收稿日期： 2014-07-20作者简介： 张 雨 （1988—）， 男， 硕士， 主要研究方向为电力系统防雷及接地技术。35 kV 氧化锌避雷器直流 1 mA 电压值试验分析张雨1， 朱泽慧1， 张春辉2， 杨匀阳1， 夏斌1（1. 长沙理工大学电气与信息工程学院， 长沙 410076； 2.长沙信长电力科技有限公司， 长沙 410076）摘要： 为了准确测量 35 kV 氧化锌避雷器直流 1 mA 电压值， 在分析氧化锌电阻片基本特性的基础上， 通过模拟试验仿真， 傅里叶函数变换以及对几组 35kV 避雷器的现场试验， 分析了试验时有无滤波电容对测量的影响。 分析结果表明， 在无滤波电容试验时， 直流 1 mA 电压值降低 20%左右， 且试验后绝...
收稿日期： 2014-07-20作者简介： 张 雨 （1988）， 男， 硕士， 主要研究方向为电力系统防雷及接地技术。35 kV 氧化锌避雷器直流 1 mA 电压值试验分析张雨1， 朱泽慧1， 张春辉2， 杨匀阳1， 夏斌1（1. 长沙理工大学电气与信息工程学院， 长沙 410076； 2.长沙信长电力科技有限公司， 长沙 410076）摘要： 为了准确测量 35 kV 氧化锌避雷器直流 1 mA 电压值， 在分析氧化锌电阻片基本特性的基础上， 通过模拟试验仿真， 傅里叶函数变换以及对几组 35kV 避雷器的现场试验， 分析了试验时有无滤波电容对测量的影响。 分析结果表明， 在无滤波电容试验时， 直流 1 mA 电压值降低 20%左右， 且试验后绝缘电阻测量值明显下降。 而有滤波电容试验时， 输出电压更接近恒定的直流电压， 且电容值越大， 波动系数越小， 测量结果越准确。 但对于 35 kV 氧化锌避雷器试验， 考虑电容的充电时间， 依据经验建议其电容值取 0.3~1.0 F 为宜。关键词： 氧化锌避雷器； 高压试验器； 直流 1 mA 电压值； 滤波电容； 绝缘电阻Analysis on the Test about 1mA DC Voltage Value of 35 kV MOAZHANG Yu1, ZHU Zehui1, ZHANG Chunhui2, YANG Yunyang1, XIA Bin1（1. College of Electrical & Information Engineering， Changsha University of Science and Technology， Changsha 410076，China； 2. Changsha Xinchang Electric Technology Company， Changsha 410076， China）Abstract: In order to accurately measure the 1mA DC voltage value of 35kV MOA, based on theanalysis of the basic characteristics of MOA, the influence on the test of presence or absence of filtercapacitor is analyzed, by test simulation and Fourier transformation; even several groups of 35kV MOAare tested in the field. The results show that when there is no filter capacitor in the test, 1mA DCvoltage value decreases by about 20%, and the insulation resistance measurements decrease significantlyafter the test. When tested with the filter capacitor, the output voltage is more nearly constant