避雷器阻性电流测试说明.doc

避雷器阻性电流测试技术说明 1 范围 本技术说明规定了避雷器阻性电流在线监视仪（以下简称监视仪）的适用范围、技术要求、试验方法、检验规则。 本技术说明适用于交流电力系统中与金属氧化物避雷器（标称放电电流20kA及以下、额定电压500kV及以下）相串联用的监视仪。监视仪可显示金属氧化物避雷器的动作次数和阻性泄漏电流值。2 规范性引用文件 GB11032-2000 交流无间隙金属氧化物避雷器 GB3797-89 电控设备 第二部分 装有电子器件的电控设备 GB4208-1993 外壳防护等级GB/T17626.5-1999 电磁兼容 试验和测量技术 浪涌（冲击）抗扰度试验JB2440-1991 避雷器用放电计数器3 基本测试功能： 1）测量避雷器的全电流功能(有效值) 2）测量避雷器的阻性电流功能(峰值) 3）记录避雷器放电次数记录功能4 监视仪的测试使用条件1) 环境温度 +50C -10C2) 相对湿度 85% （25C）3) 海拔高度 1000米4) 使用场所 户内、户外5) 耐太阳光辐射6) 被检测系统电源频率： 50HZ 48-52HZ 60HZ 58-62HZ7) 可使用在高电场场合5 仪器特性指标：1）测量精度： 全电流 Ix（有效值）测量精度 3.0%阻性电流 Ir（峰值） 测量精度 10.0%2）泄漏电流测量有效范围: 0.1 5.0 mA3）放电电流次数记录动作电流：30A 10KA4) 电流传感器标称放电电流下残压: 10KA等级1500V 20KA等级2500V5) 工作电源: 24VDC10%(仅对有源仪器适用) 6) 监视仪在规定的放电电流范围内任意值作用下应能准确地计数,二次放电电流的时间间隔应不小于1s。 6 试验方法1） 测量精度试验 在有效测量信号范围内，任意模拟避雷器的泄漏电流输入该系统，并进行7次重复测量，其测量结果的误差率应在规定范围内。图中：信号源：SB-868型多功能校准仪C：333K 250V CJ8R：DNR 7D101A：交流电流表，测量范围020mA，准确度等级0.5级2） 动作性能试验动作性能试验分上限动作电流下的动作性能试验和下限动作电流下的动作性能试验，上限动作电流下的性能试验按JB2440第6.3.2条规定进行，下限动作电流下的动作性能试验按JB2440第6.3.1条规定进行。3） 环境温度性能试验 环境温度性能试验按GB3797第4.13的规定进行。其中：TA= 50； T0= -10；tS= 60min。4） 抗电磁干扰试验l 电快速瞬变干扰试验 在工作电源上叠加2000V的尖脉冲试验电压，并按GB3797第4.14.1.1的规定进行试验。l 静电放电干扰试验施加2000V的静电放电电压，并按GB3797第4.14.2的规定进行试验。l 辐射电磁场干扰试验 在5kV/m电场强度的电磁中，并按GB3797第4.14.2的规定进行试验。l 浪涌（冲击）抗扰度试验以GB/T17626.5试验等级4规定进行试验。氧化锌避雷器测量阻性电流技术的研究 1现状：当前，对避雷器的状态监测的有效手段之一是在线检测，在线检测通常采用以下的措施来监测避雷器性能的变化：1） 测量避雷器在运行电压下的全电流变化。 2）测量流过避雷器阻性电流的变化监测避雷器性能的变化。目前普遍采用的方法是测量避雷器的全电流，具体是在110KV等级及以上的避雷器的下端接地回路上安装泄漏电流监视仪，通过定时人工巡视来监视泄漏电流的大小与变化趋势或将数据远传到检测中心进行统一分析，通过记录全电流读数来判断避雷器的老化和绝缘损坏程度。然而这些测量方法所得到的全电流中包含了避雷器表面的泄漏电流、内部的泄漏电流以及本体电容电流等的总和，它不能有效反映避雷器内部绝缘（支架绝缘、内壁绝缘、氧化锌片的质量等）的真实运行情况。因此，如何测量正确，这对运行部门来说是非常关心的问题，也是需要研究解决的技术问题。2技术问题：1）在运行电压下流过避雷器的泄漏全电流包含了阻性泄漏电流分量、容性泄漏电流分量两部分。