750 kV串抗并联避雷器泄漏电流表指示异常分析研究

田天；周秀；马惠中；罗艳；马云龙；刘威峰

(1.国网宁夏电力有限公司电力科学研究院，宁夏 银川 750011；2.国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司，内蒙古 通辽 028000 )

金属氧化物避雷器(metal oxide arrester,MOA)具有非线性特性优良的优点，无串联间隙，残压低，无续流，且耐污性能好[1-2]，通常并联接在被保护设备附近，吸收雷电过电压、操作过电压等冲击能量[3]，在防止设备过压损坏、确保电网安全运行方面具有重要作用。运行电压下避雷器内部存在微小的泄漏电流，包含阻性电流和容性电流两部分，当避雷器内部出现电阻片老化或受潮等异常时，流过避雷器的阻性电流将明显增大，使得电阻片功率损耗增加，电阻片的运行温度增加，最终导致避雷器损坏[4-6]。

目前，常在避雷器上安装泄漏电流表用以监测泄漏电流变化情况，以判断避雷器的运行状态。正常情况下，当避雷器出现内部受潮、阀片损坏等异常时，泄漏电流表指示会偏大甚至满偏，此时应采取措施防止发生事故，但是，避雷器性能良好时在线泄漏电流表指示也会出现异常偏大或满偏、异常偏小或为零情况[7]。某换流站避雷器并联于750 kV线路平波电抗器两端，在电抗调试投运过程中，出现避雷器泄漏电流表指针满偏异常现象。

1 泄漏电流表指针异常情况

某换流站750 kV出线间隔装设限流电抗器，在每台电抗器两侧均并联避雷器。在电抗器投运过程中，串抗避雷器动作及泄漏电流表(以下简称电流表)指针出现满偏现象，随后立即停止投运，并组织人员展开分析。串抗避雷器现场布置如图1所示。

图1 避雷器现场布置

1.1 泄漏电流表基本情况

泄漏电流表是用来测量避雷器泄漏电流、记录动作次数，以监测避雷器运行状态的装置，包括放电计数器和电流表两部分[8]。技术参数如表1所示。

表1 泄漏电流表的主要技术参数

在冲击电压下，计数器电容通过非线性回路对计数器线圈放电，当超过规定的下限动作电流值50 A时，计数器动作并记录放电次数。电流表可监测运行电压下的避雷器泄漏电流。电流表内部主要有电路板、表头、外壳、瓷套以及相关导电片等，外部为不锈钢护套，其结构如图2所示。

图2 电流表结构

1.2 泄漏电流表指针异常初步分析

(1)避雷器泄漏电流增大。当避雷器内部严重受潮、阀片严重损坏时，其内部流过的泄漏电流增大，导致泄漏电流表指示异常偏大甚至满偏[8]。

(2)泄漏电流表机械卡涩。表计的机械结构问题，以及泄漏电流表密封不严内部进水受潮，造成仪表线圈等氧化锈蚀，在线泄漏电流表出现卡涩，导致指示不正常[9-10]。

(3)外瓷套表面污秽严重且瓷套下端的接地屏蔽环与避雷器绑扎不紧密造成屏蔽效果不良甚至失去屏蔽作用。当空气湿度较大，外部泄漏电流很大时，部分将经引线流过在线泄漏电流表导致指示偏大[11]。

(4)外磁场影响。当测试点电磁场很强时，金属回路产生感应电流，电压和总电流的夹角也将发生改变，导致测量结果失真[12-13]。

(5)高电压影响。通常情况下，避雷器泄漏电流表其下部引线接地，但由于设计或安装等原因，部分泄漏电流表下引线存在高电压，可能影响测量结果[14]。

经试验分析排除避雷器故障、机械卡涩、接地屏蔽环绑扎不紧等异常原因，重点分析外部磁场及电压对泄漏电流表测量结果的影响。

2 磁场对电流表的影响分析

为分析空间磁场环境对避雷器泄漏电流表指针偏转的影响，技术人员在高压试验大厅内选定一组容量20 Mvar的电抗器，通以额定电流989.7 A，高压端电压20.2 kV，低压端接地，模拟换流站现场强磁场环境，开展多项试验分析强磁场对电流表的影响。