DCvoltage, and the greater the capacitance value, the smaller the fluctuation coefficient, the more accuratemeasurement results. But for the test of 35kV MOA, considering the charging time of the capacitor, thecapacitance is suggested to value 0.3 ~ 1.0 F based on the experience.Keywords: MOA; high voltage tester；1mA DC voltage value；filter capacitor；insulation resistance0引言河南省某电力局曾发生了一起预防性试验时氧化锌避雷器(简称 MOA)大面积“不合格”的事件，事件的经过是对站内所有 10 kV 和 3 5kV 避雷器进行直流 1mA 电压（U1mA）及 0.75 U1mA下的泄漏电流试验， 试验后使用 2 500 V 绝缘摇表测量避雷器的绝缘电阻， 发现直流 1mA 电压值与绝缘电阻均不达标，从而确定避雷器“不合格”。然而，通过调查与分析，避雷器“不合格”的原因不是避雷器电阻片老化或受潮而导致的避雷器起始动作电压值 （通常以通过 1mA 直流电流时的电压U1mA作为起始动作电压）与绝缘电阻降低，而是避雷器 1mA 电压值试验不规范，试验时没有在避雷器两端并联滤波电容器， 造成试验结果不准确以及试验后绝缘电阻测量值下降。 下面首先从氧化锌避雷器的基本特性开始分析。1ZnO 避雷器基本特性氧化锌（ZnO）避雷器是 20 世纪 70 年代初开始2015 年第 3 期 （总第 265 期）2015 年 6 月电瓷避雷器Insulators and Surge ArrestersNo3. 2015 （Ser.№.265）Jun. 2015DOI：10.16188/j.isa.1003-8337.2015.03.021骳髆髙 2015 年第 3 期电瓷避雷器（总第 265 期）出现的一种新型避雷器。 由于 ZnO 电阻片具有优异的非线性伏安特性， 且造价低廉而得到越来越广泛的应用。 ZnO 电阻片的等效电路如图 1 所示。 其中，C 是电阻片固有电容，RV是电阻片非线性电阻，R是电阻片固有电阻[1-2]。 在直流 1mA 电压值试验中，如果输出电压是恒定的直流， 固有电容 C 不导通，避雷器电阻片呈现完整的非线性特征， 即输出电压越高，RV越小， 而且一旦过电压消失，RV迅速增大，电阻片恢复绝缘状态； 但是当输出电压含有交流成分，或高次谐波分量时，固有电容呈现电抗特征与非线性电阻并联，阻抗值相对下降，从而影响直流试验的测量结果。ZnO 电阻片的伏安特性，如图 2 所示，在 1mA-5kA 的范围内呈现出良好的非线性。图中，ZnO 电阻片的伏安特性可分为三个典型区域。 区域Ⅰ为低电场区，电流密度与电场强度的开方成正比，非线性系数 约为 0.1～0.2；区域Ⅱ为中电场区，非线性电阻Rv 减小，非线性系数 大为下降，为 0.01～0.04；区域Ⅲ为高场强区，本体电阻 R 起主要作用，电流与电压成正比，伏安特性曲线向上翘。 其中，在接近拐点 A 处，有电流为毫安级的残压值 UNmA，一般 N=1，即 1mA 直流电流通过电阻元件时，在其两端所测得的直流电压值，称为 MOA 的起始动作电压[1]。 当电力系统中出现内过电压或雷电过电压时， 非线性电阻 Rv 急剧减小，到达拐点 B 处，并迅速将过电压进行泄放。而且过电压泄放之后，氧化锌避雷器能迅速恢复绝缘，即 Rv 急剧增大，又回到拐点 A 处以下，也就使工频续流降至 1mA 以下，可忽略不计。2仿线mA 电压值试验有无滤波电容，输出电压在避雷器两端波形的差异，有必要进行试验的模拟仿真分析。 试验时采用交直流高压试验变压器， 它是在试验变压器的基础上按照国家标准《JB/T 96411999 试验变压器》 经过改进后而生产的一种新型产品， 其整流原理是工频高压经高压硅堆整流（半波整流）后获得。