MOA避雷器在线监测与诊断

1、第四章,MOA,避雷器在线监,测与诊断,On-line monitoring and fault,diagnosis for MOA,1,本章内容,概述,避雷器的故障特点与诊断内容,监测总泄漏电流,Ix,谐波法测量阻性电流,补偿法测量阻性电流,基波法,光电技术在避雷器泄露电流在线监测中的,应用,2,4.1,概述,3,避雷器定义,一种过电压限制器。当过电压出现时，避雷,器两端子间的电压不超过规定值，使电气设备免受过电压,损坏，过电压过后，又能使系统迅速恢复正常状态,无间隙金属氧化物避雷器,由非线性金属氧化物电阻片串,联或并联组成且无并联或串联放电间隙的避雷器,Metal,Oxide Surge

2、Arresters,简称,MOA,避雷器的作用,限制过电压以保护电气设备,4,4.1.1,氧化锌避雷器结构及特性,Zno,电阻片的等值电路,x,I,U,C,R,R,I,C,I,c,R,Zno,阀片的等值电路,Rc,Zno,晶粒本体的电阻,C,晶界层的固有电容,R,晶界层的电阻,山东彼岸电力科技有限公司,MOV,在高倍显微镜下微观结构,MOV,晶粒的等值半径约,5,m,金属氧化物电阻片具有极其优异的非线,性,V-A,特性，在正常工作电压下，其阻值很,大（电阻率高达,10,10,10,11,cm,，通过电,阻片的漏电流很小,A,级），在这个电流,下，电阻片具有足够的运行寿命。而在过,电压的作用下，

3、阻值会急剧变小，非线性,系数,约为,0.01,0.04,因此保证了在泄,放几千安操作电流和几十千安雷电流时电,阻片两端仍然保持低电压,MOV,的综合特性,ZnO,电阻片与,SiC,阀片伏安特性的比较,归纳起来,a,优异的非线性,b,快速的响应特性,c,大的能量吸收能力,d,持久的抗老化特性,e,在不同区段，有敏感程度不同的温度特性,在低电场区,MOV,具有极强的电介质特性，在持,续工作电压下，静态相对介电常数,r,为,650,1200,MOV,对外主要呈现电容特性，泄漏电流,中，阻性电流分量约占全电流的,1/5,1/12,等,值电阻具有明显的负温度系数，其值依据配方,工艺的不同而异,在强电场区

4、，即工作区呈现极强的金属,特性，在,1,s,的冲击波电流作用下，主要,显示电阻特性，随着温度的升高电阻值单,调增大。电阻片具有对称性，无极性效应,在,1,s,冲击电流波范围内，响应时间可忽,略不计。在配方工艺一定的前提下,V-A,特,性与作用波波形有关，波陡度增加，残压,增大，在,VFTO,波作用下，呈现明显的电感,特性，残压出现过冲现象,MOV,的老化特性与长期承受的持续电压、环,境温度、吸收的过电压能量、波形、次数以及荷,电率等有关，通常荷电率越高老化速度越快,前苏联学者对老化寿命的研究结果表明：电阻,片具有记忆性。对一定配方、工艺制造的电阻片,各自都拥有固定的能量储备，对雷电冲击、操作,

5、冲击固有能量储备是不同的，通常操作冲击固有,能量储备较大，约大于雷电冲击下一个数量级,电阻片每吸收一次过电压能量，就耗费一些固有,储备，待固有能量储备耗完，电阻片也寿终了,电阻片易吸潮，受潮后电阻值下降且很难经处理,后完全恢复,MOV,性能受温度应力的严重影响,温度应力会导致,MOA,炸裂或热崩溃,1,金属氧化物避雷器的结构,2,金属氧化物避雷器的分类,3,金属氧化物避雷器的特点,4,金属氧化物避雷器的主要电气性能参数,4.1.2,金属氧化锌避雷器,依据,MOA,运行工况和被保护设备的不,同,MOA,分为,无间隙金属氧化物避雷器,有间隙金属氧化物避雷器,无间隙金属氧化物避雷器基于,MOV,的电

