基于带电监测的配网避雷器联合状态诊断研究

张诣，代正元，方勇，王清波，邹璟

（云南电网有限责任公司昆明供电局，昆明 650011）

0 前言

随着社会发展和城市化进程不断加快，电网规模也不断扩大。带电监测作为电网设备状态检测的重要手段之一，在保证设备安全可靠运行，减少人力资源，降低安全风险等方面发挥着重要作用。

避雷器[1-4]作为电网安全运行的重要设备之一，根据电力设备预防性试验规程和现场绝缘试验实施导则，每年雷雨季前或必要时，需对其进行停电检修。该项工作不仅需要在停电条件下开展，而且需要大量的人力资源，特别是在云南电网省公司“三统一、两强化”的指导思想下，大量原来由县级供电企业管辖的变电站也纳入昆明供电局统一管理，避雷器数量成倍增加，同时，也增加了安全风险及测试人员的心理负担。

本文详细介绍了配网避雷器的性能及故障分析，并在此基础[5-8]上，提出了三种在线监测的联合诊断方法，通过该方法对配网避雷器开展状态诊断，旨在节约停电时间，缓解人力资源矛盾，降低了现场安全风险及人员烦躁情绪，并获得准确可信的试验结果，对避雷器进行状态评估。

1 配网避雷器性能分析及故障原因分析

氧化锌避雷器广泛应用于配网一次设备，具有许多优点，在电网中得到了广泛的应用。

1.1 性能分析

1.1.1 结构特点

阀片是以氧化锌（ZnO）及压敏电阻（非线性）为基础，添加Bi2O3，CO2O3，MnO2等金属氧化物，经过混合高温烧结而成。其非线性比SiC好得多。在残压相同的情况下流过的电流较小，所以不用串联火花间隙，由于没有间隙，可以避免由间隙带来的一系列问题（如瓷套污染对电压分布和放电电压的影响；放电电压的分散性等），并且有较平坦的保护特性。

1.1.2 性能参数

1）氧化锌避雷器（MOA）的额定电压，是指由动作负载试验确定的避雷器上下端子间允许的最大工频电压有效值，避雷器在该电压下应能正常工作。

2）MOA的持续运行电压，是指允许持续加在避雷器两端子间的工频电压有效值，一般小于避雷器的额定电压。

3）MOA的起始动作电压。在伏安特性的低电压区段是MOA的小电流区域，在接近拐点b处，有电流为毫安级的残压值UNmA，一般取N=1，即1 mA直流电流通过电阻元件时，在其两端所测得的直流电压值，称为MOA的起始动作电压。N值随ZnO元件的大小组装结构而变化，一般取1～4。

4）MOA的荷电率。荷电率的表达式为：

式中Um为系统最大运行电压，α为非线性电阻片的不均压系数，UXmA为氧化锌避雷器通过XmA时工频参考电压，N为一个单元内非线性电阻片数。

早期MOA的荷电率取40%～70%，随着制造技术的改进，各制造厂都提高了荷电率，现在一般为80%，提高荷电率能减少电阻片串联片数，降低残压，但荷电率高了，会加速阀片老化，缩短使用寿命，过高还会引起事故。

1.2 常见故障及原因分析

避雷器常见的故障包括但不限于直流1 mA电压异常升高、有异常放电声或电晕声、绝缘电阻及直流1 mA电压明显降低、泄漏电流异常增大等。

研究成果表明，避雷器故障原因主要包括三个方面：69%是由于产品设计及制造质量问题；25%是由于运行及维护不当；6%是由于选型不当。

针对以上性能分析及故障原因分析，便可对症下药，提出适合于避雷器的诊断方法。

2 配网避雷器带电监测诊断技术

目前，根据电力设备预防性试验规程和现场绝缘试验实施导则，对配网避雷器主要开展绝缘电阻、直流1 mA电压（U1mA）、0.75U1mA下的泄漏电流试验及红外测温等项目进行状态诊断，前三种试验项目需在停电状态下开展，不仅增加人力资源和安全风险，也加大了物资和停电时间的损耗，而如果仅采用红外测温，会由于手段单一或者现场环境干扰等因素，造成测量结果精确度不够，而造成误判。

