无间隙金属氧化物避雷器受载时泄漏电流变化规律研究

无间隙金属氧化物避雷器受载时泄漏电流变化规律研究

0moa状态监测参量和参量确定自20世纪80年代进入中国电气系统以来，通过良好的非线性、良好的通流能量和长期的耐候性，金属氧化物避雷装置（moa）已引入中国电气系统。特别是在高压和超压系统中，它发挥了非避难和不可替代的作用，降低了设备的绝缘水平。运行中,由于MOA长期工作在户外,承受系统工作电压、大气环境和冲击过电压负荷的电热应力综合作用,随着MOA运行时间的增加,电阻片及密封元件会逐渐劣化。长期的运行经验表明:MOA密封件的劣化会引起电阻片受潮,使直流1mA参考电压U1mA下降,泄漏电流增加,最终导致MOA损坏,引发系统事故。受潮事故占MOA总事故率的60%以上。因此,为了能及时发现MOA事故隐患,避免事故扩大,应对运行中MOA的受潮状态与泄漏电流变化特性进行深入研究,探讨更灵敏、更有效的在线监测状态参量和准确的参量判据。MOA的ZnO电阻片在小电流区主要呈现电介质特性,其阻性分量占全电流比例较小,一般小于20%。当接近MOA拐点时,阻性分量会显著增大。由于避雷器正常运行时荷电率通常控制在80%左右,因此全电流基本受容性分量的主导。鉴于现场运行条件的限制,目前MOA状态的监测主要通过监测以下几个参量来实现:运行中广泛采用MOA全电流作为MOA的运行状态监测参量。这种参量测量设备简单、便宜。但由于阻性电流在全电流中所占比重较小,当阻性电流出现大幅变化时,全电流往往并不会发生明显的变化。运行中,MOA受潮、劣化和热崩溃主要表现为阻性电流的增加。基于这个原因,全电流对于MOA状态的反映不够灵敏,只能发现一些严重劣化的MOA故障隐患。在超、特高压MOA运行中,由于MOA的运行荷电率更高,因此随时监测MOA的状态更为重要。阻性电流基波仍是反映MOA运行状况的一个重要参量。阻性电流基波的特点是:各次阻性电流谐波分量中基波幅值较高,且受其他谐波电压影响小,具有一定的抗干扰能力。所以阻性电流基波作为MOA状态监测参量可以很好地抑制MOA监测中电压谐波干扰,更重要的是可以灵敏反映MOA的劣化状态,提早发现一些劣化隐患。但是,阻性电流基波测试,常常需要采集标准电压和补偿容性分量,测试设备复杂,维护较贵,不宜于长期在线监测。由于电阻片的非线性,其阻性电流中含有3次谐波分量,多年的运行经验和研究表明:阻性电流3次谐波对MOA电阻片的劣化反映较其他参量更为灵敏。但是它的测量受电网电压3次谐波的严重干扰。如果不能有效地消除干扰,则测量结果偏差较大。采用何种参量作为MOA更灵敏的状态监测参量,是目前MOA在线监测技术中研究重点之一。本文以1000kVMOA运行工况为模型,对MOA比例模型在运行电压下的基波、3次谐波与受潮状态的关系特性进行了试验研究。1试验方法和测试原理1.1试验模型及回路目前MOA状态监测特征参量主要基于MOA自身的总泄漏电流或泄漏电流分量。依据MOA小电流区的等值电路如图1所示。其中,Ix是通过MOA的总泄漏电流(全电流),它是由通过电阻片的阻性电流分量Ir和容性电流分量Ic叠加形成,RV为MOA阀片的非线性电阻,C是MOA阀片的电容。试验所采用的MOA比例模型反映了我国目前MOA电阻片生产技术水平、代表1000kV运行工况,电压比例系数约为164:1,电流比例系数约为15:1。依据国标GB11032-2000对试品的要求,比例元件U1mA取为6.78kV。工频变压器变比为220V/10000V,容量2kVA。试验回路接线如图2所示,R为回路保护电阻,r为取样电阻。依据1000kV系统的实际运行工况,其运行相电压波动范围取为0.95Uc～1.10Uc(Uc为MOA持续运行电压),即548.48～635.08kV。考虑到运行电压波动对试品泄漏电流的干扰影响,分别研究了试验电压在0.95Uc、Uc、1.15Uc变化范围内MOA不同受潮程度下泄漏电流的变化规律。1.2变阻性电流的测量目前大多阻性电流测试设备是基于容性电流补偿法原理。如日本制造的LCD-4。并在实际中取得较好的应用。但是这种方法在所施加电压含有谐波分量时不能有效去除容性谐波电流,因此会影响测量结果。容性电流补偿法将MOA上采集到的电压信号移相90°,补偿掉全电流Ix中的容性分量Ic,得到阻性电流Ir。其原理可以用下式表示2π∫0Usf(Ιx-GUsf)dωt=0。(1)∫02πUsf(Ix−GUsf)dωt=0。(1)式中,Usf是MOA上的电压移相90°所得,与容性电流Ic同相位。当容性电流被完全补偿掉时(Ix-GUsf)就是阻性电流Ir。通过式(1)可求得补偿系数G,利用下式可求得阻性电流分量Ιr=Ιx-Ιc=Ιx-GUsf。(2)Ir=Ix−Ic=Ix−GUsf。(2)当MOA上施加的电压含有谐波分量时,容性电流中的谐波分量会给阻性电流的测量造成误差,上面方法不能去除容性谐波电流。文提出了一种改进的补偿法。该方法可以有效地去除基波和各次谐波容性电流,准确地测量阻性电流。