6、,气特性具有无续流、无截波、响应快、吸,收能量大、保护残压低、电气性能稳定,抗老化性能强等独特特性，完全取消间隙,金属氧化物避雷器的结构,无间隙金属氧化物避雷器,主要由,MOV,防爆装置、均压装置、紧,固装置、外绝缘套、密封装置等组成，结,构简单，易于实现电阻片间的串并联，受,环境影响小，使用于重污秽、潮气大的地,区，能够对弱绝缘和大容量设备实施可靠,保护。理论上可以实现带电水冲洗,有串联间隙的金属氧化物避雷器综合了,MOV,和放电间隙的优点，具有放电电压更,高，可以避开系统中高幅值、持续时间长,威胁避雷器自身安全的部分内过电压，而,保持合理的绝缘配合的特点，有选择性地,限制过电压。利用电阻片

7、的电容、电阻特,性改善了间隙的放电分散性，减小了放电,冲击系数，基本上无续流、无截波，吸收,能量大抗老化性能强等特性,有串联间隙的金属氧化物避雷器,主要由,MOV,放电间隙、防爆装置、紧,固装置、外绝缘套、密封装置等组成。更,适用于,6kV,10kV,中性点不接地系统，实,现对配电网电气设备雷电冲击过电压的防,护。但间隙的存在，放电电压具有分散性,且受环境影响。淋雨状态下、重污秽地区,运行工频放电电压明显降低，可能会导致,避雷器误动损坏,按,MOA,额定电压值分类,分为高压类、中压类和低压类三类。高压,类指,66kV,及以上等级的,MOA,大致可划分,为,750kV,500kV,330kV,2

8、20kV,110kV,66kV,六个电压等级；中压类指,3kV,35kV,的,MOA,大致可划分为,3kV,6kV,10kV,35kV,四个电压等级；低压类,指,3kV,以下的,MOA,大致可划分为,1kV,0.5kV,0.38kV,0.22kV,四个电压等级,金属氧化物避雷器的分类,按用途分类,a,系统用线路型避雷器,b,系统用电站型避雷器,c,系统用配电型避雷器,d,并联补偿电容器组保护型避雷器,e,电气化铁道型避雷器,f,电动机及电动机中性点型避雷器,g,变压器中性点型避雷器,h,特种避雷器,i,线路悬挂式避雷器,按外套材料分类,a,瓷外套型,瓷外套,MOA,按耐污秽性能分为四个,等级,

9、I,级为普通型,II,级为用于中等污秽地区,爬电比距,20mm/ kV,III,级为用于重污秽地,区（爬电比距,25mm/kV,IIII,级为用于特重污,秽地区（爬电比距,31mm/kV,b,复合外套型,复合外套,MOA,是用复合硅橡胶材,料做外套，并选用高性能的氧化锌电阻片，内部,采用特殊结构，用先进工艺方法装配而成，具有,硅橡胶材料和氧化锌电阻片的双重优点,C,罐式,由,MOV,均压罩、外壳、放电计数器以,及绝缘盆和电联接器等部分组成，主要应用于,GIS,电站中,按结构性能分类,MOA,可分为,A,无间隙,W,，包括单柱、多柱,b,带串联间隙,c,c,带并联间隙,B,但应注意：多柱电阻片并

10、联可以显著提高避雷,器的能量吸收能力和降低残压，但需严格控制多,柱间的电流分布和径向电场,对于不同电压等级的避雷器，需按参数要求,采取多片电阻片串联结构，对于,220kV,及以上的,避雷器，必须严格控制电阻片柱轴向电位分布,实际应用中，电阻片可能会采取电阻片的串,并联结构,1,无间隙避雷器,标称放电电流,额定电压,持续运行电压和持续运行电流,工频电压耐受时间,冲击保护水平,参考电流和参考电压,压比,荷电率,通流容量,外绝缘水平,金属氧化物避雷器的主要电气性能参数,2,有间隙金属氧化物避雷器,避雷器的额定电压选择越高，自身负荷越轻,可靠性越高，但在电阻片,V-A,特性一定的前提下,与避雷器的保护

