外部因素对金属氧化物避雷器特征参量的影响研究

赵丹丹，周 越，张嘉旻，郭 洁，司文荣，杨凌辉，韩 政，肖 嵘

（1.国网上海市电力公司电力科学研究院，上海200437；2.西安交通大学电气工程学院，西安710049；3.国网上海市电力公司，上海200122）

外部因素对金属氧化物避雷器特征参量的影响研究

赵丹丹1，周 越2，张嘉旻1，郭 洁2，司文荣1，杨凌辉1，韩 政3，肖 嵘1

（1.国网上海市电力公司电力科学研究院，上海200437；2.西安交通大学电气工程学院，西安710049；3.国网上海市电力公司，上海200122）

随着MOA制造技术的改进、电阻片配方工艺的调整，MOA的状态参量特性有了明显变化，传统的MOA的状态检测方法不能保障检测的有效性和正确性。针对以上问题，研究了温度、污秽度、荷电率等外部因素对金属氧化物避雷器特征参量的影响。研究发现：避雷器等值阻抗随着温度的增加呈指数下降趋势，避雷器的电流性特征参量随着温度升高而迅速增大，而其直流参考电压则可基本维持不变；在均匀分布的污秽作用下，避雷器的特征参量随着避雷器外绝缘表面等值盐密的增大而呈线性增大；随着荷电率的变化，避雷器持续运行电流呈线性变化，而避雷器阻性电流基波和阻性电流三次谐波则呈指数变化趋势。本文的研究结果可为超特高压金属氧化物避雷器的现场交接试验和带电检测试验提出了切实可行的意见和建议，也为避雷器带电检测故障判据的修订提供了依据。

金属氧化物避雷器；特征参量；温度；污秽度；荷电率；带电检测

0 引言

无间隙金属氧化物避雷器（MOA）是电力系统设备的重要保护防线，其运行状态的好坏直接影响保护效果和运行可靠性。带电检测是检验MOA运行状态的重要手段。然而，随着MOA制造技术的改进、电阻片配方工艺的调整，MOA的状态参量特性有了明显变化，传统的MOA的状态检测方法不能保障检测的有效性和正确性[1-3]。运行中的多个超高压电站检测结果表示，避雷器特征参量的变化并不能直观反映出故障及事故的发生，检测人员有时也无法根据现有的检测数据对MOA状态给出有效、准确的判断，甚至可能作出误判，耗费人力物力，停电检测影响正常运行。在交流特高压MOA现场交接试验中，不同环境下同一台MOA测量出的泄漏电流差异很大，另外，在特高压MOA带电检测中，某些泄漏电流和阻性电流均超过运行规程的MOA，在随后的返厂全面试验中并未发现任何问题。这对特高压MOA带电检测的有效性和故障判据的适应性提出了质疑。

针对以上问题，笔者研究了温度、湿度、荷电率等外部因素对金属氧化物避雷器特征参量的影响，为特高压金属氧化物避雷器带电检测的有效性以及故障判据的修订提供了依据。

1 避雷器特征参量

在持续运行电压下，流过金属氧化物电阻片的持续电流Ix由阻性电流IR和容性电流IC组成，由于等效电阻为非线性电阻，所以阻性电流IR是一个非正弦波形，含有基波、3次、5次以及更高次谐波分量，主要以基波和3次谐波电流为主。等效电容C是线性电容，由于等小电容C随电压变化时其电容值变化不大。因此在电压变化范围不大时，等效电容近似为一常数值。流过电容C的容性电流IC和母线电压Ux波形一致[4-5]。

当避雷器绝缘性能下降，主要影响避雷器本体电阻，外在表现形式是其阻性电流成分显著增大，相应的，持续运行电流也有所增大。测量避雷器全电流及其阻性分量，就能有效地判断出金属氧化物避雷器的运行状态，这也是金属氧化物避雷器阻性电流检测和故障判断的原理[6-8]。

综合以上分析，笔者在研究外界因素对避雷器特征参量的影响时，主要关注避雷器持续运行电流中的阻性基波电流和阻性3次谐波电流作为特征参量，同时测量持续运行电流与之对比。

