邢 超，趙 軍，劉 濤，楊 樺，楊世博，王 輝

(1.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,石家莊 050021；2.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司保定供電分公司，河北 保定 071000；3.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司檢修分公司，石家莊 050011；4.河北省送變電有限公司，石家莊 050000)

0 引 言

金屬氧化物避雷器(以下簡(jiǎn)稱:避雷器)具有非線性、通流量大、殘壓低等優(yōu)異的保護(hù)性能，成為電力系統(tǒng)中重要的過(guò)電壓保護(hù)設(shè)備[1-3]。因其運(yùn)行環(huán)境惡劣，長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中易發(fā)生絕緣受潮、閥片老化等缺陷。相關(guān)研究表明，避雷器阻性電流相較于全電流能夠更加靈敏反映避雷器早期老化、受潮、劣化和熱崩潰[4-7]，因而阻性電流的檢測(cè)尤為關(guān)鍵?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)阻性電流使用的方法分為檢修電源法、感應(yīng)板法、PT二次法[8]。檢修電源法測(cè)試時(shí)需接入檢修電源箱的電壓信號(hào)作為相位參考，易受負(fù)荷接入、站用變壓器角差及系統(tǒng)運(yùn)行方式等影響，電壓信號(hào)角度波動(dòng)較大，影響測(cè)試數(shù)據(jù)連續(xù)性和準(zhǔn)確度，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較少。感應(yīng)板法測(cè)試時(shí)通過(guò)感應(yīng)板的電場(chǎng)感應(yīng)效應(yīng)獲取避雷器運(yùn)行電壓相位，由于感應(yīng)板對(duì)自身所處高度及角度極其敏感，其位置稍有改變時(shí)，獲取的運(yùn)行電壓相位隨即改變，造成測(cè)試結(jié)果不確定性很大，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用也很少。PT二次法測(cè)試時(shí)接入PT二次側(cè)電壓作為相位參考，是目前比較準(zhǔn)確的測(cè)試方法，然而在操作方面，由于要在PT二次端子箱中進(jìn)行接線，存在誤碰、誤短路二次端子造成設(shè)備跳閘的重大隱患[9]，個(gè)別單位甚至已經(jīng)禁止對(duì)運(yùn)行中的PT二次端子箱進(jìn)行該類操作，客觀上也使得該方法的應(yīng)用具有一定的局限性。集中帶電檢測(cè)期間，數(shù)量有限的技術(shù)人員要在短時(shí)間內(nèi)檢測(cè)數(shù)量巨大的避雷器，且每次檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)都需要電氣二次人員配合接入PT二次端子，檢測(cè)效率低，且容易出現(xiàn)人員觸電、誤碰短路引發(fā)電網(wǎng)跳閘事故，因此，如何安全、快速、準(zhǔn)確測(cè)試避雷器阻性電流，成為當(dāng)前避雷器測(cè)試工作急需解決的問(wèn)題。

1 基本測(cè)試原理

將避雷器全電流信號(hào)IA在避雷器運(yùn)行電壓信號(hào)U上進(jìn)行投影即可得到避雷器阻性電流IR[10-12]，見(jiàn)圖1所示。

U:避雷器運(yùn)行電壓(與避雷器處于同一母線或線路的電壓互感器運(yùn)行電壓);IA:避雷器全電流;α:U與IA的夾角;U2:電壓互感器二次端子電壓;θ：U與U2夾角

因此測(cè)試時(shí)關(guān)鍵是如何獲取避雷器運(yùn)行電壓信號(hào)的相位信息。避雷器運(yùn)行電壓信號(hào)可由與避雷器處于同一母線(或線路)的電磁式(或電容式)電壓互感器獲得。而電壓互感器的運(yùn)行電壓相位信息可通過(guò)電壓互感器二次端子電壓獲得，如圖2所示，通常U與U2相位差θ很小，可以認(rèn)為U與U2相位一致。測(cè)試避雷器阻性電流時(shí)，只需獲得電壓互感器的二次端子電壓U2相位即可。

ICVT:CVT整體接地電流;ICT:CT末屏接地電流;δ1:CT介質(zhì)損耗角;δ2:CVT介質(zhì)損耗角

由于電壓互感器二次端子火線和零線之間距離較近，測(cè)試時(shí)稍不注意極易造成二次端子短路，嚴(yán)重時(shí)甚至觸發(fā)保護(hù)裝置誤動(dòng)作，因此采用PT二次法測(cè)試時(shí)存在電網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)。

2 新測(cè)試方法探索

測(cè)試的關(guān)鍵是獲取避雷器運(yùn)行電壓的相位，對(duì)于電容型設(shè)備，如果其介質(zhì)損耗角δ1(或δ2)足夠小，則可認(rèn)為其接地電流信號(hào)和電壓信號(hào)U的相位差為90°，見(jiàn)圖2所示。因此考慮采用與避雷器處于同一母線(或線路)的電容式電壓互感器(以下簡(jiǎn)稱：CVT)的接地電流信號(hào)或電流互感器(以下簡(jiǎn)稱：CT)的末屏電流信號(hào)作為避雷器阻性電流測(cè)試時(shí)的參考相位信號(hào)，見(jiàn)圖3所示，只需將此信號(hào)角度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°即可獲得避雷器運(yùn)行電壓信號(hào)角度。

