浅谈氧化锌避雷器阻性、容性分量测试基本原理

1、运行中氧化锌避雷器存在的问题
1.1由于氧化锌避雷器取消了串联间隙，在电网运行电压的作用下，其本体要流通电流，电流中的有功分量将使氧化锌阀片发热，继而引起伏安特性的变化。这是一个正反馈过程。长期作用的结果将导致氧化锌阀片老化，直至出现热击穿。
1.2氧化锌避雷器受到冲击电压的作用，氧化锌阀片也会在冲击电压能量的作用下发生老化。
1.3氧化锌避雷器内部受潮或绝缘支架绝缘性能不良，会使工频电流，尤其是阻性电流分量增加，功耗加剧，严重时可导致内部放电。
1.4氧化锌避雷器受到雨、雪、凌露及灰尘的污染，会由于氧化锌避雷器内外电位分布不同而使内部氧化锌阀片与外部瓷套之间产生较大电位差，导致径向放电现象发生，进而损坏整支避雷器。
2、氧化锌避雷器阻性、容性分量测试及分析的意义
    当氧化锌避雷器处于合适的荷电率状况下时，阻性泄漏电流仅占总电流的10%～20%，因此，仅仅以观察总电流的变化情况来确定氧化锌避雷器阻性电流的变化情况是困难的，只有将阻性泄漏电流从总电流中分离出来，才能清楚地了解它的变化情况。判断氧化锌避雷器是否发生老化或受潮，通常以观察正常运行电压下流过氧化锌避雷器阻性电流的变化，即观察阻性泄漏电流是否增大作为判断依据。已有研究指出：
2.1氧化锌避雷器污秽严重或受潮时，阻性电流的基波成分增长较大，谐波的含量增长不明显。
2.2 氧化锌阀片老化时，阻性电流谐波的含量增长较大，基波成分增长不明显。
2.3仅当避雷器发生均匀劣化时，底部容性电流不发生变化。发生不均匀劣化时，底部容性电流增加。避雷器有一半发生劣化时，底部容性电流增加最多。对220kV及500kV，避雷器分段，不均匀劣化的情况更多。
2.4相间干扰对测试结果有影响，但不影响测试结果的有效性。采用历史数据的纵向比较法，能较好地反映氧化锌避雷器运行情况。所以，通过对氧化锌避雷器泄漏电流的全电流和对应的母线PT电压进行采集，分析泄漏电流的阻性电流分量、容性电流分量，阻性电流分量的谐波含量可以全面反映氧化锌避雷器的运行情况，为判断其绝缘状态提供可靠有效的判据。
3、氧化锌避雷器阻性、容性分量测试及分析的基本原理
    用精密的小电流隔离传感器采集避雷器泄漏电流信号，用高阻隔离的精密电压传感器对应相的PT二次侧电压信号，以电压信号为相位基准，利用快速傅立叶变换，分离出避雷器泄漏电流全电流的阻性分量和容性分量，并对阻性电流做谐波分析，求取其3、5、7次谐波含量。测试过程中，电流信号和电压信号应同时测量。如果三相电流和电压同时采集，相间干扰的影响被同时测量，由于现场的干扰相对稳定（与现场布置相关），更有利于信号的分析。
4、现场氧化锌避雷器测试存在的问题及解决的方法
    氧化锌避雷器现场测试的主要问题在于现场的相间干扰分析和电压基准信号的获取。
4.1 现场的相间干扰
    氧化锌避雷器的相间干扰主要与变电站的间隔布置相关，也与母线的布置有较强的关联，同时受到环境、系统运行情况的影响，要采用固定的边界条件的算法去准确分析相间干扰几乎是不可能的。由于相间干扰相对稳定，我们认为采用三相电流、电压信号同时采集的方法，观察三相数据的逻辑关系，可以排除相间干扰对数据分析的影响。一般地，A、B、C三相电流电压的相位角一般为79、83、87左右，接近等差分布序列，三相的阻性电流基本遵循Ia>Ib>Ic，这是一个统计的结果，随着布置的不同，具体的相位差值可能不一定完全满足等差序列的分布，但是应当在等差序列附近，而且，多次重复测试时，波动很小，一般小于0.5度。
    总的来说，由于相间干扰的存在，相角处于80度以上（微小的角度漂移将导致计算的阻性电流值有很大变化），我们认为氧化锌避雷器的电流电压相位差值更能反映避雷器的受潮及老化情况（全电流变化不大），实际应用中，根据相位差变化和阻性电流变化的历史趋势进行分析判断更有效。
4.2 电压基准信号的获取
