用表)并接在动作计数器上测量全电流。该方法的主要优点是方法简便易行，适用于在现场大量推广使用，能够及时发现MOA的受潮显著劣化状况；缺点是对发现MOA的早期老化很不灵敏，阻性分量即使已有显著增大，但在测量全电流的变化时仍不明显，只有当MOA已严重受潮时，阻性电流分量才进一步变大，增大几倍后，全电流才可以明显地被分辨出来，往往当电流增大到2～3倍时认为已达到危险界线。

该监测器结合实际需要进行仪器电路设计，是一种符合实际的实用型仪器装置，已在电力系统现场大量推广并安装使用，但是对发现MOA的早期老化仍然不灵敏。

2.2 阻性电流法

质量好的MOA，早期的事故较少，要有问题也往往是由受潮引起的。这时，以在线检测流过MOA的全电流方法最为简单，但是此方法对发现MOA的早期老化不灵敏。IC是无功分量，通过阀片不会构成功率损耗，IR是有功分量，它是导致阀片发热的成分。为了能够发现MOA的早期老化，较好的方法是对IR或由此产生的功耗P实行在线检测，所以目前电力部门普遍采用阻性电流法检测MOA性能，诊断其绝缘状况。

在MOA刚投运时，一般应测取泄漏电流的初期电流值，以作为诊断运行中泄漏电流是否变化的依据。一般将测量值与初始值比较，若阻性电流分量增加到初始值的两倍时，应停止运行。MOA阻性电流法在线检测要解决的关键技术是如何从容性电流为主的总电流中分离出微弱的阻性电流，方法相对较复杂，但更有利于MOA的性能检测，对发现早期的老化比较灵敏。于是MOA阻性电流法可根据阻性电流获取方法的不同分为两大类，一是不需要电压参考信号的检测方法；二是需要电压参考信号的检测方法。

在不获取电压参考信号的前提下获取阻性电流，对MOA性能优劣进行检测和诊断，主要方法有以下几种：

2.2.1 瞬时法

在图1的MOA等效电路中，R和C相对比较小，可以忽略掉，则将阀片看作为R和C相并联，外施正弦交流电压U。当电压信号过零时，IR=0，电流信号为电容电流IC；当电压信号达到波峰时，IC=0，电流信号为阻性电流IR。对于这种方法，准确找出信号的过零点比较困难，同时由于条件限制很可能影响到检测的精度和准确性。

2.2.2 三次谐波法

由于MOA的非线性特性，即使外施电压是正弦的，全电流也是非正弦的，它包含有高次谐波。使用MOA电流测试仪测量MOA中的三次谐波电流，可以推出阻性电流，理论上使用这种方法测量较为方便。上海电动工具研究所生产的SD-8901型MOA泄露电流测试仪即采用这种方法原理。

2.2.3 基波法(谐波分析法)

基波法即是通过采用数学谐波分析技术从总泄漏电流中分离出阻性电流的基波值，并以此来诊断MOA的健康状况。它的显著特点是：①尽管有效抑制了电网电压中的谐波干扰，阻性电流的大小主要取决于MOA的老化状况，但因电网电压谐波含量不同，总阻性电流的测量结果就不同，准确掌握电网中的谐波含量信息较困难，阻性电流的基波值分离并不简单；②基波功耗虽然反映了MOA的健康状况，但是当存在相间干扰等干扰时，得到的基波功耗值并不是实际值；③对于相间干扰对测量值的影响尽管可以采用数字谐波分析技术，测出此移相角并加以校正，但是方法和算法较复杂；阻性电流的变化总量相对于总泄露电流来说很小，其前后比较的数字差别不是很大，对MOA性能优劣的诊断会造成一定的困难；对测量仪器的精度要求较高，达到要求很困难。

2.2.4 零序电流法

可见，这几种检测方法无需引入电压信号，方法方便易行，但检测的精度和准确性难以把握。

要从全电流中准确分离其阻性分量，目前公认的比较准确有效的方法是，取MOA端电压来作为参考信号，测试采用双输入型，同时输入电压和电流信号，通过两者的相互关系来求得阻性电流。对此，目前国内外普遍采用有线方式从被测相电压互感器二次侧获得电压信号，通过带电测量MOA的全泄漏电流和阻性泄漏电流来诊断MOA是否劣化，常用方法主要有补偿法和投影法。

但这两种方法存在两个主要共同问题：①采用有线方式带电检测，拖线长，操作很不方便，且高压操作具有一定的危险性；②电压参考信号来自被测相电压互感器二次侧，属间接获取信号，参量容易畸变产生误差，并且有时避雷器与变电站距离较远无法获得电压信号。