在避雷器处于正常运行电压状态下阻性电流分量远远小于容性分量，一般阻性泄漏电流分量占全电流的比例不会超过1015%的数值，所以阻性分量即使增加一倍，全电流的变化不会超过5.0%。所以采用全电流的测量方法，就不能有效监视避雷器的内部性能劣化的趋势。 2）在运行电压下的测量，由于运行电压的变化幅度将达到大于5%以上，所以产生的全电流的变化由于电容分量的线性变化影响使测量全电流数值的结果也有5%以上幅度的变化，从而淹没了由于阻性电流变化而引起上面提到的全电流变化5.0%的比例。 3）如果避雷器在运行中由于内部元件发生劣化，引起阻性泄漏电流的增加，即有功损失分量不断加大，如此继续劣化下去，达到一定程度后会导至避雷器的热崩溃，若不能迅速将不正常的避雷器及时退出运行，很可能在一段时间内（几月、天或数小时）发生爆炸，引发大面积电力事故的判断依据无法知道。分析一般引起避雷器阻性泄漏电流增加的原因有下面主要方面：1） 避雷器的内部受潮而产生的内部绝缘下降 避雷器在制造中由于在正常的气候条 件下进行组装，留存有一定的湿度。 避雷器内部的绝缘材料的吸潮性或者 内部有潮气而没有将其排除进行组 装，投入运行以后缓慢的释放。 本体本身与密封口的呼吸作用。 外瓷套本身材料老化或者呼吸作用。2） 避雷器的氧化锌片本体在通流负载下质量发生变化 大雷电流冲击引起积累效应。 高内过电压冲击。 长期运行电压下的自然老化。 氧化锌片的通流容量与实际 的通流量不符合加剧老化。据资料反映，在避雷器损坏的统计中是由于内部受潮所引起的比例达到总故障数50%以上，而氧化锌片的劣化所引起的事故大约占30%不到（法国电力公司统计为大约是17%）。要解决这些问题，除了制造厂在元件及制造工艺上提高固然很重要外，对于运行部门如何加强对避雷器在运行中的检查即在线检测也至关重要，若能及时发现避雷器的劣化趋势，就可尽快采取措施或将避雷器退出运行，达到预防事故的发生。3通过试验证明阻性电流反映的可靠度：下面将避雷器的泄漏电流进行了一组试验，数据如表3所示：表3：避雷器泄漏电流表：（测量仪器是MOA-RCD-4，测量电压区避雷器分压）产品 交流持续电压试验（78KV）下的泄漏电流（A）序号 全电流 阻性泄漏电流（峰值） 阻性泄漏电流基波（峰值） 1 760 216 160 2 780 206 156 3 760 219 161 4 770 229 167 从表3数据看，在正常状态下阻性电流分量要比电容电流分量小得多，避雷器的全电流（当结构已经定的情况下，并且以上海电瓷厂产品为例）一般在760780微安左右，而阻性电流基波峰值只有150170微安左右，此时容性电流的数值接近于全电流，以上面的例子计算说明（以1号试品为例）：容性电流分量计算： IC= 744微安阻性电流有效值是： Ir=216/1.414=152（有效值）当阻性电流增加到300微安的时候,全电流达到802微安,仅比760微安大了40微安，增加的比例是5%，但是阻性电流恰恰增加了150微安，增加的比例达到了一倍。所以阻性电流增大对全电流增大的幅度并不大，全电流不能快速、正确发现避雷器内部的质量变化，而阻性电流才能是有效的、可靠的反映氧化锌避雷器内部的质量变化。所以测量阻性电流的技术对于反映避雷器的内部质量是可靠的。而目前有的厂家说明中提到，全电流增加的数值超过10%，即可以认为是有问题的，那么在这样的情况下阻性电流实际上可能已经达到382微安的数值，即增大了230微安，在这样的情况下，避雷器内部的功率损失已经达到甚至超过了2425W的水平，与平时的正常运行情况比较增加到2.5倍以上。而与1mA的参考电压的功率损失148W相比较已经占到17%，实际上避雷器已经达到了承受的地步。避雷器泄漏电流的组成： 避雷器在运行电压下的泄漏电流的组成主要部分如表4所示：表4： 避累器的泄漏电流主要部分组成表： 泄漏电流的组成部分 其中的阻性电流部分1 氧化锌本体的泄漏电流 氧化锌本体的泄漏电流2 套管表面的泄漏电流 套管表面的泄漏电流 3 流经隔弧筒与支架的泄漏电流 流经隔弧筒与支架的泄漏电流 4 套管内壁的泄漏电流与套管本身材料的泄漏电流 套管内壁的泄漏电流与套管本 身材料的泄漏电流 5 空气在电场作用下的泄漏电流 空气在电场作用下的泄漏电流 6 由于各个部件组成一定的形状以后构成的分布电容电流分量 在实际运行中，对于正常的避雷器的内部由于结构的固定与工艺的保证，所以内部的泄漏电流基本是维持在一定的范围内。