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1、氧化锌避雷器氧化锌避雷器( (MOA) )的在线监测的在线监测西安交通大学电气学院西安交通大学电气学院汲胜昌汲胜昌2004.12本讲内容提要本讲内容提要在线监测MOA的意义MOA避雷器的基本结构、等值电路及工作机理目前在线监测MOA的方法，包括原理、接线及各自的优缺点。在线监测在线监测MOAMOA的意义的意义 随着氧化锌避雷器在电力系统广泛地应用，大大地提高随着氧化锌避雷器在电力系统广泛地应用，大大地提高了电力系统的安全性。产生了巨大的经济效益。经过现场的了电力系统的安全性。产生了巨大的经济效益。经过现场的运行表明：由于目前采用的氧化锌避雷器大多不带有任何间运行表明：由于目前采用的氧化锌避雷器
2、大多不带有任何间隙隙, , 这样氧化锌阀片长期直接承受工频电压这样氧化锌阀片长期直接承受工频电压, , 运行期间总有运行期间总有电流流过阀片电流流过阀片, , 另外再加上冲击电压及内部受潮等因素的作另外再加上冲击电压及内部受潮等因素的作用，会引起避雷器阀片老化、阻性泄漏电流增加和功耗加剧用，会引起避雷器阀片老化、阻性泄漏电流增加和功耗加剧, , 导致避雷器阀片温度升高直至发生热崩溃导致避雷器阀片温度升高直至发生热崩溃, , 从而引发电力系从而引发电力系统事故。因此，对氧化锌避雷器的阻性泄漏电流进行长期的统事故。因此，对氧化锌避雷器的阻性泄漏电流进行长期的在线监测是保证其安全运行的重要手段。在线
3、监测是保证其安全运行的重要手段。 中中轴轴线线均压环（与高压端相连）均压环（与高压端相连）金属塔金属塔地面地面 法兰法兰 节节单单元元：由由内内向向外外依依次次为为绝绝缘缘杆、杆、Z Zn nO O阀片、阀片、SF6SF6气体、瓷套气体、瓷套MOA避雷器总体结构图避雷器总体结构图高压端高压端MOA避雷器实物图避雷器实物图MOA阀片的基本结构阀片的基本结构 MOA 阀片的主要成分是阀片的主要成分是ZnO，还掺有，还掺有Bi2O3、Co2O3、MnO2、Sb2O3 等其它金属氧化物。这种阀片具有极好的非线性保护特性。由等其它金属氧化物。这种阀片具有极好的非线性保护特性。由于其晶界层的相对介电常数可
4、达于其晶界层的相对介电常数可达5002000，使阀片具有相当大的电，使阀片具有相当大的电容量，在运行中流过阀片的电流主要是电容电流。容量，在运行中流过阀片的电流主要是电容电流。MOA阀片的微观结构阀片的微观结构1-ZnO1-ZnO晶粒晶粒 2-2-晶界层晶界层 3-3-尖晶石晶粒尖晶石晶粒Zno电阻片的等值电路电阻片的等值电路Zno阀片的等值电路阀片的等值电路RcZno晶粒本体的电阻晶粒本体的电阻C晶界层的固有电容晶界层的固有电容R晶界层的电阻晶界层的电阻1）在正常运行电压下）在正常运行电压下, ZnO 阀片工作在其线性区阀片工作在其线性区a1时时,一般只有数十一般只有数十A 的微小的微小电流
5、通过电阻电流通过电阻R (常称为阻性电流分量常称为阻性电流分量) ,而通过阀片电容而通过阀片电容C 的电流的电流Ic 则在几百则在几百A 以上以上,可见在正常情况下阻性电流分量只占全电流的可见在正常情况下阻性电流分量只占全电流的5 %20 %。当。当MOA 存在存在缺陷时缺陷时,其阻性分量往往成倍增大其阻性分量往往成倍增大,容性分量却增加不大容性分量却增加不大,所以对所以对MOA 阻性电流分阻性电流分量的监测十分重要。量的监测十分重要。2）外加电压增加到一定数值后，外加电压增加到一定数值后，UI特性从特性从a1区进入区进入a2区。国内取区。国内取1mA为准，为准，认为在这时阀片开始由绝缘体变为
6、导体。电流对电压的影响非常敏感，电压稍认为在这时阀片开始由绝缘体变为导体。电流对电压的影响非常敏感，电压稍有增加，电流急剧增加。有增加，电流急剧增加。 MOA避雷器工作机理避雷器工作机理 MOA避雷器避雷器ZnO阀片的伏安特性曲线阀片的伏安特性曲线3 3）在高场强区域在高场强区域a3a3，其特性相当于一个低阻值的线性电阻。，其特性相当于一个低阻值的线性电阻。雷电或操作过电压产生的能量大部分被雷电或操作过电压产生的能量大部分被MOA避雷器吸收释放，避雷器吸收释放，起到对电力设备保护的作用。起到对电力设备保护的作用。 当过电压结束后，当过电压结束后，MOAMOA避雷器又会工作在正常运行电压下，避雷