11、特性构成了一对制约矛盾。为了,解决这一矛盾，满足系统工况要求，可采取,MOV,与放电间隙串联的有间隙避雷器结构。如：在配,电网中，绝缘配合确定的内过电压水平为,4p.u,出,现持续时间长,幅值,4p.u,的内过电压时，可能会,导致无间隙,MOA,动作,泄放过电压能量。这是无,间隙,MOA,与碳化硅阀式避雷器在限制过电压时的,本质区别。由于避雷器自身所具有的工频时间耐,受特性决定了它不能耐受配电网中出现的这种高,幅值、长时间的内过电压,因此。借助串联间隙将,避雷器的动作门槛抬高,躲过出现的内过电压,有间隙金属氧化物避雷器分为,串联间隙和并联间隙两种,a,带串联间隙的,MOA,b,带并联间隙,MO

12、A,有间隙金属氧化物的主要电气性能参数,避雷器灭弧电压,保证避雷器泄放过电压能量后，工频过电,压下可靠灭弧的最低电压值；也称为额定,电压,工频放电电压,标准雷电冲击放电电压,陡波雷电冲击放电电压,必要时：还需要确定操作冲击放电电压,标准雷电冲击残压,标准操作冲击残压,通流容量,外绝缘水平,持续运行下的电导电流、泄漏电流,除此之外，避雷器的机械性能、防爆性能,防污性能、热稳定性能等也是反映避雷器,性能的参数内容,1,国内外金属氧化物避雷器的应用,2,金属氧化物的运行情况,3,金属氧化物的发展前景,4.1.2,金属氧化物避雷器的应用,3.1,国内外金属氧化物避雷器的应用,金属氧化物避雷器，由于其优

13、异的非线性,大的通流能力和持久的抗老化，一出现就,迅速得到了广泛应用。如美国、前苏联,英国、法国、日本等,MOA,已基本取代了,传统碳化硅阀式避雷器,MOA,已成功地应,用在,3kV,1150kV,各级交、直电力系统,俄罗斯还开发、研究了,1800kV,特高压,MOA,我国的金属氧化物避雷器在引进日本日立配方,工艺和设计技术基础上，经过,20,多年的研究、改,进，制造技术也有了长足进步，性能参数已达到,了世界先进水平，完全实现了交、直流避雷器的,国产化，现已有数万相,110kV,以上高压、超高压,交流,MOA,和数百台直流高压,MOA,在运行，国产,避雷器的占有率大于,78,MOA,的占有率高

14、于,82,电压等级覆盖,3kV-750kV,产品出口多个,国家和地区,国家发改委明确声明：我国的,MOA,生产技术完,全满足我国,3kV-1000kV,交流系统过电压保护的,要求，完全可以取代进口,MOA,应用领域不断扩大，除了常规的电,站型、线路型、配电型,MOA,外，还大量开,发了悬挂式线路用,MOA,大容量旋转电机,MOA,变压器匝间绝缘油浸式,MOR,阻波,器,MOA,大容量电容器组用,MOA,避雷,绝缘子、罐式,GIS,用,MOA,等交流专用设备,MOA,及保护各种整流、换流设备的高压直,流,MOA,避雷器等,输电线路用悬挂式避雷器的作用,由于输电线路雷击事故率高。据统计：高压线路,

15、运行的总跳闸次数中，由于雷击事故的次数约占,50,70,。尤其是在多雷、土壤电阻率高,地形复杂的山区，雷击输电线路而引起的事故率,更高，通常需要增加绝缘子片数、加大空气间隙,距离等。在超高压线路中，当线路上的操作过电,压较高时，通常需要在断路器上装设合闸电阻进,行限制。线路上采用线路用悬挂式避雷器可以有,效地限制线路上的操作过电压、取消合闸电阻,防止绝缘子串闪络，降低线路跳闸率,悬挂式线路避雷器的应用,悬挂式线路避雷器的主要应用场合,1,应用在雷电活动较强的地区或某些降低接地电,阻有困难以及对防雷有特殊要求（如过江塔）的,局部线段，与绝缘子串并联，例如：日本在,66kV,500kV,输电线路中