2.1 强磁场对表头示数的影响

(1)将10 mA量程表头进出线短接后，放置于强磁场环境中，试验发现表头指针无任何变化。

(2)表头通以5 mA试验电流，放置于强磁场环境中，试验发现表头指针保持在5 mA数值上，无明显变化，如图3所示。

图3 表头施加5 mA电流受磁场干扰试验

通过上述试验可知，强磁场对电流表表头指针偏转无影响。

2.2 强磁场对泄漏电流表影响的试验研究

为进一步探讨强磁场环境对泄漏电流表的影响，选取750 kV避雷器产品上用的同型号3 mA量程泄漏电流表进行试验。

(1)将泄漏电流表外引线短接，放置于强磁场环境中，测试泄漏电流表闭合金属回路在强磁场环境下是否出现环流，引起泄漏电流表指针异常满偏。结果显示泄漏电流表的指针示数为0，未受磁场影响。

(2)将泄漏电流表通以0.3 mA的交流电流，放置于强磁场环境中，测试在通流情况下，强磁场能否引起泄漏电流表指针满偏。结果显示泄漏电流表指针示数保持为0.3 mA未发生变化，表明电流表指示在小电流条件下不受强磁场影响，结果如图4所示。

图4 泄漏电流表预加0.3 mA电流磁场试验

(3)为模拟换流站现场实际运行工况下，串抗周围强磁场对避雷器泄漏电流表指针偏转的影响，先后开展两项试验：

①将泄漏电流表和避雷器串接后并联在20 Mvar电抗器两端，电抗器低压端接地，通电后观察监测指针变化；

②将泄漏电流表和避雷器串联接地后直接施加相同交流电压，观察泄漏电流表指针变化，试验接线见图5。

图5 避雷器并联电抗器时磁场对泄漏电流表的影响试验

结果显示避雷器和泄漏电流表同电抗器并联时，施加280 V交流电压，泄漏电流表示数为0.4 mA，避雷器和泄漏电流表单独施压时，泄漏电流表示数仍然为0.4 mA。对比分析可知：电抗器周围强磁场对泄漏电流表指针偏转无影响，电抗器和避雷器泄漏电流表并联的电路连接，也不会影响泄漏电流表指针偏转。

2.3 外部磁场条件下感应电流仿真研究

2.3.1 泄漏电流表所处位置的磁场计算

为分析限流电抗器周围磁场分布，计算泄漏电流表处的磁场强度，利用Anasys软件对避雷器系统进行建模，电抗器、避雷器及泄漏电流泄漏电流表的结构如图6所示。

图6 泄漏电流表位置

当限流电抗器产品通过3.5 kA电流时，泄漏电流表处的磁场强度如图7所示。仿真结果表明：避雷器泄漏电流泄漏电流表区域内最大磁场强度为9 571.9 A/m(磁感应强度为12.03 mT)。

图7 磁场分布情况

改变电抗器电流大小，得到泄漏电流表所在区域内的磁场分布情况，如表2所示。

表2 不同电抗器电流条件下泄漏电流表处的磁场强度

2.3.2 电流表组成回路感应电流计算

泄漏电流表表头内部存在若干匝铜线圈(见图8)，形成闭合回路后在电抗器周围强磁场环境中产生感应电流。表头内部电路如图9所示。

图8 泄漏电流表内部线圈结构

计算泄漏电流表头线圈所在回路感应电动势Ut：

1.2.1 饮食护理干预原则 对甲状腺功能亢进合并糖尿病患者实施饮食护理的过程中，既要兼顾甲状腺功能亢患者需摄入高热量、高维生素、高营养食物的需求，同时还要考虑到糖尿病患者不可摄入过多能量而引起血糖升高的问题。

(1)

式中：H—外部交变磁场强度；

B—磁感应强度；

Φ—硫通量；

n—小线圈匝数；

S—小线圈的面积；

θ—小线圈界面与外部磁场的夹角；

μr—泄漏电流表内部金属相对磁导率；

ω—交变磁场的角频率。

图9 泄漏电流表内部电路

通过调研获取电流表头内部电路参数，计算得到电抗器通过3.5 kA电流时，泄漏电流表所在区域最大磁场强度为9 571.9 A/m，泄漏电流表回路内的感应电压幅值495.24 mV，感应电流0.38 mA。换流站电抗器实际通过电流为70 A，此时泄漏电流表所在区域最大磁场强度为191.4 A/m，感应电压幅值为495.24 mV，感应电流为0.008 mA，数值非常小。