但是套管的表面受到环境的影响，导至泄漏电流有较大的变化，见下面表5的测量结果： 表5 不同环境下的泄漏电流值 试品序号 避雷器表面干净 避雷器表面较污染 芯体部分 环境温度190C 环境温度130C （全电流） 相对湿度53% 相对湿度81% 1 0.76mA (全电流) 0.83mA(全电流) 0.72mA 2 0.76mA (全电流) 0.97mA(全电流) 0.72mA 表5 中的数据表明：避雷器在外界环境变化因素下，在泄漏仪器上测量的电流的读数会随之而发生变化，不能真正反映内部的真实泄漏电流情况，因此单纯采用这样的测量手段可靠性不高，会对内部质量变化产生误判断。 为了进一步掌握避雷器中的各部分电流的分布，现对避雷器组成的各个主要部件如芯体、套管、隔弧筒进行测试，结果见表6所示： 表6避雷器组成的各部件的泄漏电流的测量结果： 条 件 在环境温度（9140C） 相对湿度（6070%）下的泄漏电流（A） 试品序号 1 2 3 4 5 芯体部分 710 720 710 720 720 套管部分 27 29 28 28 26 隔弧筒部分 25 32 27 26 27 表6中的数据看出，在正常情况下，流经避雷器的电流大部分是流经避雷器的芯体柱部份的电流（大约占93%以上），因此泄漏电流表中测量到的读数应当讲是基本上真实反映避雷器的芯体柱的运行状态。但是在外表污染的情况下，由于表面的泄漏电流的增加，严重影响了泄漏表的测量数值，所以全电流不能反映其内部的实际泄漏情况。综上所述，传统的全电流测量的方法仅仅反映了避雷器容性电流的变化、外部环境变化，且变化值不能明显表明避雷器内部的质量发生变化，因此需要采用另外的方法，就是能够较快速、正确、有效的反映内部质量问题的测量方法，即在目前认为是比较有效的方法测量避雷器的电阻性分量也就是与氧化锌避雷器内部的发热损坏所结合的参数量，简称为阻性电流进行判别。测量阻性电流的技术分析：二 关于在运行电压下的测量电流的反映：在运行电压下，氧化锌避雷器的通过的电流特性究竟处在芯片特性的什么位置，这是研究测量方法的关键。为此，我们进行了不同电压下的避雷器的通过电流的试验。试验分两个部分，分别采用交流电压和直流电压进行，下面将两种电压试验的结果列表于下。 1采用交流电压进行试验的数据见表9所示： 表9 在不同交流电压下避雷器的各个电流变化情况记录：电流单位（A） 序号 项 目 施加电压有效值（KV） 1号 交流电压 52.2 57.3 59.2 61.1 65.2 68.6 70.3 73.4 76.2 77.5 80.9 全电流 496 539 559 576 609 638 652 682 707 720 758 阻性电流 基波(峰) 84 91 96 103 110 119 124 136 149 154 178 2号 交流电压 58.1 61.4 65.1 68.6 72.1 74.9 77.6 78.1 79.7 81.9 全电流 570 598 627 657 681 709 732 736 747 769 阻性电流 基波(峰) 100 107 118 129 138 151 161 167 173 189将上面的全电流与阻性电流在下面的图形上表示见图3所示:微安800700600 2号全电流 1号全电流500(200) 2号阻性电流400(100) 1号阻性电流 。 。 。 。 。 。 。 52.5 55 60 65 70 75 80 KV 图3 不同交流电压下的全电流与阻性电流基波峰值的变化趋势图通过图3与表9的试验数据可以得到下面的几点看法:1） 从图形看全电流的增加斜率是线性的，从增长的数据看： 全电流的增长： 对于1号试品，电压增加1.55倍，全电流增加1.53倍，基 本是相称的。 