王清波,段永生,方勇,邹璟,路智欣,韦瑞峰,代正元,冉玉琦,赵荣普,陈永琴,王朝宇,吴尉民

(云南电网有限责任公司昆明供电局，昆明 650011)

0 引言

电力系统常会受到直击雷或感应雷造成的外部过电压，以及暂态过电压、操作过电压或谐振过电压等内部过电压的侵害。当电网设备的绝缘水平不能承受过电压侵害时，就会致使供电系统发生非计划停运，造成巨大的经济损失和社会不良影响。为了提高电力系统的安全稳定运行，安装健康状态的金属氧化物避雷器(metal oxide surge arrester，MOA)是非常有效且必要的措施[1-5]。

MOA因其良好的非线性特性和通流能力可以保护电力系统免受过电压侵害。但当MOA受潮、老化或部件损伤后，不仅丧失保护作用，还会因自身故障导致非计划停运事件。不停电状态下，通常采用巡视检查、红外检测、运行电压下的交流泄漏电流带电测试(亦称避雷器阻性电流带电测试)等技术手段对MOA进行状态监测。

正常运行工况下，MOA全电流由线性的容性分量IC和非线性的阻性分量IR构成(见图1)，IR仅占总泄漏电流10%～20%。泄漏电流主要包括：电阻片沿面泄漏及其本身的非线性电阻分量，瓷套内外壁的沿面泄漏，绝缘筒内外壁的泄漏，绝缘支撑杆的泄漏[6-7]。运行电压下的交流泄漏电流带电测试见图2，当泄漏电流与初始值相比增加50%时应缩短周期加强监测关注，当阻性电流增加1倍时应停电检查[8-9]。

图1 MOA等效电路图和向量关系图Fig.1 MOA equivalent circuit diagram and vector diagram

图2 MOA阻性电流带电测试示意图Fig.2 Schematic diagram of MOA resistive current live test

文献[1-7]详细阐述了MOA的内部结构与性能关系、常见故障及其原因、反映MOA的电气特性参数。从理论上论证了全电流、阻性电流及其各谐波分量能够反映MOA内部故障。文献[10-15]通过交流泄漏电流带电测试数据异常，分析并解体发现了若干例内部受潮、电阻片老化、瓷外套裂损等典型故障。文献[16-20]展示了若干例交流泄漏电流带电测试数据正常的MOA，但是通过其他技术手段确诊或因故障停运(甚至爆炸)后解体检查发现避雷器内部存在故障，证明交流泄漏电流带电测试存在不足。现有文献都缺乏对该现象及其原因的研究，尤其是针对交流泄漏电流带电测试技术的缺陷，尚无相关理论与研究成果。

据此笔者将研究运行电压下交流泄漏电流带电测试对MOA不同部件上的故障检出效果差异，并制定实验方案验证设想的真伪及其原因。

1 实验原理与测试方法

按照实验原理(图3)，利用工频高压试验系统依次对MOA整体及各个绝缘部件施加持续运行电压，然后分别利用HS400E型避雷器阻性电流带电测试仪进行交流泄漏电流带电测试，记录整体及其各部件的交流泄漏电流。

图3 实验原理设计图Fig.3 The principle diagram of the experiment

本次试验场地为500 kV高压检修试验大厅。试品为：型号Y10W1-444/995G的500 kV无间隙氧化锌避雷器，下节无均压电容，中、上2节有均压电容(结构见图4)。试品各指标均满足新投运标准。

图4 金属氧化物避雷器结构图示Fig.4 Structure diagram of MOA

2 实验流程与数据分析

步骤1：按照实验原理图3，对试品上节避雷器整体进行接线，将HS400E型避雷器阻性电流带电测试仪红线夹与试品避雷器下端金属底座连接，黑线夹接地，测试仪接地端接地。避雷器阻性电流带电测试仪与试品的距离大于5 m且设置了安全围栏与警示标志。检查确认接线无误、确认测试仪设置为抗干扰模式、所有人员撤离到安全围栏外以后，利用工频高电压试验系统缓慢匀速升压，给试品施加持续运行电压U持续，待电压稳定后进行交流泄漏电流测试并记录数据。实验完毕，缓慢降压至0并切断电源，对试品放电后拆除接线。

步骤2：按照步骤1，依次完成避雷器中下节整体的交流泄漏电流数据采集。

步骤3：在干燥、洁净的高压检修试验大厅，将上、中、下节避雷器，按照返厂大修的技术标准开展解体(见图5)，保证所有的部件没有损坏。解体后立即开展实验，避免绝缘部件受潮。

图5 试品避雷器解体图示Fig.5 Disassembly drawing of MOA as test object

步骤4：对解体绝缘部件——瓷外套、环氧树脂绝缘筒、电阻片柱(单节避雷器所有电阻片垒叠压紧状态，下同)、绝缘支撑杆，按照步骤1所述流程与要求，依次开展泄漏电流数据采集。数据见表1。

表1 持续运行电压下各节阻性电流测试Table 1 Test dates of the arrester under continuous operating voltage mA

特别注意：1)每做完一个试品的实验后，必须缓慢降低电压至0，关闭工频高电压试验系统并断开电源，充分放电后才能允许人员进入安全围栏内，确保人身安全。2)每一次实验升压或降压过程须缓慢匀速，发现异常立即停止升压。3)为避免电磁场干扰影响实验结果，对试验导线采用抗干扰屏蔽外套，并通过均压环与试品进行连接。避雷器顶端安装高压试验均压环，放置在合格的绝缘垫上，与其他设施保持10 m以上的距离。(见图6)