除此之外，为了更好观察绝缘性能变化情况，还测量金属氧化物电阻片直流1mA参考电压U1mA以及75%U1mA下的泄漏电流。

2 试验方法及试品

由于金属氧化物电阻片泄漏电流中存在多种电流分量，本文通过示波器和精密取样电阻，测量金属氧化物电阻片的电压和泄漏电流。

阻性电流峰值的测量则采用容性电流补偿法，即将持续电流中的容性电流进行完全补偿，以获得阻性电流。将电压和电流信号进行FFT分解，根据电压和电流之间相角关系进行补偿，以获得金属氧化物电阻片中的阻性基波电流和阻性3次电流数值。

由于避雷器总体与单个电阻片之间的特征参量有简单的换算关系[1]，本文中的试验主要针对避雷器电阻片开展，仅在研究外绝缘污秽情况时采用的整节避雷器。为了避免电阻片本身参数的误差而对试验造成影响，首先对金属氧化物电阻片初始特征参数进行测量，获得对应参量平均值，选取误差最小的电阻片。

试验选用的试品为目前广泛使用的ϕ50 mm、ϕ70 mm、ϕ105 mm 3种型号的金属氧化物电阻片。为了使试品的特性能更好地反映目前超特高压MOA的特性，本文选取国内两所特高压MOA主要生产厂家的产品进行研究。每个厂家每种规格选取3片，分为3组，分别作为荷电率、受潮、温度试验的试验电阻片。

3 温度对特征参量的影响

金属氧化物避雷器以氧化锌为主要成分，加入少量添加剂，在高温下烧结而成。从微观上讲，金属氧化物避雷器的非线性主要是由于氧化锌晶粒和晶间层之间的势垒而产生的。当温度升高，分子活动剧烈，避雷器的特征参量也必然会变化[9-12]。但变化程度则与避雷器的配方和工艺有关。

本文测量了多种温度下，金属氧化物电阻片的特征参量。图1为2个不同厂家生产的ϕ105 mm电阻片的等值阻抗随温度变化的曲线。

避雷器的等值阻抗随温度的升高呈指数下降的趋势，2种ϕ105 mm的避雷器电阻片等值阻抗的拟合曲线为

式中：Zeq为等值阻抗，GΩ；T为华氏温度，℃。

根据试验结果，所有电阻片的等值阻抗都有负温度系数，且随着温度的升高，电阻片的等值阻抗均呈指数下降趋势。同一厂家不同直径的避雷器电阻片等值阻抗随温度的变化率比较相近[13-14]。但电阻片的直流1mA参考电压变化不大，从0℃逐渐加温到80℃，各电阻片的直流1mA参考电压的变化量都保持在7%以内，但75%参考电压下的泄漏电流增长迅速，增长量甚至能达到上百倍。

图1 避雷器等值阻抗随温度变化曲线Fig.1 Variation curve of equivalent impedance of arrester changes with temperature

某特高压交流避雷器20℃下测量直流8 mA参考电压为225～230 kV，75%参考电压下的泄漏电流为33～50 μA，平均40 μA。假如现场交接试验时气温在40℃，则以厂家A电阻片的温度特性来计算，则该组避雷器75%参考电压下的平均泄漏电流可达106 μA，超过了国标要求的100 μA。以上情况为现场交接试验结果判定带了很大迷惑性。但值得注意的是，每个厂家生产的金属氧化物电阻片的温度特性是不同的，在实际应用中，应考虑特定厂家特定规格的电阻片的温度特性，下同。

图2—图4是氧化物电阻片持续运行电流和阻性分量随着温度的变化曲线。研究表明，温度对避雷器的主要特征参量都有较大影响。随着温度的上升，金属氧化物电阻片中持续运行电流、基波分量、阻性电流3次谐波分量均呈指数增长趋势。

图2 持续运行电流随温度变化曲线Fig.2 Variation curve of continuous running current changes with temperature

根据试验结果，避雷器本体温度从0℃逐渐增加到80℃，在85%的荷电率下，厂家A生产的ϕ105mm电阻片持续电流增长不大，约增长了25%，阻性电流基波分量增大约3.5倍，阻性电流3次谐波分量增大约80%。而厂家B生产的电阻片增长率更高。

图3 阻性电流基波分量随温度变化曲线Fig.3 Variation curve of fundamental component of resistive current changes with temperature

图4 阻性电流3次谐波分量随温度变化曲线Fig.4 The variation curve of three harmonic component of resistive current changes with temperature

