基于容性设备接地电流的金属氧化物避雷器阻性电流现场检测方法

2022-02-26杨世博

电瓷避雷器 2022年1期

邢超，赵军，刘涛，杨桦，杨世博，王辉

(1.国网河北省电力有限公司电力科学研究院,石家庄 050021；2.国网河北省电力有限公司保定供电分公司，河北保定 071000；3.国网河北省电力有限公司检修分公司，石家庄 050011；4.河北省送变电有限公司，石家庄 050000)

0 引言

金属氧化物避雷器(以下简称:避雷器)具有非线性、通流量大、残压低等优异的保护性能，成为电力系统中重要的过电压保护设备[1-3]。因其运行环境恶劣，长期运行过程中易发生绝缘受潮、阀片老化等缺陷。相关研究表明，避雷器阻性电流相较于全电流能够更加灵敏反映避雷器早期老化、受潮、劣化和热崩溃[4-7]，因而阻性电流的检测尤为关键。现场检测阻性电流使用的方法分为检修电源法、感应板法、PT二次法[8]。检修电源法测试时需接入检修电源箱的电压信号作为相位参考，易受负荷接入、站用变压器角差及系统运行方式等影响，电压信号角度波动较大，影响测试数据连续性和准确度，现场应用较少。感应板法测试时通过感应板的电场感应效应获取避雷器运行电压相位，由于感应板对自身所处高度及角度极其敏感，其位置稍有改变时，获取的运行电压相位随即改变，造成测试结果不确定性很大，现场应用也很少。PT二次法测试时接入PT二次侧电压作为相位参考，是目前比较准确的测试方法，然而在操作方面，由于要在PT二次端子箱中进行接线，存在误碰、误短路二次端子造成设备跳闸的重大隐患[9]，个别单位甚至已经禁止对运行中的PT二次端子箱进行该类操作，客观上也使得该方法的应用具有一定的局限性。集中带电检测期间，数量有限的技术人员要在短时间内检测数量巨大的避雷器，且每次检测现场都需要电气二次人员配合接入PT二次端子，检测效率低，且容易出现人员触电、误碰短路引发电网跳闸事故，因此，如何安全、快速、准确测试避雷器阻性电流，成为当前避雷器测试工作急需解决的问题。

1 基本测试原理

将避雷器全电流信号IA在避雷器运行电压信号U上进行投影即可得到避雷器阻性电流IR[10-12]，见图1所示。

U:避雷器运行电压(与避雷器处于同一母线或线路的电压互感器运行电压);IA:避雷器全电流;α:U与IA的夹角;U2:电压互感器二次端子电压;θ：U与U2夹角

因此测试时关键是如何获取避雷器运行电压信号的相位信息。避雷器运行电压信号可由与避雷器处于同一母线(或线路)的电磁式(或电容式)电压互感器获得。而电压互感器的运行电压相位信息可通过电压互感器二次端子电压获得，如图2所示，通常U与U2相位差θ很小，可以认为U与U2相位一致。测试避雷器阻性电流时，只需获得电压互感器的二次端子电压U2相位即可。

ICVT:CVT整体接地电流;ICT:CT末屏接地电流;δ1:CT介质损耗角;δ2:CVT介质损耗角

由于电压互感器二次端子火线和零线之间距离较近，测试时稍不注意极易造成二次端子短路，严重时甚至触发保护装置误动作，因此采用PT二次法测试时存在电网安全风险。

2 新测试方法探索

测试的关键是获取避雷器运行电压的相位，对于电容型设备，如果其介质损耗角δ1(或δ2)足够小，则可认为其接地电流信号和电压信号U的相位差为90°，见图2所示。因此考虑采用与避雷器处于同一母线(或线路)的电容式电压互感器(以下简称：CVT)的接地电流信号或电流互感器(以下简称：CT)的末屏电流信号作为避雷器阻性电流测试时的参考相位信号，见图3所示，只需将此信号角度顺时针旋转90°即可获得避雷器运行电压信号角度。

U:避雷器运行电压;IA:避雷器全电流;ICVT:CVT整体接地电流;N:CVT最下节电容接地端子;X:CVT电磁单元变压器一次绕组接地端子;ICT:油浸式或气体绝缘式CT末屏接地电流

3 基于CT末屏接地电流信号测试阻性电流

为保证计量准确度及避免二次线圈短路时造成保护装置动作，采用PT二次法测量避雷器阻性电流时通常选择PT二次测量线圈，而不选择保护线圈及计量线圈。

JJG 314-2010《测量用电压互感器检定规程》标准中对于0.1级～0.5级的测量用电压互感器的误差限值要求见表1。

表1 测量用电压互感器的误差限值Table 1 Error limit ofinstrument voltage transformer

由表1可见，电力系统中常用0.1～0.5级的电压互感器，在额定频率、额定功率因数及二次负荷为额定二次负荷的25%～100%之间的任一数值时，80%～120%额定电压下其角差范围(一二次电压相位误差)在±5′至±20′之间。因此，采用PT二次法测试阻性电流时，对于准确度最低的0.5级的电压互感器来说，其一二次电压相位差最大，为±20′。