改进容性电流补偿法的原理是对电网电压和全电流先进行检测,然后进行谐波分析,得到各次电压和全电流谐波的幅值和初相位,然后把式(1)做如下改动2π∫0Usf1(Ιx1-G1Usf1)dωt=0。(3)∫02πUsf1(Ix1−G1Usf1)dωt=0。(3)式中,Usf1是基波电压移相90°后的值;Ix1是基波全电流;G1是基波补偿系数。利用上式求得基波补偿系数G1,由于MOA电阻片的电容值可近似认为是常数。所以,各次谐波的补偿系数可由下式获得Gn=nG1。(4)Gn=nG1。(4)求得各次谐波的补偿系数之后,便可由下式求得3次谐波电流Ιr3=Ιx3-Ιc3=Ιx3-G3Usf3。(5)Ir3=Ix3−Ic3=Ix3−G3Usf3。(5)式中,Usf3为3次谐波电压移相90°后的值;G3为3次谐波补偿系数;Ix3、Ir3、Ic3分别为全电流3次谐波、阻性电流3次谐波、容性电流3次谐波。利用上式可以求出系统3次谐波电压产生的阻性3次谐波电流,然后通过式(3)和式(5)可以获得阻性基波电流和3次谐波电流的准确值。即:Ιr1=Ιx1-Ιc1=Ιx1-G1Usf1；(6)Ιr3=Ιx3-Ιc3=Ιx3-G3Usf3。(7)本试验中采用此种方法处理阻性电流数据。2压力下moa泄漏电流分量随电压的变化规律本试验采用比例元件模拟1000kV系统MOA。试验电压选择0.95Uc、Uc、1.15Uc3个值。实际运行中MOA的平均荷电率约80%,MOA因受潮导致的U1mA下降量范围取5%～23%,由更严重受潮引起的U1mA下降量会更大,避雷器会在很短时间内损坏,因此这种情况作为状态检测意义不大。不同持续运行电压下各电流分量随受潮程度的变化规律见图3～5。由图可知:MOA在持续运行电压下工作,MOA泄漏电流各个分量随着MOA的U1mA的下降基本成线性增长。容性电流分量占全电流90%以上,阻性电流分量所占比例很小,容性电流起决定性作用。所以,即使阻性电流分量幅度变化较大,也不会引起全电流的明显变化。而MOA受潮主要表现在阻性电流的变化。故通过监测全电流来反映MOA受潮是不灵敏的。运行电压会受负荷、运行方式的变化而出现波动,不同受潮程度下MOA各泄漏电流分量随电压的变化规律见图6～8。由图可知,当MOA受潮程度不同时,全电流、容性电流随电压波动的规律基本一致;阻性电流基波和阻性3次谐波随电压的变化规律相似。MOA各泄漏电流分量均随着运行电压的升高而增大,随受潮程度的增加而升高。电压恒定时MOA各泄漏电流分量随受潮程度的变化规律见图9～11。以U1mA下降5%时的各泄漏电流分量为基准值,对不同受潮情况下U1mA下降10%、15%、20%、23%时MOA各泄漏电流分量的增幅进行比对。由图可知:①当运行电压为0.95Uc恒定时,在MOA受潮引起直流U1mA电压下降量为5%～23%时,全电流的变化不明显,最大变化量为64.2μA,增幅为7.38%,最小变化量为5.9μA,增幅为0.68%。容性电流最大变化量为61.2μA,增幅为7.12%,最小变化量为4.9μA,增幅为0.57%。②当运行电压为Uc恒定时,MOA全电流的最大变化量为67.1μA,增幅为7.32%,最小变化量为11.8μA,增幅为1.27%,容性电流最大变化量为63.6μA,增幅为7.03%,最小变化量为14.6μA,增幅为1.61%。③当运行电压为1.15Uc恒定时,MOA全电流的最大变化量为86.1μA,增幅为8.16%,最小变化量为16μA,增幅为1.52%。容性电流的最大变化量为72.4μA,增幅为6.96%,最小变化量为13.6μA,增幅为1.31%。当运行电压分别恒定在0.95Uc、Uc、1.15Uc时,在MOA受潮引起直流U1mA电压下降量为5%～23%时,阻性电流基波最大变化量分别为23、25.9、75.8μA,增幅分别为16.79%、17.37%和41.69%;最小变化量分别为6.7μA、6.2μA、14.8μA,增幅分别为4.89%、4.16%和8.14%,增幅值明显高于全电流。当运行电压分别恒定在0.95Uc、Uc、1.15Uc时,阻性3次谐波电流最大变化量分别为23.9、26.8、51.1μA,增幅分别为102.56%、100.75%和138.11%;最小变化量分别为10、10.4、8.9μA,增幅分别为42.92%、39.10%和33.78%。由此可知:相同受潮状态下,在MOA端子间所加工频电压不超过工频U1mA电压范围内,MOA全电流的变化基本受容性电流主导,容性电流的变化量很小,因此监测全电流对MOA受潮状态的反映不灵敏。阻性电流基波变化量高于容性电流,阻性电流3次谐波增幅远高于阻性电流基波增幅,故阻性3次谐波电流对MOA受潮的反映更灵敏。3阻性3次谐波通过对MOA不同受潮程度下各泄漏电流分量的试验研究分析,可以得出以下结论:a)MOA各泄漏电流分量随运行电压的波动而变化,运行电压在-5%～+15%范围波动时对全电流影响较大,对阻性电流基波和3次谐波影响较小。b)在由于受潮引起MOAU1mA下降量≤25%,即MOA两端电压不高于其工频参考电压时泄漏电流中的全电流和容性电流分量对MOA受潮的反映不够灵敏,不适