某特高压交流避雷器20℃下测量持续运行电流平均为12.79 mA，阻性电流基波峰值平均为2.043 mA，假如现场交接试验或带电检测时气温在40℃，则以厂家A电阻片的温度特性来计算，避雷器处于正常状态下，该组避雷器的持续运行电流平均应为13.01 mA，而阻性电流基波峰值平均应为2.834 mA。在带电检测试验中，避雷器处于长期运行状态，敞开式避雷器更会接受日光直射，造成避雷器本体温度远比大气温度高。使得在避雷器运行状态正常情况下，测量阻性电流基波峰值也升高，甚至超过规程规定限制，在一定程度上影响了超特高压避雷器带电检测的有效性和准确性。

对于相同条件下的金属氧化物电阻片，阻性基波电流增长明显大于阻性3次泄漏电流的增长，并且阻性基波电流值均大于阻性3次泄漏电流值，由于阻性3次泄漏电流值经常受到电网3次谐波电压的干扰，因此监测阻性基波电流值能够很好地发现金属氧化物电阻片过热故障。

图5是厂家A生产不同规格电阻片阻性电流基波分量的温度曲线，图6是不同规格电阻片阻性电流基波分量随温度变化率曲线。从图中可以看出，同一厂家生产的避雷器特征参量的温度特性也有所不同。以厂家A为例，电阻片直径越大，其特征参量的变化率越大；温度越高，阻性电流基波分量的变化率也越大。

图5 不同规格电阻片阻性电流基波分量的温度曲线Fig.5 Curve of fundamental component of resistive current changes with temperature of different MOV

图6 不同规格电阻片阻性电流基波分量随温度变化率曲线Fig.6 Curve of change rate of fundamental component of resistive current with temperature of different MOV

综合以上分析，可以看出，温度对避雷器的电流性特征参量影响较大，在一定程度上影响了避雷器设备的现场交接试验和带电检测试验的有效性和准确性。在避雷器设备的现场交接试验和带电检测试验中，应尽量减小气温变化对避雷器特征参量的影响。

4 外表面状态对特征参量的影响

避雷器设备的泄漏电流有3部分，避雷器电阻片泄漏电流、避雷器外绝缘表面电流、避雷器电阻片以及外绝缘杂散电容电流。以瓷外套避雷器为例，研究了避雷器外绝缘表面污秽情况对金属氧化物避雷器各特征参量的影响[15-16]，试验结果见图7。

由试验结果可知，在污秽均匀涂抹的前提下，避雷器的特征参量对着避雷器外绝缘表面等值盐密的增大而呈线性增大。在85%荷电率下，盐密浓度为0.06 mg/cm2时的特征参量与清洁状态相比较，避雷器持续电流增大18%，避雷器阻性电流基波增大50.6%，避雷器阻性电流3次谐波增大32.4%。

避雷器外绝缘表面状态对避雷器阻性电流基波分量的影响最大。在避雷器外绝缘表面污秽情况下，MOA阻性电流分量明显上升，基波分量增大最明显，结果与发生内部过热等故障类似，容易造成误判。

图7 避雷器电流性特征参量随外表面污秽度变化曲线Fig.7 Variation curve of currents of arrester changes with the external surface contamination

5 荷电率对避雷器特征参量的影响

荷电率是表征避雷器工作状态的重要参数，是避雷器选型中的重要技术指标。避雷器荷电率增大，其在伏安特性曲线上的工作点也随之右移，其特征参量也有所变化。本文选取国内避雷器电阻片主要生产厂家不同规格电阻片若干，观察荷电率从70%～90%变化过程中各特征参量的变化。某厂家金属氧化物电阻片的特征参量随荷电率变化见图8—图10。

图8 持续电流随荷电率变化曲线图Fig.8 Variation curve of continuous running current changes with chargeability

结果表明，荷电率从70%变化到90%，避雷器全电流基本呈线性增长；阻性电流基波分量和3次谐波分量均呈现指数增长趋势，其中阻性电流基波分量增大了约2倍，而3次谐波分量则增大了约5倍。可以看出，荷电率对避雷器的阻性基波分量和3次谐波影响都很大。

图9 阻性基波电流随荷电率变化曲线图Fig.9 Variation curve of fundamental of resistive current changes with chargeability

图10 阻性3次泄漏电流随荷电率变化曲线图Fig.10 Variation curve of three harmonic component ofresistive current changes with chargeability