7、器又会工作在正常运行电压下，保持高阻状态，流过很小的泄漏电流。保持高阻状态，流过很小的泄漏电流。 MOA避雷器工作机理（续）避雷器工作机理（续） MOA避雷器避雷器ZnO阀片的伏安特性曲线阀片的伏安特性曲线目前氧化锌避雷器的监测方法目前氧化锌避雷器的监测方法 总泄漏电流法总泄漏电流法零序电流法（阻性电流三次谐波法）零序电流法（阻性电流三次谐波法）常规补偿法常规补偿法基波法基波法 氧化锌避雷器的总泄漏电流值的大小不能完全反映氧化锌避氧化锌避雷器的总泄漏电流值的大小不能完全反映氧化锌避雷器的绝缘状况，而其阻性泄漏电流峰值的大小是表征绝缘特性雷器的绝缘状况，而其阻性泄漏电流峰值的大小是表征绝缘特性优
8、劣的重要指标。优劣的重要指标。 监测总泄漏电流监测总泄漏电流I x 由于由于MOA的泄漏电流的容的泄漏电流的容性分量基本不变性分量基本不变, ,因此可以因此可以简单地认为其总电流简单地认为其总电流I x 的的增加能在一定程度上反映其增加能在一定程度上反映其阻性分量电流的增长情况阻性分量电流的增长情况, ,测量总泄漏电流可以在避雷测量总泄漏电流可以在避雷器放电记录器两端并联微安器放电记录器两端并联微安表表( (见图见图) ,) ,流过微安表的电流过微安表的电流约为避雷器的总泄漏电流。流约为避雷器的总泄漏电流。监测总泄漏电流的优缺点监测总泄漏电流的优缺点质量好的质量好的MOA，早期的事故较，早期的
9、事故较少，要有问题往往是受潮等引少，要有问题往往是受潮等引起的，这时以在线监测通过起的，这时以在线监测通过MOA的全电流的方法最为简便。的全电流的方法最为简便。一般认为当全电流比过去增加一般认为当全电流比过去增加12倍时，倍时，MOA已达到危险的已达到危险的边缘。边缘。但全电流法对于发现但全电流法对于发现MOA的早的早期老化很不灵敏。因为早期老期老化很不灵敏。因为早期老化反映在阻性电流的显著增大，化反映在阻性电流的显著增大，而由于阻性电流在全电流中只而由于阻性电流在全电流中只占很小的比例，因此测量全电占很小的比例，因此测量全电流时变化并不会很明显。流时变化并不会很明显。监测阻性电流三次谐波分量
10、监测阻性电流三次谐波分量的零序电流法的零序电流法零序电流法接线图零序电流法接线图 三相三相MOA，通常都是相同型号且同批生产的。各项性能应，通常都是相同型号且同批生产的。各项性能应当基本一致。当基本一致。 如果三相电压平衡、不含谐波分量，且三相如果三相电压平衡、不含谐波分量，且三相MOA的电容及的电容及非线性电阻相同，非线性电阻相同，三相电流中的基波分量三相电流中的基波分量互相抵消互相抵消，接地线中接地线中只剩下三次谐波零序电流只剩下三次谐波零序电流I0 ，它等于各相三次谐波阻性电流之和它等于各相三次谐波阻性电流之和，即即I0 = 3 Ir3 。三次谐波阻性电流随阻性电流的增加而增加三次谐波阻
11、性电流随阻性电流的增加而增加,并且并且总的阻性电流与三次谐波分量之间成一定的比例关系。在线检总的阻性电流与三次谐波分量之间成一定的比例关系。在线检测中测中，MOA 正常工作时的正常工作时的I r3数值较小数值较小，当一相或者三相避雷器当一相或者三相避雷器出现问题时出现问题时，三相电流不平衡三相电流不平衡, I0 增大增大，且含有基波成份且含有基波成份,因此能因此能发现故障发现故障。零序电流法的优缺点零序电流法的优缺点 此方法简便，缺点是此方法简便，缺点是I I0 0 有变化时不易判断出是那一有变化时不易判断出是那一相出现异常。另外，系统电相出现异常。另外，系统电压中若含有谐波分量，则电压中若含