因此本文提出一种基于带电监测的三种联合状态诊断方法，即避雷器的在线监测、带电测量阻性电流以及红外测温联合诊断方法。

2.1 避雷器的在线监测

避雷器的在线监测主要有以下方法：

1）全电流在线监测，目前国内许多运行单位使用MF-20型万用表（或数字万用表）并接在动作计数器上测量全电流，其原理如图1所示。

图1 全电流在线监测原理图

测量时，可采用交流毫安表A1，也可用经桥式整流器连接的支流毫安表A2。当电流增大到2～3倍时，往往认为达到危险界限。但是该方法，在电力系统中谐波分量较大时，其准确性往往收到较大影响。

2）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，借以消除总泄露电流中的容性电流分量。其原理如图2所示。

图2 补偿法测量阻性电流原理图

3）谐波法测量阻性电流取MOA的电流信号，其原理图如图3所示。

图3 三次谐波法原理图

2.2 带电测量阻性电流

避雷器的阀片老化、受潮、内部绝缘件受损及表面严重污染时，总的泄露电流（主要是阻性电流）将明显增加，所以此试验是现场检测的有效方法。

2.3 红外测温

红外测温的原理是通过传感器感应出避雷器表面的温度变化，通过对避雷器的纵向和横向温差或温升比较进行避雷器运行质量的判断。

现场实践证明，避雷器劣化引起的表面温度场的变化有可能是比较细微的，所以现场需要仔细的对避雷器热像图进行分析，并进行纵向、横向的比较，再联合避雷器的在线监测、带电测量阻性电流共同诊断，可有效的对故障相避雷器的故障性质作出较为准确的判断。

3 现场案例分析验证

根据上述分析，下面以昆明供电局某高压配电网110 kV避雷器缺陷情况进行分析：

3.1 带电监测数据分析

2020年1月4日，运维人员发现某110 kVⅠ母避雷器在线监测装置显示A相全电流和阻性电流较正常情况，数值明显变大，变化情况如表1所示，从2019年12月15日至2020年01月04日，其阻性电流及其占比均成上升趋势。

表1 110 kVⅠ母避雷器在线监测数据

为进一步确认，2020年1月8日，对该组避雷器开展运行电压下交流泄漏电流的测量，运行电压下交流泄漏电流的测量数据如表2所示。

从表2可知，110 kVⅠ母避雷器A相阻性电流异常，且已超出全电流的25%，综合前两年的数据，并进行相间横向对比，初步判定内部存在缺陷，需要进行停电处理。

表2 110 kVⅠ母避雷器运行电压下交流泄漏电流检测数据

2020年1月9日，进一步开展红外测温发现，A相避雷器异常发热，最大温差为12.8 ℃，如图4所示。

图4 A相避雷器与正常相红外图谱对比

通过在线监测装置、运行电压下交流泄漏电流检测数据及红外测温三种在线监测手段联合诊断分析，判定该设备存在严重缺陷，建议立即对该组避雷器进行更换。

3.2 停电试验验证分析

2020年1月10日，对该组避雷器进行停电试验检查，绝缘电阻、直流1 mA下参考电压及0.75U1mA下泄漏电流测试结果如表3所示。

表3 110 kVⅠ母避雷器停电试验检测数据

从表可知，A相避雷器绝缘电阻下降至1000 MΩ，0.75U1mA下泄漏电流也超出规程要求的50μA，两项试验数据均不符合规程要求，进一步确认电阻片已经发生劣化。

3.3 解体分析验证

2020年1月20日，将该组避雷器进行更换后，对更换下来的A相避雷器进行解体检查，发现A相避雷器底部防爆膜已严重锈蚀、粉化，避雷器内部严重受潮，多片阀片已经破损、劣化，导致运行中发热，如图5所示。

图5 A相避雷器解体图

4 结束语

根据上述分析可知，避雷器在线检测、运行电压下交流泄漏电流、红外测温三种方式联合诊断方法，能够及时并且准确地发现避雷器内部绝缘缺陷。相比传统停电试验而言，不仅节约了停电时间，缓解了人力资源矛盾，降低了现场安全风险，而且相比停电试验，带电监测是在真实运行电压下获得的试验数据，试验结果更能真实的反映设备的实际绝缘状况。同时，由于是带电监测，对测试周期可以灵活把握，有利于对避雷器缺陷及时进行跟踪和处理。