覆雪冻融过程氧化锌避雷器泄漏电流测试分析

朱弘钊，刘劲松，高 旭，王 建，马勤勇，邓 慰

（1.南瑞集团有限公司，南京 211000；2.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉 430074；3.国网新疆电力公司，乌鲁木齐 830011）

0 引言

氧化锌避雷器是电力系统的重要保护设备，运行状态一直得到电网运行人员的重视[1-3]，相关的在线监测和带电检测手段较多[4-6]。

氧化锌避雷器监测与检修的结果易受到环境温度的影响。张嘉旻等在监测避雷器的运行状态时，注意到了环境温度对结果的影响，揭示了避雷器的状态参量与环境温度之间的关系[7]。彭珑等研究了金属氧化物避雷器电阻片的温度分布规律[8]。王振宁在分析内蒙古地区避雷器的监测数据时，认为该区域昼夜温差较大，可高达20℃，环境温度会导致泄漏电流的监测数据发生突变，导致避雷器在线监测的结果误判[9]。

覆冰条件下避雷器的监测研究相对较少，仅见Kannus等的报道[10-11]，这些研究者测量了覆冰条件下避雷器内外的泄漏电流，当覆冰的电导率大于500 μS/cm时，避雷器外部泄漏电流较大，电导率远小于500 μS/cm时，内部泄漏电流略高。Kojima等发现密度在0.30～0.35 g/cm3之间、电阻率在60～100 MΩ·cm之间的自然雪覆盖时，受到自然雪桥接的影响，表面电势分布有显著的变化[12]。多数研究者研究覆冰情况下的电网设备，倾向研究绝缘子[13-14]，较为有名的专著以Farzaneh和Chisholm等为代表[13]，他们详细论述了覆冰积雪对户外绝缘子的影响。本文利用新疆西部区域的天然环境，直接采用造雪机模拟户外条件，模拟测量氧化锌避雷器的泄漏电流，通过对比避雷器的阻性电流和容性电流，来分析覆雪冻融过程避雷器的泄漏电流影响因素。

1 实验设置与分析方法

1.1 实验设置

新疆西部区域某750 kV主变压器66 kV低压侧电抗器的避雷器容易受到当地极端气候的影响，特别是覆雪后冻融过程容易导致避雷器的误动作。该主变66 kV低压侧的系统接线图见图1。

图1 系统图Fig.1 System diagram

根据系统图，模拟覆雪冻融过程避雷器的电流实验设置见图2，采用试验变压器（型号：YDTW-500/500；厂家：扬州鑫源）给母线加压。电压信号由母线电压互感器（potential transformer，PT）获取到；覆雪冻融过程避雷器的泄漏电流信号由避雷器接地线的穿芯式电流传感器获取得出。实验采用66 kV常用复合外套避雷器（型号：YH5W-96/250；厂家：南阳金冠），见图3。通过盐分来调节覆冰用水的电导率，直接采用造雪机模拟户外条件，实验过程参考文献[15]。

图2 实验设置Fig.2 Experiment settings

图3 实验用避雷器Fig.3 Surge arrester in experiments

1.2 分析方法

根据1.1提及的方法，采集的典型泄漏电流见4。采集到的泄漏电流含有阻性电流和容性电流。采用容性电流补偿法分析覆冰避雷器的泄漏电流[9]。正常运行中的电压u中含有谐波，采用式（1）表示：

式中：U1为基波的有效值；ω1为基波的有效值；Un为n次谐波的有效值；ωn为n次谐波的有效值；φn为n次谐波的初始相角；n是谐波的次数。

电流中的容性电流分量iC见式（2）：

式中：iC1为容性基波分量的有效值；iCn表示容性n次谐波分量的有效值，容性电流的谐波分量非常小，可以忽略。

图4 典型泄漏电流图Fig.4 Typical diagram of leakage current

电流中的阻性电流分量iR同样含有基波和谐波分量，见式（3）：

考虑到5次以上电阻谐波分量非常小，可以忽略。所以式（3）可表达为

式中：iR1表示阻性基波分量的有效值；iR3表示阻性3次谐波分量的有效值。

2 实验结果及分析

2.1 温度因素

新疆地区西部区域温度变化剧烈，每年冬春季节容易出现覆雪的冻融情况，这种情况下容易引起避雷器误动作。图5为该区域2017年3月1日到3月16日该变电站的温度分布情况，日最高温度在3℃左右，日最低温度普遍在0℃以下。