对运行中的金属氧化物避雷器，其荷电率取决于运行电压，根据运行经验，同一变电站母线运行电压的波动较小，即运行中的避雷器荷电率几乎不变，因此，在避雷器带电检测中，可忽略荷电率对检测结果的影响。

6 结论及建议

研究了多种外部因素对避雷器特征参量的影响，得到以下结论：

1）避雷器等值阻抗随着温度的增加呈指数下降趋势，避雷器的电流性特征参量随着温度升高而迅速增大，而其直流参考电压则可基本维持不变。在高温天气，无异常的特高压避雷器，其75%参考电压下的泄漏电流和持续运行电流的阻性电流基波分量即可接近甚至超过国标规定限制，这对避雷器带电检测工作带来了困扰，降低了带电检测判断的准确性。

2）在污秽均匀涂抹的前提下，避雷器的特征参量随着避雷器外绝缘表面等值盐密的增大而呈线性增大。避雷器外绝缘表面状态对避雷器特征参量的影响与避雷器内部过热等故障类似，容易造成误判。

3）荷电率在70%～90%时，避雷器持续运行电流呈线性变化，而避雷器阻性电流基波和阻性电流3次谐波则呈指数变化趋势。但运行中的避雷器荷电率基本保持不变，因此在超特高压避雷器带电检测中，可忽略荷电率对特征参量的影响。

4）避雷器阻性3次泄漏电流值经常受到电网3次谐波电压的干扰，因此监测阻性基波电流值能够很好地发现金属氧化物电阻片过热故障。

根据试验研究结论，对避雷器带电检测和停电试验提出以下建议：

1）外界因素对避雷器的特征参量有着较大的影响，在避雷器的带电检测中，建议对避雷器多种特征参量进行综合分析比对，排除外界因素对避雷器状态的干扰，提高避雷器带电检测故障判断的准确度。

2）避雷器温度受运行状态、日光照射、环境温度等因素影响，波动较大，且温度对避雷器特征参量影响甚大，因此建议在避雷器的带电检测中，可先用红外温度测试推算避雷器内部温度，对避雷器泄漏电流带电测试结果进行温度修正，可大大提高避雷器运行状态判断的准确度。

3）75%直流参考电压的泄漏电流随着温度的升高迅速增大，因此建议避雷器现场交接试验中，对试验结果开展温度修正工作。

4）带电检测试验中，可通过每周期的纵向分析和历年同时期的纵向分析综合判断避雷器运行状态，减小温度对特征参量的影响。

5）鉴于目前温度对电阻片特征参量影响较大，建议厂家提供同类产品电流类特征参量的温度特性，以便带电检测试验中对测试结果进行温度修正。

[1]王秉钧.金属氧化物避雷器[M].北京：水利电力出版社，1993.

[2]施围，邱毓昌，张乔根.高电压工程基础[M].北京：机械工业出版社，2006.

[3]严璋.电气设备在线检测技术[M].北京：中国电力出版社，1995.

[4]郭洁，王森，冯敏.无间隙金属氧化物避雷器运行状态特征参数温度特性研究[J].电瓷避雷器，2006（2）：32-35.GUO Jie，WANG Sen，FENG Min.The study on tempera⁃ture character of operating state parameter of metal oxide surge arrester without Gaps in service[J].Insulators and Surge Arresters，2006（2）:32-35.

[5]丁国成，李伟，刘云鹏，等.外部环境因素对MOA在线监测影响的试验[J].高电压技术，2008，34（6）：1283-1287.DING Guocheng，LI Wei，LIU Yunpeng，et al.Experi⁃mental study of influence of environmental conditions on on-line monitoring data of metal oxide surge arrester[J].High Voltage Engineering，2008，34（6）:1283-1287.

[6]彭珑，李雨，徐党国，等.避雷器电阻片温度分布特性的研究[J].电瓷避雷器，2014（3）：84-89.PENG Long，LI Yu，XU Dangguo，et al.Research on tem⁃perature distribution characteristics of arrester varistors[J].Insulators and Surge Arresters，2014（3）:84-89.

[7]张搏宇，李光范，张翠霞，等.污秽条件下避雷器的内部温升研究[J].高电压技术，2011，37（8）：2065-2072.ZHANG Boyu，LI Guangfan，ZHANG Cuixia，et al.Inter⁃nal temperature rise of MOA under pollution condition[J].High Voltage Engineering，2011，37（8）:2065-2072.