12、有谐波分量，则电容电流也将含有三次谐波容电流也将含有三次谐波I Ir3r3 ，与，与I Ir3r3叠加后将使测量到的叠加后将使测量到的I I0 0比实际阻性电流的三次谐比实际阻性电流的三次谐波分量增大很多，造成错觉。波分量增大很多，造成错觉。补偿法补偿法 金属氧化物避雷器阀片的劣化或金属氧化物避雷器阀片的劣化或老化反映为阻性电流增大，因此直接老化反映为阻性电流增大，因此直接测量阻性电流能反映金属氧化物避雷测量阻性电流能反映金属氧化物避雷器的健康状况。补偿的原理就是抽取器的健康状况。补偿的原理就是抽取系统电压补偿总泄漏电流中的容性电系统电压补偿总泄漏电流中的容性电流分量，以得到阻性电流分量。流分
13、量，以得到阻性电流分量。 容性电流超前系统电压容性电流超前系统电压90，因此将系统电，因此将系统电压前移压前移90并反相将容性电流补偿掉并反相将容性电流补偿掉。补偿法监测补偿法监测MOA阻性电流原理图阻性电流原理图 用用CT从从MOA的引下线处取得电流信号的引下线处取得电流信号I0，再从分压器或者，再从分压器或者PT取得电压信号取得电压信号Us。后者经移相器前移。后者经移相器前移90后得到后得到Us0（以便与（以便与I0中的电容电流分量同相），再经可控增益放大后与中的电容电流分量同相），再经可控增益放大后与I0一起送入差一起送入差分放大器。在分放大器。在差分差分放大器中，将放大器中，将GUs0
14、与与I0相减；由乘法器组成自相减；由乘法器组成自动反馈跟踪，以控制放大器的增益动反馈跟踪，以控制放大器的增益G使同相的（使同相的（ICGUs0）的差）的差值降为零，即值降为零，即I0中的容性分量全部被补偿掉；剩下的仅为阻性分中的容性分量全部被补偿掉；剩下的仅为阻性分量量IR。再根据。再根据Us及及IR可以获得可以获得MOA的功率损耗的功率损耗P。补偿法的优点采用上述原理进行接线，对采用上述原理进行接线，对MOA进行在线监进行在线监测比较方便实用，因为它是采用测比较方便实用，因为它是采用CT取样的，取样的，不必断开原有接地线，而且不需要人工调节，不必断开原有接地线，而且不需要人工调节，自动补偿，
15、能够直读自动补偿，能够直读IR和和P。补偿法的缺点三相运行时存在以下问题：三相运行时存在以下问题：1 1） 三相避雷器一字型安装，由于相间耦合电容三相避雷器一字型安装，由于相间耦合电容和电磁干扰，使各相避雷器除受本相电压作用外，和电磁干扰，使各相避雷器除受本相电压作用外，还通过相间耦合受到相邻相电压的作用，从而影还通过相间耦合受到相邻相电压的作用，从而影响监测结果的准确性；响监测结果的准确性；2 2） 当电网电压含有较大谐波成分时，此法不能当电网电压含有较大谐波成分时，此法不能去除容性谐波电流，造成阻性谐波电流误差；去除容性谐波电流，造成阻性谐波电流误差；3 3）PT本身存在角差，无法完全补偿
16、掉容性电容，本身存在角差，无法完全补偿掉容性电容，影响测量结果。影响测量结果。三相三相MOA成直线排列时，成直线排列时，相间耦合示意图相间耦合示意图补偿法的缺点补偿法的缺点相间耦合相间耦合 A相、相、B相间存相间存在着耦合电容在着耦合电容Cab，B相、相、C相间存在着耦合电容相间存在着耦合电容Cbc。A、C两相距离比两相距离比较远，认为相互之间没较远，认为相互之间没有耦合电容。有耦合电容。补偿法的缺点补偿法的缺点相间耦合（续）相间耦合（续）在测量边相在测量边相A相底部的电流时，主要是相底部的电流时，主要是A相外施电压相外施电压Ua经经A相相MOA所引起的容性所引起的容性分量分量IAc及阻性分量
17、及阻性分量IAr；另外还有临相；另外还有临相B相与相与A相间的杂散电容相间的杂散电容Cab所引起的容性所引起的容性干扰电流干扰电流Ib（C相距离相距离A相较远，其影响忽略）。画出相量图如下所示。相较远，其影响忽略）。画出相量图如下所示。A相相“视在视在”阻性电流增大阻性电流增大补偿法的缺点补偿法的缺点相间耦合（续）相间耦合（续）对对C、B两相阻性电流的影响两相阻性电流的影响C相相“视在视在”阻性电流减小阻性电流减小B相相“视在视在”阻性电流基本不变阻性电流基本不变C相相B相相补偿法的缺点补偿法的缺点相间耦合（续）相间耦合（续）解决思路解决思路A相相A相多转一个角度相多转一个角度C相少转一个角度