16、投运了线路型复合外套,有串联间隙金属氧化物避雷器；美国,GE,公司,AEP,公司在,1982,年将,138kV,线路型复合外套金属,氧化物,避雷器,投运到,5,个试验线段的,25,级杆塔上,2,沿线装设线路避雷器，用来限制沿线的,操作过电压。例如：前苏联开发了,110kV,1150kV,复合外套金属氧化物避雷,器,ABB,公司研发的,66kV,800kV,线路避,雷器都是用于限制操作过电压；国内开发,的,500kV,线路避雷器，应用在广东惠汕,500kV,输电线路上，取消了合闸电阻，仅,靠线路悬挂式,避雷器,来限制系统操作过电,压,线路悬挂式避雷器主要有两种结构类型,1,复合外套无间隙避雷器,

17、2,外部串联间隙避雷器,3.2,金属氧化物的运行情况,自,20,世纪,80,年代至今，金属氧化物避雷器经过,二十多年的实际运行验证，除对雷电过电压有限,制作用外，对大部分操作过电压有明显的保护效,果，大幅度地降低了设备绝缘投资费用和电力运,行费用,在我国,MOA,自八十年代后期至今已有数万相,110kV,以上高压、超高压交流,MOA,和数百台直流,高压,MOA,在运行，电压等级覆盖,3kV-750kV,由原水电部、机械部两部组织的,110kV,及以上,MOA,运行情况调查结果表明,MOA,的保护效果,和统计事故率明显低于传统的阀式避雷器，国产,MOA,事故率低于进口产品,我国,750kV,示范

18、工程，也是采用国产的无,间隙金属氧化物避雷器作为操作过电压,雷电过电压的主保护，并以此将操作过电,压水平限制在,1.8p.u,雷电过电压水平限,制在,1380kV,保证了,750kV,电气设备的绝,缘配合,国内外主要,MOA,产品应用情况,产品生产,国家,公司,美国,GE,日本日立,瑞士,ABB,前苏联,中国,MOA,应用,投运时间,1976,年,1979,年,1974,年,1978,年,1985,年,应用电压,等级,kV,3,750,3,750,3,1050,3,1150,3,500,MOA,的比,能量,kJ/kV,3,13,3,8,3,16,3,13,3,13,芯体结构,特点,单柱,双柱,

19、并联,单柱,单柱；多,柱并联,多柱,并联,单柱；多柱,并联,外部结构,特点,单节,多节,串联,单节；多,节串联,单节；多,节串联,单节,单节；多节,串联,MOA,保护比,10kA,1.6,1.58,1.56,1.55,1.58,荷电率,90,85,85,85,80,3.3,金属氧化物的发展前景,目前金属氧化物避雷器的设计、制造技术水,平已得到了迅速提高，但我国的,ZnO,电阻,片制造技术与世界先进国家相比还存在显,著距离。随着电力系统对电能质量要求的,不断提高，需要吸收容量更大、保护残压,更低、自身可靠性更高的避雷器产品，因,此还需在以下方面进行深入研究,1,高梯度、大容量,ZnO,电阻片的研

20、制,2,提高,ZnO,电阻片生产的均一性、稳定性和全,过程合格率,3,大容量串补电容器组用,MOA,4,阻波器用,MOA,5,油中电容器极间,6,变压器类设备绕组匝间用,MOA,7,带有可靠故障脱离功能的线路悬挂式,MOA,8,绝缘子式,9,超高压、特高压小型化,GIS,专用避雷器,4.2,避雷器的故障特点与诊断内容,47,随着氧化锌避雷器在电力系统广泛地应用，大大地提高了电,力系统的安全性。产生了巨大的经济效益。经过现场的运行表,明：由于目前采用的氧化锌避雷器大多不带有任何间隙,这样,氧化锌阀片长期直接承受工频电压,运行期间总有电流流过阀,片,另外再加上冲击电压及内部受潮等因素的作用，会引起