对于2号试品电压增加1.41倍，全电流增加1.35倍，基 本是相称的。 所以全电流的增长基本是线性的。 2）从图形看阻性电流基波峰值的增加斜率不固定，呈非线性状态 阻性电流基波峰值增长： 对于1号试品电压增加1.55倍，阻性电流增加2.12倍。 对于2号试品电压增加1.41倍，阻性电流增加1.89倍。 显然阻性电流基波峰值在交流电压增加一定数量下的增长速度远远高于全电流的增加速度。而且全电流由于电容分量占主要成分，所以增长的幅度与电压增长的幅度基本成线性变化。 3）阻性电流基波峰值的变化在不同阶段是不同的： 以1号试品为例： 在电压的52.265.2KV左右阶段中增长量变化为2.0微安/1KV； 在电压的65.2-70.3KV左右阶段中的增长量变化达到2.75微安/1KV； 在电压的70.3-76.2KV左右阶段中的增长量变化达到4.24微安/1KV； 在电压的76.2-80.9KV左右阶段中的增长量变化达到6.17微安/1KV； 在电压的52.2-80.9KV的全部阶段中的平均增长量为2.43微安/1KV； 以2号试品为例： 在电压的58.1-65.1KV左右阶段中的增长量变化为2.57微安/1KV； 在电压的65.1-72.1KV左右阶段中的增长变化量达到2.86微安/1KV； 在电压的72.1-77.6KV左右阶段中的增长量变化达到4.2微安/1KV； 在电压的77.6-81.9KV左右阶段中的增长量变化达到6.51微安/1KV； 在电压的58.1-81.9KV左右阶段中的平均增长量变化为3.73微安/1KV； 上面的数据充分说明了氧化锌避雷器阻性电流基波峰值的非线性特点，由此也可以看到这样的电流数值变化在交流电压为7778KV以下时所产生的增加幅度是有限的，因为它在电压增高的情况下即所处在较高的电压下多增加45/1KV个微安，对于阻性电流的基数值为100微安讲，仅仅是5%左右，所以认为在这样的电压下的阻性电流以及全电流仍然维持在以正弦波为主。 同时也可以认为在阻性电流的变化的增量达到上述平均增量的N倍以上才认为是有问题。2在不同的直流电压作用下的试验数据见表10所示： 表10 直流参考电压的试验数据表：直流试验电压数 77.7 91.3 100 110 114 120.6 125.1 131 134 138 140.2 143 144.3 145.6 147.5（KV）泄漏电流 1 3 5 10 13 21 33 62 93 161 229 352 491 680 1000 (微安) （该表说明，避雷器的1mA的直流参考电压符合110KV避雷器148KV的标准） 1） 将上面的数据汇总成为图形见图4所示：微安1008070605040302010 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160KV 线性区段 增加趋势 加快段 加速段 突升段 图4 1mA直流电压下的电流变化图形从表10中的数据看：（1）电压在077KV的时候电流变化是非常小的； 电压在77.7100KV之间,电流变化为0.179微安/1KV； 电压在100114KV之间，电流变化为0.57微安/1KV.； 电压在114125.1KV之间，电流变化为1.82微安./1KV； 电压在125.1134KV之间，电流变化为6.74微安/1KV； 电压在134143KV之间，电流变化为为28.8微安/1KV； 电压在143147.5KV之间，电流变化为144微安/1KV；（2）对于在直流电压下的电流变化可分五个阶段： （1）在77KV前可以认为电流作为是零对待； （2）在77KV-100KV前基本是线性变化； （3）在100-114KV之间开始有增加的趋势； （4）在114125KV之间电流的增加幅度进一步加快； （5）在125-134KV内开始电流的增加幅度上升加速；在134KV后电流已经大量突升加剧； 2）对于直流电压下的通过电流基本是阻性电流分量，而该数值远远小于在交流电压下的电流数据。