18、相少转一个角度补偿法的缺点补偿法的缺点电网电压存在较大谐波电网电压存在较大谐波施加在施加在MOA上的电压含有谐波：上的电压含有谐波：流过流过MOA的容性电流为：的容性电流为：流过流过MOA的阻性电流为：的阻性电流为：本身的非线本身的非线性引起的性引起的电网谐波电电网谐波电压引起的压引起的补偿法的缺点补偿法的缺点电网电压存在较大谐波电网电压存在较大谐波解决思路解决思路1基波法基波法 基次谐波分析法的主要依据是:在正弦波电压作用下，MOA 的阻性电流中只有基波电流作功产生功耗；另外，无论谐波电压如何，阻性基波电流都是一个定值。因此全电流经数字谐波分析，提取基波进行阻性电流分解,就可以得到阻性电流的
19、基波，根据阻性电流基波所占比例的变化来判断MOA 的工作状态。基波法的缺点 基次谐波分析法可以监测阻性电流基波的变化，但实际运行经验和实验结果表明，阻性电流的高次谐波在一些情况下能灵敏地反映MOA 的状态。 MOA阀片的老化，导致其非线性特性变差，主要表现在系统正常运行电压下阻性电流高次谐波分量显著增大，而阻性电流基波分量相对增加较少；MOA阀片的受潮，主要表现在正常运行电压下阻性电流基波分量显著增大，而阻性电流谐波分量增加相对较小。因此，对阻性电流及其谐波的测量可以较为准确的判别MOA的运行状况及其性能下降的原因。 补偿法的缺点补偿法的缺点电网电压存在较大谐波电网电压存在较大谐波解决思路解决
20、思路1补偿法的缺点补偿法的缺点电网电压存在较大谐波电网电压存在较大谐波解决思路解决思路2采用阻容分压原理的采用阻容分压原理的电场探头提取补偿信号电场探头提取补偿信号 常规补偿法在线监测MOA时，补偿容性电流的信号都是从PT取得的。PT可等效成一电容分压器，因此PT所取得的补偿信号在任何频率下增益的大小是相同的。而实际上，流过MOA的容性电流对于不同频率，增益的大小不相等，它是与频率成正比的。因此用PT取补偿信号，除存在角差及安全性较差外，一很大的缺陷就是：其补偿信号的增益是由能否完全补偿掉基波容性电流来确定的，因此不能将电网电压谐波引起的各次容性电流谐波分量完全补偿掉，从而无法正确的判断MOA
21、的运行状况。 采用阻容分压原理的电场探头提取补偿信号采用阻容分压原理的电场探头提取补偿信号阻容分压器的阻抗远远小于其容抗，因此从电阻上流过的电流信号阻容分压器的阻抗远远小于其容抗，因此从电阻上流过的电流信号Ip为：为：流过流过MOA避雷器的容性电流为：避雷器的容性电流为： 阻容分压器产生的补偿信号：阻容分压器产生的补偿信号：PT产生的补偿信号：产生的补偿信号：采用阻容分压原理的电场探头提取补偿信号采用阻容分压原理的电场探头提取补偿信号优点优点仍然无法补偿掉电网电压谐波对MOA阻性电流谐波成分的影响。采用阻容分压原理的电场探头提取补偿信号采用阻容分压原理的电场探头提取补偿信号缺点缺点 模拟计算，
22、结果表明当含模拟计算，结果表明当含1.5%的三次谐波时，引起的三次谐波时，引起的阻性电流各项值的最大变化为：平均值变化的阻性电流各项值的最大变化为：平均值变化1.26%、峰值变化峰值变化5.1%、有效值变化、有效值变化2.8%；当含；当含5%的三次谐波的三次谐波时，引起的各项值的最大变化为：平均值变化时，引起的各项值的最大变化为：平均值变化23.8%、峰值变化峰值变化22.6%、有效值变化、有效值变化21.9%；这显然会对；这显然会对MOA劣化的判断造成一定的困难，甚至是误判。劣化的判断造成一定的困难，甚至是误判。 国标中规定标称电压为国标中规定标称电压为0.38kV时，奇次谐波含有率时，奇次谐波含有率4.0%；标称；标称电压为电压为110kV以上时，奇次谐波含有率以上时，奇次谐波含有率1%。因此，在较高的电。因此，在较高的电压等级（压等级（110kV以上）下，谐波含量较小，对测量的影响较小。以上）下，谐波含量较小，对测量的影响较小。 其它相关问题简单介绍其它相关问题简单介绍污秽、湿度、降雨等的影响污秽、湿度、降雨等的影响基于温度测量的在线监测技术基于温度测量的在线监测技术Thanks！