因此，通过电磁暂态仿真软件 ATPDraw，选择电路元件源，二极管，电容以及 MOA（MOA 的伏安特性按三个典型区域不同的非线性系数 选取）， 组成半波整流滤波仿线mA 电压值试验，如图 3 所示。单相工频交流电运行之后得到有滤波电容时， 避雷器两端的暂态电压波形，如图 4 所示。 去掉并联的滤波电容，再次运行得到无滤波电容时避雷器两端的电压波形，如图 5 所示，高压硅堆的导通电压忽略不计。由图 4、图 5 可知，试验时如果没有并联滤波电容， 那么试验变压器输出在避雷器两端的电压是脉动的直流电压，是一个周期为 2，始终有半个周期电压值为零的波形。虽然电压是单一方向的，但是含有较大的交流成分，不能满足试验要求。而当试验中有并联滤波电容时， 那么输出的电压波形将由脉动图 3避雷器直流 1mA 电压值试验仿线Circuit simulation on test about 1mA DC voltagevalue of 35 kV MOA图 4有滤波电容时的电压波形Fig. 4Voltage waveform with filter capacitor图 2氧化锌电阻片的伏安特性Fig. 2Volt-ampere characteristics of MOA图 1氧化锌电阻片的等效电路Fig. 1Equivalent circuit of MOA骳髆髚 图 5无滤波电容时的电压波形Fig. 5Voltage waveform without filter capacitor的直流电压变成平滑的直流电压，在理想情况下，滤去了所有交流成分，而只保留直流成分。在有滤波电容的情况下，当达到稳定状态时，电压波形与暂态时的不同，电容将处于周期性地充电与放电，所以电压波形是一个在某个恒定的电压值附近波动， 波动系数与电容值大小有关。 因此，滤波电容值越大，电压波形的波动系数越小，越接近恒定的直流电压，测量结果越准确。3数学计算分析由模拟仿真波形可知， 高压试验器输出的直流电压，是通过单相半波整流变换而来。设高压试验器中变压器的输出电压有效值为 U， 则其瞬时值=2姨硅堆中的高压二极管外加正向电压而处于导通状Usin t，整流之后瞬时值为 u0。 在 u 的正半周，态，u0=u=堆中的高压二极管外加反向电压而处于截止状态，u0=0（wt=~2）。 那么其电压波形函数是一个周期为 2 的周期函数，表达式为2姨Usin t（wt=0~）。 在 u 的负半周，硅f（x）=2姨Usin x， x（0，）0， x（，2）（1）由式（1-1）可知，函数在一个周期内满足狄利克雷条件，可进行傅里叶变换，令f（x）=a02+n=1（ancos nx+bnsin nx）其中，a0=0an=120乙f（x）cos nxdx=22姨U（n2-1）， n 为偶数0， n 为奇nnnnnnnnnnn数，n 为偶数bn=120乙f（x）sin nxdx=0所以，f（x）=22姨U（13cos 2x+115cos 4x++1n2-1cos nx），n=2，4，6，8。由傅里叶变换之后的电压函数可知， 在无滤波电容的情况下， 输出电压是由一系列偶次谐波组成的， 而偶次谐波是频率为工频交流基波频率的偶数倍，不是直流电压。由于氧化锌电阻片具有很大的介电常数（r=1000~2000），在正常工作电压或小电流下流过电阻片的主要是容性电流。 电阻片的等效电路主要是固有电容与非线性电阻的并联， 而电容具有通高频阻低频，通交流阻直流的特点。所以试验测量出流过避雷器的电流为 1 mA 时， 有滤波电容与无滤波电容的情况下，避雷器两端的电压分别是：U1=1 mA×RvU2=1 mA×Rv×a02Rv+1jwC因为并联时阻抗较小，所以 U1大于 U2，即在无滤波电容时测量的直流 1mA 电压值偏小。4现场试验2014 年 6 月， 在四川省沐川 35 kV 变电站防雷接地改造项目中， 更换了几组无间隙的氧化锌避雷器。 