U:避雷器運(yùn)行電壓;IA:避雷器全電流;ICVT:CVT整體接地電流;N:CVT最下節(jié)電容接地端子;X:CVT電磁單元變壓器一次繞組接地端子;ICT:油浸式或氣體絕緣式CT末屏接地電流

3 基于CT末屏接地電流信號(hào)測(cè)試阻性電流

為保證計(jì)量準(zhǔn)確度及避免二次線圈短路時(shí)造成保護(hù)裝置動(dòng)作，采用PT二次法測(cè)量避雷器阻性電流時(shí)通常選擇PT二次測(cè)量線圈，而不選擇保護(hù)線圈及計(jì)量線圈。

JJG 314-2010《測(cè)量用電壓互感器檢定規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于0.1級(jí)～0.5級(jí)的測(cè)量用電壓互感器的誤差限值要求見(jiàn)表1。

表1 測(cè)量用電壓互感器的誤差限值Table 1 Error limit ofinstrument voltage transformer

由表1可見(jiàn)，電力系統(tǒng)中常用0.1～0.5級(jí)的電壓互感器，在額定頻率、額定功率因數(shù)及二次負(fù)荷為額定二次負(fù)荷的25%～100%之間的任一數(shù)值時(shí)，80%～120%額定電壓下其角差范圍(一二次電壓相位誤差)在±5′至±20′之間。因此，采用PT二次法測(cè)試阻性電流時(shí)，對(duì)于準(zhǔn)確度最低的0.5級(jí)的電壓互感器來(lái)說(shuō)，其一二次電壓相位差最大，為±20′。

對(duì)于絕緣良好的110(66)kV～1 000 kV油浸式電流互感器，其介質(zhì)損耗角正切值110(66)kV允許限值最高，為0.008，見(jiàn)表2所示，折合成介質(zhì)損耗角其角度為27.5′。事實(shí)上，對(duì)于絕緣良好的油浸式電流互感器，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)其介質(zhì)損耗角正切值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求，介質(zhì)損耗角一般會(huì)遠(yuǎn)低于20′。

表2 油浸式電流互感器介質(zhì)損耗角正切值Table 2 Dielectric loss tangent of oil-immersed current transformer

因此，筆者認(rèn)為采用油浸式電流互感器末屏接地電流相位來(lái)推測(cè)避雷器運(yùn)行電壓相位是可行的。

4 不同介質(zhì)損耗角下避雷器阻性電流測(cè)試情況

電壓互感器角差一經(jīng)設(shè)定完成后比較穩(wěn)定，日常運(yùn)行不會(huì)發(fā)生很大變化。因此用PT二次法測(cè)試避雷器阻性電流數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較好。

對(duì)于絕緣良好的電流互感器，其介質(zhì)損耗角也比較穩(wěn)定，由電流互感器末屏接地電流相位來(lái)推測(cè)避雷器運(yùn)行電壓是可以接受的。

當(dāng)電流互感器絕緣劣化，必須考慮其介質(zhì)損耗角時(shí)，由此得出的避雷器阻性電流會(huì)有所變化，見(jiàn)圖4所示。當(dāng)考慮介質(zhì)損耗角時(shí)，避雷器阻性電流測(cè)試值會(huì)比不考慮介質(zhì)損耗角的測(cè)試值要大，介質(zhì)損耗角越大，阻性電流測(cè)試值會(huì)越低于真實(shí)值。當(dāng)采用絕緣劣化的電流互感器末屏接地電流信號(hào)測(cè)試避雷器阻性電流時(shí)，阻性電流測(cè)試值將小于實(shí)際值，此時(shí)避雷器的絕緣狀態(tài)可能會(huì)被樂(lè)觀估計(jì)。

IallCT_a:電流互感器末屏接地電流;IR′:不考慮介質(zhì)損耗角時(shí)測(cè)得的避雷器阻性電流;U_a:考慮介質(zhì)損耗角時(shí)獲取的避雷器運(yùn)行電壓;U_s:不考慮介質(zhì)損耗角時(shí)獲取的避雷器運(yùn)行電壓;

由圖4可以看出，考慮介質(zhì)損耗角時(shí)，避雷器阻性電流為：

IR=IAcosα

(1)

不考慮介質(zhì)損耗角時(shí)，避雷器阻性電流為：

IR=IAcos(α+δ)

(2)