[8]丁国成，田宇，陈庆涛，等.金属氧化物避雷器带电检测技术有效性试验研究[J].电瓷避雷器，2015（4）：105-108.DING Guocheng，Tian Yu，CHEN Qingtao，et al.Experi⁃mental research of live detection validity for metal oxide⁃surge arrester[J].Insulators and Surge Arresters，2015（4）:105-108.

[9]林坚，陈长杰，孙锦，等.金属氧化物避雷器带电检测及其故障诊断与分析[J].电瓷避雷器，2015（1）：144-150.LIN Jian，CHEN Changjie，SUN Jin，et al.Live detection and fault diagnosis&analysis of MOA[J].Insulators and Surge Arresters，2015（1）:144-150.

[10]李虹山，史阳.金属氧化锌避雷器（MOA）的在线监测及故障诊断[J].电力建设，2008（4）：28-33.LI Hongshan，SHI Yang.Online monitoring of metal zinc oxide arrester（moa） and its fault diagnosis[J].Electric Power Construction，2008（4）:28-33.

[11]张金岗.红外测温技术在氧化锌避雷器带电检测中的应用[J].高压电器，2015（6）：200-204.ZHANG Jingang.Application of infrared temperature mea⁃surement technology to live detection of zinc oxide arrester[J].High Voltage Apparatus，2015（6）:200-204.

[12]万四维.金属氧化物避雷器缺陷与阻性电流关系的分析探讨[J].电瓷避雷器，2007（5）：31-34.WAN Siwei.Approach to correlation of MOA defaults with its resistive current[J].Insulators and Surge Arresters，2007（5）:31-34.

[13]李飚，顾梦君.带电测试MOA阻性电流的基本分析方法探讨[J].高压电器，2004，40（3）：235-236.LI Biao，GU Mengjun.Discuss on the analysis method of resistive current of MOA under live test[J].High Voltage Apparatus，2004，40（3）:235-236.

[14]宫建立，秦松林.电容电桥法测量金属氧化物避雷器的阻性电流分量[J].高压电器，2007，43（5）：394-395.GONG Jianli，QIN Songlin.Capacitance-bridge Method Used in Measuring the Resistive Leakage Currents of Met⁃al-oxide Surge Arresters[J].High Voltage Apparatus，2007，43（5）:394-395.

[15]西安电瓷研究所.GB 11032—2010.交流无间隙金属氧化物避雷器[S].北京：中国标准出版社，2010.

[16]中国南方电网有限责任公司.Q/CSG 1 0007—2004.电力设备预防性试验规程[S].广州：中国南方电网有限责任公司.

Influence of External Factors on Characteristic Parameters of Metal Oxide Surge Arrester

ZHAO Dandan1，ZHOU Yue2，ZHANG Jiamin1，GUO Jie2，SI Wenrong1，YANG Linghui1，HAN Zheng3，XIAO Rong1
（1.State Grid Shanghai Electric Power Research Institute，Shanghai 200437，China;2.School of Electrical Engineering of Xi′an Jiaotong University，Xi′an710049，China;3.State Grid Shanghai Municipal Electric Power Company，Shanghai 200122，China）

With the improvement of MOA manufacturing technology and the adjustment of the resis⁃tance sheet formula，the state parameter’s characteristics of MOA had changed obviously.The traditional MOA state detection method could not guarantee the validity and correctness of the test.To solve the above problems，influence of external factors，such as temperature，contamination severity，chargeabili⁃ty，on characteristic parameters of arrester were studied.The results suggested that:With the increase of temperature，the equivalent impedance of MOA decreased exponentially，and the current characteristic parameters of MOA increased rapidly，while the DC reference voltage could be kept unchanged.The characteristic parameters of MOA increased linearly with the increase of the equivalent salt density，which had uniform distribution，on the outer insulation surface.With the change of chargeability，the continuous operating current of the arrester had linear change，but the three harmonic and fundamental of the resistive current changed with exponential trend.The research results will provide the basis for ar⁃rester testing validity and fault criterion revision.And then the feasible opinions and suggestions for the field handover test and the live test of MOA at ultrahigh voltage system and extra-high voltage system.

MOA；characteristic parameters；temperature；contamination severity；chargeability；the live test

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.006

2016-11-23

赵丹丹（1985—），女，硕士，从事电力系统过电压及其防护，电力系统启动调试试验，交直流系统交互影响的研究等方面工作。

国家电网公司科技项目（编号：520940150004）。