21、避,雷器阀片老化、阻性泄漏电流增加和功耗加剧,导致避雷器阀,片温度升高直至发生热崩溃,从而引发电力系统事故。因此,对氧化锌避雷器的阻性泄漏电流进行长期的在线监测是保证其,安全运行的重要手段,4.3,监测总泄漏电流,Ix,48,由于,MOA,的泄漏电流的容性,分量基本不变,因此可以简单,地认为其总电流,I,x,的增加能,在一定程度上反映其阻性分量,电流的增长情况,测量总泄漏,电流可以在避雷器放电记录器,两端并联微安表,见图,流过,微安表的电流约为避雷器的总,泄漏电流,x,I,U,C,R,R,I,C,I,c,R,N,A,49,质量好的,MOA,早期的事故较少,要有问题往往是受潮等引起的,这时以在线

22、监测通过,MOA,的全电,流的方法最为简便。一般认为当,全电,流比,过去,增加,1,2,倍,时,MOA,已达到危险的边缘,但全电流法对于发现,MOA,的早期,老化很不灵敏。因为早期老化反,映在阻性电流的显著增大，而由,于阻性电流在全电流中只占很小,的比例，因此测量全电流时变化,并不会很明显,1,C,I,1,x,I,1,R,I,1,U,4.4,谐波法测量阻性电流,50,U,A,U,B,U,C,B,MOA,C,MOA,A,MOA,零序电流法接线图,U,A,U,B,U,C,x,I,C,R,R,I,C,I,x,I,C,R,R,I,C,I,x,I,C,R,R,I,C,I,51,三相,MOA,通常都是相同

23、型号且同批生产的。各项性能应,当基本一致,如果三相电压平衡、不含谐波分量，且三相,MOA,的电容及,非线性电阻相同，三相电流中的基波分量互相抵消，接地线中,只剩下三次谐波零序电流,I,0,它等于各相三次谐波阻性电流之和,即,I,0,3,I,r,3,三次谐波阻性电流随阻性电流的增加而增加,并且,总的阻性电流与三次谐波分量之间成一定的比例关系。在线检,测中,MOA,正常工作时的,I,r3,数值较小，当一相或者三相避雷器,出现问题时，三相电流不平衡,I,0,增大，且含有基波成份,因此能,发现故障,cos,cos,cos,120,120,1,1,1,1,1,1,t,I,i,t,I,i,t,I,i,C,

24、C,B,B,A,A,cos,cos,cos,360,360,3,3,3,3,3,3,t,I,i,t,I,i,t,I,i,C,C,B,B,A,A,52,此方法简便，缺点是,I,0,有变化时不易判断出是那一,相出现异常。另外，系统电,压中若含有谐波分量，则电,容电流也将含有三次谐波,I,r3,与,I,r3,叠加后将使测量,到的,I,0,比实际阻性电流的三,次谐波分量增大很多，造成,错觉,U,A,U,B,U,C,x,I,C,R,R,I,C,I,x,I,C,R,R,I,C,I,x,I,C,R,R,I,C,I,4.5,补偿法测量阻性电流,53,金属氧化物避雷器阀片的劣化或老化,反映为阻性电流增大，因此直

25、接测量阻性,电流能反映金属氧化物避雷器的健康状况,补偿的原理就是抽取系统电压补偿总泄漏,电流中的容性电流分量，以得到阻性电流,分量,1,C,I,1,x,I,1,R,I,1,U,容性电流超前系统电压,90,因此将系统电,压前移,90,并反相将容性电流补偿掉,补偿法监测,MOA,阻性电流原理图,x,I,C,R,R,I,C,I,峰值电压,测量,移相器,乘法器,可控增益,放大,乘法器,差分,放大,0,I,0,I,0,S,GU,分,压,器,S,U,0,S,U,R,I,MOA,避,雷,器,CT,x,I,C,R,R,I,C,I,峰值电压,测量,移相器,乘法器,可控增益,放大,乘法器,差分,放大,0,I,0,

