浅谈氧化锌避雷器在线监测的方法

　　【摘要】氧化锌避雷器是保护高压交流电气设备、线路免受雷电过电压和操作过电压损害的重要保护设备。由于在使用中保护性能会逐渐劣（老）化，严重影响其保护性能，所以对其进行在线监测十分必要。本文首先阐述氧化锌避雷器在线监测的意义，然后列举了目前国内外对氧化锌避雷器进行在线监测的常用方法，对各种方法的优缺点和应用场景进行分析和比较。
　　【关键词】MOA；总泄漏电流法；补偿测阻性电流；三次谐波法
　　氧化锌避雷器（MOA）主要由ZnO阀片、压力释放装置、瓷套等组成。ZnO阀片以ZnO为主体，添加少量其它金属氧化物，是在以上的高温下烧结而成的电阻。ZnO阀片比传统的碳化硅阀片具有更加优良的非线性特性，在正常工作电压下接近绝缘状态，可不需要串联间隙将电源与阀片隔开，故可以制成无间隙氧化锌避雷器。氧化锌避雷器以其保护特性好、通流容量大、动作可靠及维护简便等优点，成为保护交流电气设备免受雷电过电压和操作过电压损害的重要设备。然而长期遭受天气、温度、雷击、操作过电压及内部受潮等因素的作用趋于老化，严重时可能导致保护功能失效，影响电力系统的安全运行。因此，为预防运行事故，对其绝缘状况进行在线监测意义重大。
　　一、在线监测的必要性分析
　　根据《电力设备预防性试验规程》规定，每年或雷雨季节前要对避雷器进行预防性试验，主要项目是测量绝缘电阻、直流耐压试验等。一般可通过预防性试验检查出是否存在内部受潮和阀片老化等缺陷，但ZnO阀片会在系统电压或其他因素的长期作用下会产生劣化，以至于常规的预防性试验没有发现任何问题，而在正常工作时或泄放雷电流时发生故障，导致大规模停电事故〔1〕。出现这些问题，主要有以下原因：预防性试验的时间间隔较长，不能实时发现问题；试验电压与实际工作电压不一致，不能真实的反映设备的实际绝缘状况。同时，还需要在停电状况下进行，势必影响系统的正常的运行。
　　在线监测MOA的运行状态，预报相对准确，减少停电或停运损失，节约检修费用，降低人力成本，能够预测己有故障隐患对MOA其他零部件的影响与作用，可以消除MOA已有故障诱发的二次性损坏。因此，对氧化锌避雷器开展在线监测是保护电力设备的必然要求。
　　二、国内外常用的在线监测方法
　　对运行工况的监测方法基本都以测泄漏电流为基础，根据老化机理及等效电路的研究，目前在线监测的方法有许多种，从对采样信号的分析原理分类主要有下面几种方法：总泄漏电流法、补偿测阻性电流、阻性电流基波法、三次谐波法、双AT法、基于温度的测量法等〔2〕〔3〕。
　　（一）监测总泄漏电流法〔4〕〔5〕
　　又称全电流法，假定泄漏电流的容性分量基本保持不变，可简单地认为其阻性电流增加会使总电流的增加这一特征反应运行状态。这种方法是直接在氧化锌避雷器接地端串接交流毫安表，以此测量总泄漏电流的变化。
　　正常运行时，容性电流实际上远大于阻性电流，且两者的基波又差90相位角，即使阻性电流增加很多，测得的全电流有效值或平均值也并没有很大的变化。所以此种方法适用于受潮劣化的判断，对老化尤其是早期老化不灵敏。这种方法简单且监测仪的成本较低，但这种方法太粗糙，灵敏度较低，不宜广泛采用，目前极少使用。
　　（二）补偿法测阻性电流
　　补偿法测量阻性电流是在测量电流的同时检测系统的电压信号，借以消除总泄漏电流中的容性电流。补偿法测量误差较小，所用仪器测量时需要引入补偿信号（电容性电流），此补偿信号经过相位、幅值处理，再和取自避雷器的泄漏电流相减后，方能得到阻性分量，但测量时必须借用二次绕组引入电网电压信号，而电网电压含有谐波成份造成监测结果误差。