    要精确测量避雷器的阻性电流分量，必须从对应的PT二次侧采集现场电压基准信号，早期的测试仪器中，将从PT二次侧引出的电压信号线直接连接到放置在避雷器下端的仪器电压信号输入端，由于现场距离较远，仪器的移动（引线拖动）和人员的走动，以及其他的不可控制因素，极易导致PT二次侧短路，引发严重的安全事故。甚至在某些场合不能获取PT二次信号，导致测试不能进行。我们采取三种测试方式来解决这一问题。
4.2.1 安全、高效地获取电压基准信号
    现场测试时，将测试仪主机（电流测量）放置在待测的一组避雷器下端，连接电流测试线，将电压测试单元放置在PT端子箱旁，连接电压测试引线，电压测试单元与电流测试单元通过无线或者有线的方式进行采集的同步，电压数据（相位基准和有效值）通过无线或者有线方式传输到测试仪主机进行数据分析，求取各个参数。电压单元放置在PT端子箱旁，不再移动，PT二次侧的引线也不再移动，即使引线，也是使用电压测试单元的数字信号引线，与PT二次侧完全隔离，大大提高了测试的安全性。
    电压单元，测试仪主机，无线发射和接受单元全部内置高能锂离子电池，可不接现场的220V交流电源，接线简化。一个母线场电压单元只需接一次线，而且测试仪主机可以更加方便的移动到任一组同一母线场的避雷器下端，大大提高测试效率。
4.2.2 不接PT二次侧的电压基准信号
    在某些特定场合无法获取PT二次侧的电压基准信号（系统安全性要求），或者在试验任务繁重，监测工作量大时，不需接入电压基准信号作为相位参考时，我们提供“无电压”测量方式。以理论分析为基础（A和C相对B相的相间干扰矢量和接近为零，三相的电流电压相位差值按相对固定的规律分布），通过大量的现场测试的数据统计分析表明，良好的避雷器组中，B相的泄漏电流和B相系统电压的相位差值一般在83～84度之间，这一规律是“无电压”方式测量的理论前提。
    “无电压”方式测量时，仪器只测量避雷器的三相泄漏电流（必须同时测量），输入B相电流和电压的相位差值（默认为83.5度，输入到仪器中的B相参考相位差值如果是现场实测的统计值，测试结果更准确），根据实测的B相的电流相位推算得到B相的电压相位，根据系统三相电压差120度的规律，计算出A和C相电压的相位，从而计算出A和C相的电流电压相位差值，然后求取相应的一系列参量。对同一母线场的避雷器，每次测量输入的B相参考相位差值保持一致，那么测试结果的历史趋势对比可以很好的反应避雷器的绝缘状况的变化，建议的数据结果的判断方法是：如果A、C两相数据均不正常，我们就初步判断B相存在问题（基准错误），如果A、C某一相数据异常，那就是数据异常的某相存在问题。
    如果发现某一组避雷器的数据异常，最后的精确判断需要接入电压信号或者退出运行用直流参数测量进行确诊。
5、测试结果分析的参考意见
5.1 氧化锌避雷器测试结果的分析以历史数据纵向变化趋势为依据，不刻意追求测试值的绝对大小。
5.2 氧化锌避雷器的阻性电流值在正常情况下约占全电流的10～20%。如果测试值在此范围内，一般可判别此氧化锌避雷器运行良好。
5.3 氧化锌避雷器的阻性电流值占全电流的25～40%时，可增加检测频度。密切关注其变化趋势、并做数据分析判断。
5.4 氧化锌避雷器的阻性电流值占全电流的40%以上时，可以考虑退出运行，进一步分析故障原因。
5.5 如果阻性电流占全电流的百分比明显增长，其中，基波的增长幅度较大，谐波的增长不明显。此种情况一般可确定为氧化锌避雷器污秽严重或内部受潮。
5.6 如果阻性电流占全电流的百分比明显增长，其中谐波的增长幅度较大，基波的增长不明显。此种情况一般可确定为氧化锌避雷器老化。
    以上判据仅供参考，国家标准没有明确规定各种判断标准。某些省电力试验研究院做了一些较具体的规定，广大用户可参考当地电力试验归口部门的相关技术说明和规定。
    信息来源：www.topdq.com 信息整理：拓普电气生技部