如在交流电压为78KV下的峰值电压是110111KV水平，在78KV的交流电压下的阻性电流基波的峰值为154167微安，而在110111KV直流电压下的泄漏电流仅为1013微安水平，相差达到10倍以上的数值。为了找此原因，采用了示波器与测量仪器对比，对比的结果数据见表11所示：表11 对比表 对比项目 示波器 MOA-RCD-4仪器 IX与U的角度 85度 79.6度 阻性电流的峰值 87微安 161微安 电压波形 基本正弦 基本正弦 阻性电流波形 零位拉长达到波形的2/5 施加电压数值 78KV交流 78KV交流 拍摄的实际波形见图5所示： 图5 不同仪器的测量结果对比波形图 通过测试对比以后发现：氧化锌测试仪与示波器测量的相位相差较大，差别达到5度以上，85度的余弦是0.0872，而79.6度的余弦是0.181，所以在同样的全电流下，得到的阻性电流的数值相差一倍以上。如果以720微安为例作为全电流，那么前者阻性电流是62.7微安,峰值电流是88.7微安(与测量的87微安接近)；而后者阻性电流是130微安,峰值电流是184微安(与测量的161微安误差较大)； 再检查电压的采样技术问题： 电压的采样都是采用避雷器的分压进行作为参考量，而在实际情况下由于避雷器是由电阻与分布电容构成的回路而且是容性的负载，所以在实际的测量中降低了电压与全电流的夹角，导至出现阻性电流的虚大。所以提出采用氧化锌避雷器测试仪的方法需要注意，即第一是电压量需要与实际运行所施加的电压量一致，为了达到一致，采用电压互感器的二次电压为好；第二应当在测量电流产生的灵敏度要高，防止零位不正常的被拉长的缺陷（即防止严重的失真）。所以分析产生较大的误差原因如下：1） 是由于测量仪器自身；2） 测量仪器的参考量选择；3） 氧化锌芯柱在交流电压下与直流电压下的通流特性变化。4）三 关于阻性电流与全电流在运行电压下的特性：在上面的试验完成以后，检查阻性电流与全电流的关系如下：1 理想的电流波形： 对于110KV的避雷器在运行电压没有超过76-78KV的时候，全电流的波形基本在正弦状态，而阻性电流不是正弦状态，由于阻性电流的数值比较小，所以使全电流的波形仍然以正弦为主。见图6所示。 图6 全电流与阻性电流的理想波形图2实际波形与理想波形的比较： 按照理想的全电流波形的情况特征与在相当于100KV交流电压下全电流的波形已经出现波形的严重失真，而在103KV的时候波形失真更加严重见实际拍摄的波形如图7、图8所示。而波形的变化形状与分析的理想波形有接近之处，特别是波形的顶部开始出现凹陷。这实际是3次谐波造成的结果。因为在运行电压下氧化锌片的电流随着电压的变化在变化，而在正弦波的顶端的时候（电压幅值高的时段中）的电流特别大，而形成了尖顶波的缘故。尖顶波越高，全电流的波形的凹陷越大。图8是电压高的拍摄的照片，明显比电压低的图7的波形失真严重得多。 图7 在交流100KV下的全电流波形图 图8 在交流103KV下的电流波形情况3关于阻性电流的波形情况说明 在测量到的电流波形与实际测量的直流电流的变化特性看，在交流电压下的电流波形如下图9所示： 电压与电流出现最大值的时间点 U 电压波形 电压77KV水平 0 I 阻性电流波形 0 图9 阻性电流与电压的波形情况图通过上面的图形分析发现：1）阻性电流的波形在电压没有达到77KV的直流电压数值（相当于交流电压有效值是4555KV）以前的时候是接近“零”；2）阻性电流的幅值出现在电压的最大值处；3）阻性电流的波形肯定不是正弦波；4）电流波形的特征是零位较长，零位拉长的区间决定于芯柱直流电压的安秒特性；5）通过此分析，认为可以采用阻性峰值电流的数值来进行区分避雷器的锌片的质量问题。 如果是芯片安秒特性降低，那么峰值电流增大许多；波形是中心高两边的零位不 会减少多少； 如果是绝缘问题，他是线性的，所以出现的电流波形的零位的区间将大大缩小。所以在现场进行测量的时候可以进行峰值测量与波形的测量就可以反映避雷器的质量问题。3关于谐波电流对测量电流的影响分析：1）几个名词：在非正弦电流中的最大值、有效值和平均值最大值 是非正弦波在一个周期内的最大瞬时绝对值。有效值 非正弦周期信号的有效值就是它的均方根值。 如果非正弦