2.3 温度法

国际上，采用双AT法和基于温度的测量法实现MOA的总泄漏电流监测技术已问世。基于温度的测量法是将温度传感器放在避雷器内部，通过无线方式向外接收装置发送温度信号，传感器采用无源声表面波(SAW)温度传感器。该方法对于正在制造且准备安装在线监测的MOA很有用途，但对于已投入电网安全运行的MOA却无法应用。除这些方法外，另外还可以进行远红外线带电检测，它是用红外探测仪检测被测目标的红外辐射信号。经放大转换处理后得到红外热像图，根据附带的固化程序分析得到正在运行的MOA各节电阻片的温度，测定因功率损耗而引起的MOA本体的温度升高程度，以此来确定MOA是否有缺陷。该方法为非电气检测，操作简单，较适合现场使用，一般判断温差达1℃便可确定是否有缺陷。但是MOA的发热很大程度上取决于运行时的电压分布，当相电压改变5%时MOA的能量损失可达20%，直接导致MOA温度变化1～2℃，容易受外界干扰[1]。

这两种方法均基于温度检测原理，存在的主要问题有：①需要在避雷器内部放置传感器，由于受运行方式的限制，对于已投入电网安全运行的MOA无法广泛采用；②温度信号容易受外界影响，不利于检测的准确性；③目前方法无统一标准，准确诊断MOA很大程度上要靠现场经验。

2.4 相角差法

MOA性能检测方法还有很大的研究和改进空间。有文献介绍可以用相角差法来诊断MOA劣化程度，根据φ和IR的关系，把IR的变化转换成角度φ的变化，可以使MOA劣化的诊断变得十分清晰和直观[9]。

MOA全电流IX中，IC比IR大的多，当IR增大时(不超过初始值的2倍)，IX的变化很小，因此从工程上可以把IX看作常数，这样IR的变化就可用φ的变化来描述。

由于不同类型和不同厂家生产制造的MOA初始参数(总电流、阻性电流和角度差等)往往是不同的，所以Δφmax必将会有一定的差别。但都可以在其刚开始投入使用时，利用相应的测量工具或仪器对其进行参数初始测量，测出其在运行电压下的初始参数，并方便地计算出Δφmax值，为以后的检测和诊断制定相应的标准。在测得MOA相角差φ值后，对应相应的诊断标准则可以对MOA的老化情况进行分析诊断，同时该种方法不受电网电压波动的影响。

为获得角度差φ，一般可以采取投影法和三次谐波法。投影法可以根据得到的基波电压和全电流的基波测得角度φ，三次谐波法主要采用谐波分析，通过测出三次谐波的相角差值3φ而得出φ，另外也可以采用无线检测方法获得相位差。由于避雷器相间存在干扰，其影响可根据对实际测得的相角φ进行相应的角度补偿来修正。针对各种干扰的存在，根据运行中MOA的排列和安装等具体情况进行考虑制定有效的补偿方法来补偿。例：若运行中的三相MOA是一字形排列，三相高压引线与一字型垂直，分别对停运和运行中的三相MOA进行测量，根据实际测量数据比较发现，运行中MOA受周围带电体的影响情况主要为：B相带电体对A相和C相MOA的作用大小相同，方向相反；A相和C相带电体对B相MOA的作用也是大小相同，方向相反。说明这种电场是以B相带电体为对称轴的对称电场。那么，在此基础上进行的测量结果B相的相角差φB是真实的，不需要补偿，对A相和C相测量结果φA和φC进行数值大小相等，方向相反的补偿即可。采用阻性电流大小诊断MOA性能需要对进行φ补偿后，再通过计算得到阻性电流值IR，那么IR的计算结果将存在累计误差，而采用相角差法诊断MOA性能优劣通过补偿消除相间干扰后，直接可通过相角变化量诊断MOA性能。

由于不同厂家生产的MOA初始参数不同，导致A，B和C三相MOA本身特性及每一相初始相位也不完全相同，而相角差法是根据每一相MOA的相角变化量Δφmax来诊断MOA的性能。

根据这些分析并结合大量的实际试验数据总结发现，一般MOA正常运行时的相角差为75°～85°，MOA正常运行时的相角差变化范围为5°～10°。若初始相位为85°时，当相角差变化5°时阻性电流已经增加了一倍以上。经验表明，若相角差大于80°，则该避雷器性能优良；小于80°则性能下降，而一旦相角差低于75°或以下，即相角差已经变化了5°～10°，则MOA的阻性电流已经增加了一倍或者一倍以上，MOA已经劣化，应停止运行 。总之，用相角差法诊断MOA性能更简便、准确和直观。

3 结语

若要对MOA性能优劣做出准确诊断，需要合理选择性能检测方法。目前国内外公认的氧化物避雷器性能有效检测方法是利用有线方式从电压互感器线上获得电压信号采用阻性电流法或相角差法检测，而实际中多数避雷器的安装位置与变电站距离较远，很难获得电压信号。可见，如何对MOA的性能优劣进行安全、方便和准确地检测，其方法和工作原理还有待进一步研究和改进。