对于绝缘良好的110(66)kV～1 000 kV油浸式电流互感器，其介质损耗角正切值110(66)kV允许限值最高，为0.008，见表2所示，折合成介质损耗角其角度为27.5′。事实上，对于绝缘良好的油浸式电流互感器，现场试验时其介质损耗角正切值远远低于标准要求，介质损耗角一般会远低于20′。

表2 油浸式电流互感器介质损耗角正切值Table 2 Dielectric loss tangent of oil-immersed current transformer

因此，笔者认为采用油浸式电流互感器末屏接地电流相位来推测避雷器运行电压相位是可行的。

4 不同介质损耗角下避雷器阻性电流测试情况

电压互感器角差一经设定完成后比较稳定，日常运行不会发生很大变化。因此用PT二次法测试避雷器阻性电流数据稳定性较好。

对于绝缘良好的电流互感器，其介质损耗角也比较稳定，由电流互感器末屏接地电流相位来推测避雷器运行电压是可以接受的。

当电流互感器绝缘劣化，必须考虑其介质损耗角时，由此得出的避雷器阻性电流会有所变化，见图4所示。当考虑介质损耗角时，避雷器阻性电流测试值会比不考虑介质损耗角的测试值要大，介质损耗角越大，阻性电流测试值会越低于真实值。当采用绝缘劣化的电流互感器末屏接地电流信号测试避雷器阻性电流时，阻性电流测试值将小于实际值，此时避雷器的绝缘状态可能会被乐观估计。

IallCT_a:电流互感器末屏接地电流;IR′:不考虑介质损耗角时测得的避雷器阻性电流;U_a:考虑介质损耗角时获取的避雷器运行电压;U_s:不考虑介质损耗角时获取的避雷器运行电压;

由图4可以看出，考虑介质损耗角时，避雷器阻性电流为：

IR=IAcosα

(1)

不考虑介质损耗角时，避雷器阻性电流为：

IR=IAcos(α+δ)

(2)

不同δ下，IR′/IR的值见图5所示，在δ为20′-50′范围内时，不同α角度下的测得值均比真实值要小。α较小时，δ的增大对测试值的影响较小，IR′基本等同于IR。随着α的增大，δ的变化对测试结果的影响越来越显著，尤其是在88°、89°范围里，测得值只占到实际值的83%以下，极大影响数据的分析和避雷器绝缘状态的判断。在α为89°，δ为30′及以上时，测试值仅占实际值的50%以下。

图5 不同α、δ角度下阻性电流测得值和真实值得比值Fig.5 Ratio of measured value and true value of resistive current under different α and δ angles

由图5可以看出，在α较大时，即使避雷器本身绝缘没有问题，受δ影响(电流互感器绝缘状态影响)，用测得值来判断避雷器绝缘状态也会发生误判，误认为避雷器绝缘状态良好。以α为88°为例，当CT介质损耗角为20′，阻性电流测试值占真实值的83%，当CT介质损耗角为50′时，阻性电流测试值仅占真实值的58%。

因此测试时，建议选择A、B、C相中至少两相CT末屏接地电流信号作为参考信号测试避雷器两次数据，从而避免其中一相CT绝缘有问题时数据误判。测试时建议输入两路CT末屏接地电流参考信号，分别测试各路参考信号下的阻性电流，若两路参考信号下测得的阻性电流基本一致，则可以推断所测数据准确，若不一致则需分析是避雷器的绝缘状态改变还是CT的绝缘状态改变。此种作法的一个附加好处是测试避雷器时有可能会发现CT绝缘缺陷。

综上所述，合理使用CT末屏接地电流作为参考信号测试金属氧化物避雷器阻性电流的准确度应该等同于甚至优于PT二次法，且测试方法安全简单，仅需使用钳形电流互感器获取CT末屏接地电流信号相位即可。

5 基于CVT接地电流信号测试阻性电流

对于CVT类设备，分析原理与CT类设备相似。但由于其介质损耗角更加微小，其接地电流较CT末屏接地电流更大，此种方法抗干扰性更强。

6 现场测试

现场选取某220 kV变电站进行验证测试，变电站220 kV CT末屏接地和CVT接地均进行了改造，末屏通过长接地引下线引出后接地，CVT将N端通过长接地引下线引出后接地。分别使用PT二次法、容性设备接地电流法对同一组避雷器进行了阻性电流测试，测试结果见表3所示。测试时通过钳形电流互感器卡入接地引下线中获取接地电流相位信号。