根据 DL 5961996 电力设备预防性试验规程和DL/T 474.52006 现场绝缘实验实施导则中对氧化锌避雷器试验的规定[3-4]，对从浙江某地购买的即将投入使用的几组 35 kV 氧化锌避雷器进行了直流 1mA电压（U1mA）值及 0.75 U1mA下 的泄漏电流等试验。由于避雷器在制造过程中可能存在缺陷而未被检查出来，如在空气潮湿的情况下装配出厂，预先带进潮气；在运输过程中受损，或者在运输中受潮等。这些劣化都可以通过预防性试验来发现， 从而防止避雷器在运行中的误动作和爆炸等事故。 所以该项试验有利于检查 MOA 直流参考电压及 MOA 在正常运行中的荷电率， 对判断额定电压选择是否合理及老化受潮状态都有十分重要的作用[5-7]。直流 1mA 电压值试验原理直流 1 mA 下的电压 U1mA及 0.75U1mA下泄漏电流的试验接线 所示， 与一般直流泄漏试验接线]。其中，调压器 T 和升压变压器 T1 采用市售的 YDJZ 成套交直流两用高电压试验器， 测量时将高压硅堆 VD 短路杆拔出。试验接线应加滤波电容 C， 由于单个电容器的电容值太大会使充电时间较长， 可将电容进行串联使用， 本次试验利用 3 个 1.42 F 的电容器进行串联，但是应注意接地侧的电容可置于地上，其余串联4.12015 年第 3 期35 kV 氧化锌避雷器直流 1 mA 电压值试验分析（总第 265 期）骳髆髛 2015 年第 3 期电瓷避雷器（总第 265 期）电容应置于绝缘子等有足够绝缘强度的绝缘材料上。 有底座的站内型无间隙氧化锌避雷器可置于地上测量，而线路型悬挂式的不方便竖着摆放，如果直接横着摆放在地上会存在较大测量误差，也应置于有足够绝缘强度的绝缘材料上，一端接地，一端接电源侧。 测量电流的导线应使用屏蔽线，接地线采用多股软铜线。试验步骤是先以指针式微安表检测泄漏电流值，升压过程中应先快后慢。当电流升至 1mA 时，停止升压确定此时电压值。 每做完一次测试之后，应记录数据，然后使用放电棒充分放电，以免发生安全事故。试验数据分析现场共对 2 组线 组站内型避雷器进行了试验， 型号分别为 HY5WX-51/134 和HY5WZ-51/134。 试验时的环境温度为 270℃，相对湿度为 68%。 试验设备正常，接线无误，测量线路型避雷器试验数据准确，如表 1 所示。 站内型避雷器试验数据如表 2 所示。表 1型号为 HY5WX-51/134 的避雷器试验数据4.2根据 GB 110322002 交流无间隙金属氧化物避雷器规程中的规定，35 kV 氧化锌避雷器直流1mA 电压值不低于 73 kV，0.75U1mA下的泄漏电流不大于 50 A，绝缘电阻不小于 1000 M[11]。由表中数据可知，仅依据绝缘电阻试验、直流 1mA 电压值试验及 0.75U1mA下的泄漏电流试验， 这五组避雷器均满足规程要求。 但残压试验值将超出规程要求，使避雷器失去应有的保护作用。 因为避雷器直流U1mA较大时，将导致避雷器的非线性与荷电率降低，使得避雷器可能在该动作时不能可靠动作， 或者动作时残压过高。笔者及所在团队曾在山西、福建等地处理过多起雷电波由 35 kV 架空线路侵入变电站打坏主变压器的事故， 事故的主要原因是线路型氧化锌避雷器均无动作。 氧化锌避雷器不动作是因为生产厂家将其起始动作电压值整定过高的缘故[12]。为了验证滤波电容的作用，做了一次试验，就是将滤波电容去掉，对 1 号避雷器进行了直流 1mA 电压试验，试验结果是 84 kV，降低了 21.05%，却接近厂家提供的数据。 接着使用绝缘摇表对该避雷器进行绝缘电阻试验， 发现绝缘电阻值只有 1000 M，降低了一半还多。 等待 5 min 左右，对该避雷器再一次摇绝缘， 发现其绝缘电阻值又大于 2500 M，即绝缘已经恢复。 虽然在去掉电容之后电压测量值及绝缘电阻测量值的结果仍满足规程要求， 但这是在生产这种避雷器时使用的绝缘过强的缘故。 由于一些避雷器生产厂家做避雷器试验时不规范， 提供的出厂试验报告不准确， 造成避雷器的防雷效果很不理想。5结论笔者分析了避雷器的基本特性， 对避雷器直流1mA 电压值波形进行模拟仿真，然后分析计算了试验中有无滤波电容时直流 1mA 电压值的大小比较，最后通过现场试验又验证了仿真与数学计算的结果。 