　　（三）基次谐波法检测阻性电流
　　在正弦波电压的作用下，MOA阻值电流中只有基波电流做功产生功耗，无论谐波电压如何，阻性基波电流都是一个定值，利用数字谐波分析提取基波进行阻性电流分解，即可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的工作状况。
　　基次谐波法测量时需要获得全电流和母线电压，经过傅里叶变换提取得到电流和电压的基波分量，利用投影法（电流基波分量在电压基波分量上的投影）可以得到阻性泄漏电流的基波分量。基波法有其本身的精确性，能有效的抑制电网电压中的谐波干扰，基波的功耗也能够反映MOA的状态。但是实际运行经验和实验结果表明，阻性电流的基次谐波在一些情况下能灵敏地反映MOA的状态，但阻性电流的高次谐波会受电网电压的高次谐波影响，因此必须采取相应的方法去除阻性电流中的高次谐波。
　　（四）三次諧波法
　　三次谐波法又被称为零序电流法。工作原理为从避雷器总泄漏电流中检测出三次谐波阻性电流分量。
　　该方法利用零序电流测量到阻性三次谐波电流，与补偿法相比无需引入电压信号，测量方便、操作简便、易于实现。诊断判据是观察各电流的变化趋势，因此对修正的准确度影响不大。但当零序电流有变化时，不宜判断出哪一相出现异常。另外，系统电压中含有的谐波分量也会对结果造成影响。
　　（五）双AT法
　　双AT法主要是监测阻性泄漏电流，其工作原理是：一个传感器采样正常泄漏电流，另一个测量在过电压情况下冲击大电流的峰值以记录动作次数，并根据相应的参考电流值来区分动作原因，如区分雷击或操作过电压等，信号经转换后进行数字信号处理，用电压信号来判断电网谐波对测量泄漏电流阻性分量的影响。这种方法依靠强大的支持软件来实现在线监测功能，同时考虑了来自电网的谐波和温度的影响，实现功能较强大，在线监测完善，但经济性不够好，且其长期稳定性还有待时间检验。
　　（六）基于温度的测量法
　　温度监测法是一种全新方法，简单、实用，但会到受能量吸收能力和老化或受潮导致的能量损耗的影响。正常运行条件下，吸收能量损耗，温度变化很小，出现过电压时，温度可能暂时会有所上升，但会慢慢恢复。在老化或受潮时，温度会逐步上升，测量温度不是一种了解运行状态的直接方法，但温度是影响运行状态参数的综合结果，在持续运行电压下的过热直接与能量损失相关，而与运行电压的质量及外界干扰等无直接关系。
　　三、结论
　　本文所列举的几种方法都有一定的局限性，总泄漏电流法灵敏度较差，结果不够准确补偿法和三次谐波法易受电网谐波的影响，温度测量法主要用于正准备安装的避雷器，而基次谐波法能够较好的实现检测工作。另外，在选取时要考虑以下几个方面的影响因素：电网谐波电压；相间干扰；表面污秽；电网电压波动；环境温度、湿度。实际使用中要充分考虑应用场景的特点，根据现场工程实际选择合理、实用，可靠的方法成为在线监测及诊断系统的主要任务。
　　【参考文献】
　　〔1〕罗光伟，向守兵，陈跷东高压电气设各绝缘在线监测系统的研究〔J〕。月黑龙江电力，2004，26（4）：2930。
　　〔2〕郝致远。基于LabVIEW的氧化锌避雷器在线监测系统的研究与设计〔D〕。山东大学，2011。
　　〔3〕杨晓东。氧化锌避雷器监测方法分析〔J〕。新疆电力技术，2008（2）：2629。
　　〔4〕赵玲艳。氧化锌避雷器带电测试分析〔J〕。华电技术，2009，31（9）：5557。
　　〔5〕孟飞。金属氧化物避雷器泄漏电流监测仪的研制电测与仪表。电测与仪表，2009，46（519）：5762。