不同δ下，IR′/IR的值見(jiàn)圖5所示，在δ為20′-50′范圍內(nèi)時(shí)，不同α角度下的測(cè)得值均比真實(shí)值要小。α較小時(shí)，δ的增大對(duì)測(cè)試值的影響較小，IR′基本等同于IR。隨著α的增大，δ的變化對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響越來(lái)越顯著，尤其是在88°、89°范圍里，測(cè)得值只占到實(shí)際值的83%以下，極大影響數(shù)據(jù)的分析和避雷器絕緣狀態(tài)的判斷。在α為89°，δ為30′及以上時(shí)，測(cè)試值僅占實(shí)際值的50%以下。

圖5 不同α、δ角度下阻性電流測(cè)得值和真實(shí)值得比值Fig.5 Ratio of measured value and true value of resistive current under different α and δ angles

由圖5可以看出，在α較大時(shí)，即使避雷器本身絕緣沒(méi)有問(wèn)題，受δ影響(電流互感器絕緣狀態(tài)影響)，用測(cè)得值來(lái)判斷避雷器絕緣狀態(tài)也會(huì)發(fā)生誤判，誤認(rèn)為避雷器絕緣狀態(tài)良好。以α為88°為例，當(dāng)CT介質(zhì)損耗角為20′，阻性電流測(cè)試值占真實(shí)值的83%，當(dāng)CT介質(zhì)損耗角為50′時(shí)，阻性電流測(cè)試值僅占真實(shí)值的58%。

因此測(cè)試時(shí)，建議選擇A、B、C相中至少兩相CT末屏接地電流信號(hào)作為參考信號(hào)測(cè)試避雷器兩次數(shù)據(jù)，從而避免其中一相CT絕緣有問(wèn)題時(shí)數(shù)據(jù)誤判。測(cè)試時(shí)建議輸入兩路CT末屏接地電流參考信號(hào)，分別測(cè)試各路參考信號(hào)下的阻性電流，若兩路參考信號(hào)下測(cè)得的阻性電流基本一致，則可以推斷所測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，若不一致則需分析是避雷器的絕緣狀態(tài)改變還是CT的絕緣狀態(tài)改變。此種作法的一個(gè)附加好處是測(cè)試避雷器時(shí)有可能會(huì)發(fā)現(xiàn)CT絕緣缺陷。

綜上所述，合理使用CT末屏接地電流作為參考信號(hào)測(cè)試金屬氧化物避雷器阻性電流的準(zhǔn)確度應(yīng)該等同于甚至優(yōu)于PT二次法，且測(cè)試方法安全簡(jiǎn)單，僅需使用鉗形電流互感器獲取CT末屏接地電流信號(hào)相位即可。

5 基于CVT接地電流信號(hào)測(cè)試阻性電流

對(duì)于CVT類設(shè)備，分析原理與CT類設(shè)備相似。但由于其介質(zhì)損耗角更加微小，其接地電流較CT末屏接地電流更大，此種方法抗干擾性更強(qiáng)。

6 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)選取某220 kV變電站進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試，變電站220 kV CT末屏接地和CVT接地均進(jìn)行了改造，末屏通過(guò)長(zhǎng)接地引下線引出后接地，CVT將N端通過(guò)長(zhǎng)接地引下線引出后接地。分別使用PT二次法、容性設(shè)備接地電流法對(duì)同一組避雷器進(jìn)行了阻性電流測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3所示。測(cè)試時(shí)通過(guò)鉗形電流互感器卡入接地引下線中獲取接地電流相位信號(hào)。

表3 不同測(cè)試方法下避雷器阻性電流測(cè)試結(jié)果Table 3 Test results of resistive current of metal oxide surge arresters under different measurement methods

由表3可見(jiàn)，在3種取樣部位對(duì)參考信號(hào)進(jìn)行取樣，測(cè)試同一組避雷器時(shí)，每相阻性電流測(cè)試結(jié)果無(wú)較大差異，均可以以其中一種測(cè)試方法所得數(shù)據(jù)進(jìn)行避雷器狀態(tài)的分析和判斷,C相避雷器由于受相間及電磁干擾作用[13-15]，阻性電流數(shù)據(jù)極小，此時(shí)需考慮采用其他方法綜合分析判斷C相避雷器絕緣狀態(tài)。

7 結(jié) 論

采用容設(shè)備接地電流作為參考信號(hào)測(cè)試避雷器阻性電流方法可行，其與采用PT二次法測(cè)試結(jié)果基本等同。由于無(wú)需對(duì)PT二次端子進(jìn)行操作，有效避免了PT二次短路風(fēng)險(xiǎn)，人員和安全。

測(cè)試不同線路的避雷器時(shí)，只需將參考電流信號(hào)接入處于同一母線下的一組CVT或CT即可，無(wú)需頻繁更換接線，即可測(cè)試完畢所有處于同母線下的避雷器。

CT和CVT的介質(zhì)損耗角δ在α角度較小時(shí)不會(huì)對(duì)阻性電流測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生實(shí)質(zhì)影響，但在α角度較大時(shí)應(yīng)注意考慮。