综合磁场试验及仿真结果可知：换流站避雷器电流泄漏电流表指针异常满偏现象与串抗周围的强磁场环境无关。

3 高电压对电流表的影响分析

调查其他同型号避雷器安装实例，发现未出现异常的泄漏电流，泄漏电流表其下引出线均接地，电位为零。然而本串抗工程的避雷器泄漏电流表，其下引出线同电抗器的低压端相连。当电抗器通以70 A电流时，电抗器的低压端电压幅值约为432 kV，即泄漏电流表的下引出线电位为432 kV，泄漏电流表指针满偏与其下引出线处高电压有关，有必要针对高电压对泄漏电流表示数的影响进行研究。

3.1 电流表处于电路中不同位置对比试验

为深入分析泄漏电流表异常满偏原因，开展高电压对泄漏电流表示数影响的试验研究。试品采用Y10W1-198型号瓷外套避雷器，其外形尺寸及内部结构与换流站避雷器基本相同。改变泄漏电流表安装位置，观察避雷器加压后表头指针变化情况。泄漏电流表安装位置如图10所示。

图10 泄漏电流表试验接线

3.1.1 泄漏电流表处于接地侧试验

试验中，避雷器放置于绝缘板上，将泄漏电流表一端同避雷器的下端法兰相连，另一端接地。在避雷器高端施加156 kV的持续交流电压。结果发现，泄漏电流表电流值示数0.5 mA，符合标准≤1 mA要求。

3.1.2 泄漏电流表位于两节避雷器中间

将两节避雷器产品用圆形绝缘板隔开，泄漏电流表串接在避雷器中间(见图11)，在避雷器高端施加156 kV电压,泄漏电流表测得电流数值为0.8 mA。

图11 泄漏电流表位于两节避雷器中间

3.1.3 泄漏电流表处于避雷器高压侧

泄漏电流表下引线接于避雷器高压端，施加电压，测得电流数值为2.1 mA。对比三次试验结果发现：同一试验回路中，泄漏电流表安装于避雷器不同位置，其测得电流值不同，且泄漏电流表下引线处电位越高，其电流示数越大。该避雷器泄漏电流表安装使用过程中同电抗器低压端相连，其电位高达432 kV，是现场泄漏电流表示数出现异常满偏的主要原因。

3.2 金属结构对泄漏电流表测量数据的影响

3.2.1 泄漏电流表导线对示数的影响

将泄漏电流表安装在高压端，给避雷器施加156 kV运行电压。当高压端导线为裸铜线时，泄漏电流表电流值2.1 mA。更换裸铜线为屏蔽线，高压端导线更换为屏蔽线时，在持续运行电压156 kV条件下泄漏电流表电流值2.1 mA，数值未发生变化。可知泄漏电流表的引出线材质及其是否屏蔽对测量结果无影响。

3.2.2 避雷器均压环对泄漏电流表示数影响

为了进一步分析泄漏电流表示数异常的原因，进行拆卸避雷器均压环对比试验。分析电晕环对泄漏电流表测量结果的影响，结果如表3所示。

表3 均压环影响试验结果

分析试验结果可知：安装或拆除均压环，泄漏电流表示数不同。泄漏电流表测得的电流数值包含两部分，即流经避雷器本体的泄漏电流，以及与泄漏电流表相连的金属辅件(避雷器端帽、电晕环)对地存在杂散电容，在交流电压下产生杂散电流。安装或拆除均压环，改变了对地杂散电容，引起泄漏电流表电流示数变化。

综上，换流站串抗避雷器泄漏电流表指针异常满偏，主要原因是泄漏电流表下引线与线路串抗低压端连接且无法接地，电抗器低压端处存在的高电压导致避雷器电流表指针异常偏转。另外避雷器电晕环及法兰盘对地杂散电流也是其异常满偏的影响因素。

4 结 论

本文结合一起换流站串抗避雷器泄漏电流泄漏电流表指针异常满偏问题进行分析，在实验室开展多项试验，分析磁场及高电压对泄漏电流表测量结果的影响，得到如下结论：

(1)与避雷器、泄漏电流表并联的电抗器，其电路结构及其产生的强磁场环境对泄漏电流表指针偏转无影响；

(2)避雷器低压侧串接的泄漏电流表其下引线与线路电抗器低压端连接，由此引入的高电压，以及避雷器均压环等金属辅件对地杂散电流，共同作用引起泄漏电流表指针异常满偏；

(3)该避雷器的泄漏电流表由于下引线处高电压引起异常满偏，实际无法起到监测避雷器健康状态的作用，建议设计阶段避免此类问题，运维阶段利用红外热像检测、日常巡检等手段关注避雷器状态。