图6 单节避雷器整体在持续运行电压下测试泄漏电流Fig.6 Measurement of leakage current of a single arrester under continuous operating voltage

研究实验数据，通过柱状图7、图8、图9呈现的规律可知：与整体测试结果相比，电阻片柱、瓷外套的交流泄漏电流各分量占比较大，玻璃钢芯绝缘支撑杆、环氧树脂绝缘筒的全电流与阻性电流等值占比非常小。

图7 上节避雷器各部件泄漏电流占比
Fig.7 Proportion of leakage current of each component of MOA in the upper section

图8 中节避雷器各部件泄漏电流占比Fig.8 Proportion of leakage current of each component of in the middle section MOA

图9 下节避雷器各部件泄漏电流占比Fig.9 Proportion of leakage current of each component of MOA in the lower section

再结合文献[6]中详述的MOA故障机理及判断方法：当电阻片或瓷外套故障后，其总的泄漏电流增加(全电流明显增加，阻性电流成倍增长)，由于这两个绝缘部件泄漏电流权重都较大，通过带电测试能够发现该异常状态参量的变化，所以故障检出率较高；当绝缘支撑杆或绝缘筒故障后，虽然流过它们的电流会增加(全电流明显增加，阻性电流成倍增长)，但这两个绝缘部件的泄漏电流权重非常小，容易被电阻片或瓷外套泄漏电流“稀释”，因此总的泄漏电流增加不明显，带电测试很难发现状态参量发生变化，所以故障检出率较低。

按照上述原理与方法，还对不同类型、不同电压等级的金属氧化物避雷器开展了实验研究。除结构略微有差异、各部件泄漏电流占比稍有浮动，均呈现出规律：电阻片或瓷外套的泄漏电流权重较大，绝缘筒(绝缘包裹)与绝缘支撑杆的泄漏电流权重非常小。具体试验与分析此处不再赘列。

根据实验与分析，绘制了运行工况下金属氧化物避雷器泄漏电流分布模型，见图10。

图10 运行工况下金属氧化物避雷器泄漏电流分布模型Fig.10 Model of leakage current distribubion of MOA

3 应用案例

[案例1]500 kV某线路避雷器绝缘筒早期受潮缺陷。

500 kV某线路避雷器历次运行电压下的交流泄漏电流带电测试无异常增长、阻性电流分量小于全电流20%，见表2。红外精准测温发现B相下节局部发热，相间最大温差2.2 ℃，见图11。

表2 交流泄漏电流带电测试数据Table 2 Test date of the arrester mA

图11 500 kV某线路避雷器B相线-温图谱Fig.11 Line-temperature curve of the arrester phase B

通过计划停电对该避雷器开展检修，解体发现内部存在多处受潮、锈蚀、放电痕迹。整体和各部件绝缘电阻均降低，其中环氧树脂绝缘筒绝缘电阻低标准规定值2 500 MΩ(表3)，在烘房80 ℃流动空气烘2 h后绝缘电阻恢复到1.2 TΩ。

表3 绝缘电阻Table 3 Insulation resistance of the arrester

[案例2]110 kV某线路避雷器绝缘支撑杆裂纹缺陷

110 kV某线路避雷器历次运行电压下的交流泄漏电流带电测试无异常增长、阻性电流分量小于全电流20%(表4)。红外精准测温未发现异常温差。高脉冲电流法局放带电测试，在A、C相计数器下引线上检测到放电信号(图12)。

表4 交流泄漏电流带电测试数据Table 4 Test dates of the arrester mA

图12 避雷器A(左)、B(中)、C(右)三相局放图谱Fig.12 Partial discharge spectrum of the arrester phase A(left), plase B(middle),phase C(right)

通过计划停电对该避雷器开展检修，解体发现该避雷器A、C相绝缘支撑杆上有贯穿性裂纹。

4 结论

本研究基于MOA不同绝缘部件在运行电压下进行交流泄漏电流带电测试，分析测试数据得到个绝缘部件的泄漏电流权重不同的规律，得到以下结论：

1)当电阻片或瓷外套故障后，流过避雷器的全电流或阻性电流明显增长，而当绝缘支撑杆或绝缘筒故障后，流过避雷器的全电流或阻性电流增加不明显。这是由于流过电阻片柱或瓷外套的泄漏电流权重较大，能够通过带电测试泄漏电流的变化发现这两个绝缘部件是否出现异常状态。

2)在技术监督过程中，运行电压下的交流泄漏电流带电测试无异常时，并不代表MOA处于正常状态。

3)实践证明，玻璃钢芯绝缘支撑杆、环氧树脂绝缘筒(或绝缘包裹)上的故障，可以通过精准红外测温、局部放电检测等不停电手段发现。

4)在避雷器状态检修过程中，不能仅依据单一的状态参量评估设备的健康水平，应多维度状态感知、多状态参量诊断[21-22]。例如结合运行电压下的交流泄漏电流、精准红外测温图谱、高频脉冲电流局部放电图谱、停电试验数据、运维参数、历史检修信息、环境气候条件等参量综合分析判断。