26、I,0,S,GU,分,压,器,S,U,0,S,U,R,I,MOA,避,雷,器,CT,用,CT,从,MOA,的引下线处取得电流信号,I,0,再从分压器或者,PT,取得电压信号,Us,后者经移相器前移,90,后得到,Us,0,以便与,I,0,中的电容电流分量同相），再经可控增益放大后与,I,0,一起送入差,分放大器。在差分放大器中，将,GUs,0,与,I,0,相减；由乘法器组成自,动反馈跟踪，以控制放大器的增益,G,使同相的,I,C,GUs,0,的差,值降为零，即,I,0,中的容性分量全部被补偿掉；剩下的仅为阻性分,量,I,R,再根据,Us,及,I,R,可以获得,MOA,的功率损耗,P,补偿法的优

27、点,采用上述原理进行接线，对,MOA,进行在线,监测比较方便实用，因为它是采用,CT,取样,的，不必断开原有接地线，而且不需要人,工调节，自动补偿，能够直读,I,R,和,P,补偿法的缺点,三相运行时存在以下问题,1,三相避雷器一字型安装，由于相间耦合电容,和电磁干扰，使各相避雷器除受本相电压作用外,还通过相间耦合受到相邻相电压的作用，从而影,响监测结果的准确性,2,当电网电压含有较大谐波成分时，此法不能,去除容性谐波电流，造成阻性谐波电流误差,3,PT,本身存在角差，无法完全补偿掉容性电容,影响测量结果,a,U,b,U,c,U,ab,C,bc,C,A,C,B,三相,MOA,成直线排列时,相间耦

28、合示意图,补偿法的缺点,相间耦合,A,相,B,相间存在着,耦合电容,C,ab,B,相,C,相间存在着耦合电容,C,bc,A,C,两相距离比,较远，认为相互之间没,有耦合电容,补偿法的缺点,相间耦合（续,a,U,b,U,c,U,ab,C,bc,C,A,C,B,在测量边相,A,相底部的电流时，主要是,A,相外施电压,U,a,经,A,相,MOA,所引起的容性,分量,I,A,c,及阻性分量,I,A,r,另外还有临相,B,相与,A,相间的杂散电容,C,ab,所引起的容,性干扰电流,I,b,C,相距离,A,相较远，其影响忽略）。画出相量图如下所示,b,I,b,U,a,U,c,U,c,A,I,r,A,I,r

29、,A,I,A,相“视在”阻性电流增大,b,U,a,U,c,U,b,I,r,C,I,c,C,I,b,U,a,U,c,U,r,B,I,c,B,I,a,I,c,I,r,a,I,c,a,I,c,c,I,r,c,I,补偿法的缺点,相间耦合（续,对,C,B,两相阻性电流的影响,C,相“视在”阻性电流减小,B,相“视在”阻性电流基本不变,C,相,B,相,补偿法的缺点,相间耦合（续,解决思路,A,相,b,U,a,U,c,U,b,I,r,C,I,c,C,I,r,b,I,应,补,偿,位,置,原,补,偿,位,置,c,b,U,a,U,c,U,c,A,I,r,A,I,r,A,I,b,I,b-r,I,a,原补偿位置,应,

30、补,偿,位,置,A,相多转一个角度,C,相少转一个角度,补偿法的缺点,电网电压存在较大谐波,施加在,MOA,上的电压含有谐波,流过,MOA,的容性电流为,流过,MOA,的阻性电流为,本身的非线,性引起的,电网谐波电,压引起的,4.5,谐波分析法监测阻性电流,64,基次谐波分析法的主要依据是,在正弦波电,压作用下,MOA,的阻性电流中只有基波电流,作功产生功耗；另外，无论谐波电压如何，阻,性基波电流都是一个定值。因此全电流经数字,谐波分析，提取基波进行阻性电流分解,就可,以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,MOA,的工作状态,65,基次谐波分析法可以监测阻性电流基波的变化，但,实际运行经验和实验结果表明，阻性电流的高次谐波,在一些情况下能灵敏地反映,MOA,的状态,MOA,阀片的老化，导致其非线性特性变差，主要,表现在系统正常运行电压下阻性电流高次谐波分量显,著增大，而阻性电流基波分量相对增加较少,MOA,阀,片的受潮，主要表现在正常运行电压下阻性电流基波,分量显著增大，而阻性电流谐波分量增加相对较小,因此，对阻性电流及其谐波的测量可以较为准确