分析之后可得出以下结论：1）在做避雷器直流 1mA 电压值试验时，如果没有并联滤波电容，将导致测量结果偏低，也将对避雷器的绝缘有所损伤，造成避雷器绝缘电阻测量值下降。2）市售的 YDJZ 成套交直流两用高电压试验器输出的电压不是完整的直流， 使得直流泄漏试验测量存在很大误差， 并联滤波电容能使输出电压接近恒定的直流电压，而且电容值越大，输出电压越接近表 2型号为 HY5WZ-51/134 的避雷器试验数据Table 2The MOA test data of HY5WZ-51/134序号直流 U1mA/kV 0.75U1mA下的泄漏电流/A绝缘电阻/M1106.810大于 2 500210610大于 2 5003105.510大于 2 5004105.510大于 2 500510410大于 2 500610610大于 2 5007104.715大于 2 500810210大于 2 500910310大于 2 500图 6测量 U1mA试验接线Wiring diagram on measuring the U1mAin the testTable 1The MOA test data of HY5WX-51/134序号直流 U1mA/kV 0.75U1mA下的泄漏电流/A绝缘电阻/M1106.410大于 2 5002106.210大于 2 500310710大于 2 500410710大于 2 500510815大于 2 500610710大于 2 500骳髆髜 恒定的直流，测量则越准确。3）考虑到滤波电容的充电时间，对于 35 kV 氧化锌避雷器试验，根据经验，建议其电容值取 0.3~1.0 F 为宜。参考文献：李景禄. 高电压技术[M]. 北京:中国水利水电出版社,2007.熊泰昌. 电力避雷器[M]. 北京：中国水利水电出版社，2013.[3] JB/T 8952-2005 交流系统用复合外套无间隙金属氧化物避雷器[S].DL596-1996 电力设备预防性试验规程[S].李顺尧. 金属氧化锌避雷器测试方法对比与分析[J].高压电器，2010（3）:94-97.[1][2][4][5]LI Shunyao. Comparison and Analysis of MOA Test Meth-ods[J]. High Voltage Apparatu，2010（3）:94-97.[6]李小建. 金属氧化物避雷器基本参数分析[J]. 高电压技术，2008，34（1）:37-39.LI Xiaojian. Analyzing the basic parameters of currents ofmetal oxide surge arrester[J]. High Voltage Engineering，2008，34（1）:37-39.[7]李庆玲. 氧化锌避雷器运行状况研究[D]. 兰州理工大学，2008.李景禄. 现代防雷技术[M]. 北京:中国水利水电出版社,[8]2009.[9]李景禄，李青山. 电力系统状态检修技术[M]. 北京:中国水利水电出版社，2011.[10] 张诚. 氧化锌避雷器试验方法的研究[D]. 东南大学，2005.[11] GB 11032-2002，交流无间隙金属氧化物避雷器[S].[12] 邓杰文，任文斌，张东，等. 某矿区瓦斯电厂 35 kV 进线遭受雷击事故分析与防雷措施研究 [J]. 电瓷避雷器，2012（6）:81-85.DENG Jiewen，REN Wenbin，ZHANG Dong，et al. Analysisand study on lightning accident and lightning protectionmeasures of 35 kV inlet wire of gas power plant in miningarea[J]. Insulators and Surge Arresters，2012（6）:81-85.2015 年第 3 期35 kV 氧化锌避雷器直流 1 mA 电压值试验分析（总第 265 期）骳髆髝