图5 3月上旬温度分布情况Fig.5 Temperature distribution in the first half of March

利用该区域的天然环境，直接采用造雪机模拟户外条件，测量氧化锌避雷器的泄漏电流，覆雪水的电导率控制在1000 μS/cm，在温度稳定的时候进行试验。试验所得的环境温度与泄漏电流之间关系见图6。从图中可得出：1）避雷器的阻性电流和容性电流均随着温度成饱和上升趋势；2）温度在0℃左右时，容性电流达到饱和；3）温度小于-2℃左右时，阻性电流比容性电流大，但是温度超过-2℃左右时，容性电流大于阻性电流。

图6 温度因素的影响Fig.6 The effect of temperature

Kojima等[12]认为避雷器受到自然雪桥接的影响，避雷器的电场发生改变，避雷器表面的闪络放电可能性上升。避雷器表面也会受到覆雪反复融解-结冰过程形成的桥接影响。这种影响在-2℃左右开始，在0℃左右最为明显，0℃左右容易出现这种桥接，但是温度超过0℃，融解过程占上风，此时出现了阻性电流和容性电流均随着温度成饱和上升趋势，温度接近或者超过0℃左右，融解过程会引起避雷器表面的阻值降低，容性电流上升，超过阻性电流。

2.2 电导率因素

当温度稳定在-1～0℃时，研究覆雪水的电导率对避雷器泄漏电流的影响见图7。从图7中可看出：1）避雷器的阻性电流和容性电流亦随着覆雪水的电导率成饱和上升趋势；2）在电导率为1000 μS/cm时，阻性电流和容性电流均达到饱和；3）电导率小于500 μS/cm左右时，阻性电流比容性电流大，但是超过500 μS/cm左右时，容性电流比阻性电流略大，相关的结论跟Kannus[10-11]的结论相似。

图7 电导率因素的影响Fig.7 The effect of conductivity

Kannus等[10-11]认为电导率大于500 μS/cm时，避雷器外部由于覆雪电导率降低有闪络风险，而小于500 μS/cm时，阻性电流和容性电流存在动态平衡，闪络难以发生。实际上可以这样认为，覆雪水在低于500 μS/cm时，可以认为覆雪水是干净的状态，所以闪络难以发生，而随着电导率增加，覆雪水实际上可以当作污秽，这样情况下闪络的可能性增加，外部泄漏电流增加。为了分析覆冰雪表面的放电发展，Farzaneh等[16]采用同步触发式电荷耦合照相机（charge coupled device，CCD）来分析了放电发展的速度。在电压约为50 kV时，覆冰雪表面放电发展速度为1500 km/s，该速度远大于放电在空气中的传播速度（约500 km/s）。Farzaneh等以正流注来阐述覆冰表面放电发展，流注放电中的正离子、负离子和电子会被覆冰雪表面的冰晶颗粒俘获（图8中（a）和（b）过程），该行为一定程度上削弱了覆冰雪表面流注的发展，但是流注前端覆冰表面的光致发射、场致电离和碰撞电离（图8中（c）过程）几率会增加，有利于覆冰雪表面流注的电子崩产生和发展，这样加快了表面放电的速度，Deng等[17]也有类似的分析。

Fig.8 覆冰表面放电发展示意图Fig.8 Schematic diagram of discharge on ice surface

2.3 应对措施分析

根据前面的研究，提升避雷器运行的现场安全，减少覆雪避雷器的闪络有两个途径：1）可参考文献[18]，避雷器的复合绝缘伞形可以选择大小伞交替分布的结构，减少覆雪反复融解-结冰过程形成的桥接影响，降低避雷器表面的闪络放电可能性；（2）通过冬季覆雪前清扫绝缘伞裙，减少污秽附着，来降低覆雪水的电导率。

3 结论

1）避雷器的阻性电流和容性电流均随着温度成饱和上升趋势，在0℃左右达到饱和。

2）温度小于-2℃左右时，阻性电流比容性电流大，但是超过-2℃左右时，容性电流比阻性电流大。

3）避雷器的阻性电流和容性电流亦随着覆雪水的电导率成饱和上升趋势，电导率为1000 μS/cm时，达到饱和。

4）电导率小于500 μS/cm左右时，阻性电流比容性电流大，但是超过500 μS/cm左右时，容性电流比阻性电流大。