金属氧化物避雷器原理结构选型试验.ppt

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1、避雷器及其试验,主要内容,1)避雷器的特性 2）避雷器的作用和选用原理 3)避雷器(MOA)试验,避雷器的发展过程,阀片的微观结构,1为ZnO晶粒，其平均直径约为l0um，电阻率约为110欧/cm2为由氧化铋构成的晶间层，厚度约为0.lum.晶界层的电阻率为1013一1014欧/cm。3是杂散地分布于晶间层内的尖晶石Zn1Sb2O11，其直径约为3um，尖晶石对阀片的电气特性无显著影响。,阀片的微观结构,一般认为，由于在晶粒与晶间层间形成了势垒，故使阀片具有很强的非线性,氧化锌阀片是以氧化锌为主并掺以Sb、Bi、Mn、Cr等金属氧化物烧制而成的。当施加较低电压时，晶界层近似绝缘状态，电压几乎都

2、加在晶界层上，流过避雷器的电流只有微安量级；电压升高时，晶界层由高阻变低阻，流过的电流急剧增大。,避雷器的特性,金属氧化物避雷器（MOA）,MOA避雷器的参数,参考电流Irefac是用来决定交流参电压Urefac及流过阀片的阻性电流(峰值)，其值应足够大，以使refac的测量不受寄生电容影响，但又避免发热。参考电流值视阀片截面积的大小可有不同的值，Irefac=25mA.我国取Irefdc=1mA.当Irefac=Irefdc=1mA时(即lgI=0），UrefacUrefdc,参考电流及参考电压,起始动作电压。在接近拐点处，电流为毫安级的残压值。,额定电压指由动作负载试验确定的避雷器上下两端

3、子间允许的最大工频电压有效值，避雷器在该电压下应能正常工作。在由避雷器动作负载试验条件所规定的一系列试险中，允许施加于MOA上的工频电压最高值（kV,有效值)称为避雷器的额定电压Uret，Uret=96-312kV的MOA,2Uret=Urefac（23mA）Urefdc（1mA）;Uret=420-468kV的MOA,2Uret=Urefac（5mA）1.05Urefdc（1mA）,MOA避雷器的参数,MOA避雷器的参数,持续运行电压-MOA持续运行电压。指允许持续加在避雷器两端子间的工频电压有效值，一般小于避雷器的额定电压。持续电流。指在持续运行电压下的电流，包含阻性分量和容性分量。长期作

4、用在避雷器上的运行电压不得超过避雷器的持续运行电压，选择避雷器时必须注意这个参数。由于阀片的非线性，当正弦电压作用时，阻性电流除基波外，还有一系列的奇次谐波.劣化将主要使其中的3次谐波电流加大，受潮将主要使其中的基波电流加大.,MOA避雷器的参数,MOA的荷电率：荷电率表达式为：荷电率=（正常施加电压幅值/参考电压）100%。,早期MOA荷电率取40%一70%.现在一般有效接地系统取80%,不接地系统取45%。提高荷电率，能减少电阻片串联片数，降低残压；但荷电率高了，会加速阀片的老化，使用寿命缩短，引起事故。,MOA避雷器的参数,残压放电电流通过避雷器时其端子间的最大电压峰值。,表示避雷器的保

5、护特性a.陡波冲击电流残压；b.雷电冲击电流残压；c.操作冲击电流残压。,避雷器,工频电压耐受时间特性-在规定条件下，对避雷器施加不同的工频电压，避雷器不损坏、不发生热崩溃时所对应的最大持续时间的关系曲线。脱离器-在故障时，使避雷器引线与系统断开以排除系统持续故障的一种装置。切除时避雷器的故障电流通常不是该装置的功能，故不一定能防止瓷套爆炸。,其它电气参数,在一定温度下，参数的变化规律:(1)电容C与作用的工频电压峰值Um间的关系曲线是V型的，在某一Um有最小值:(2)介损tg是Um的单调上升函数，Um大于一定值后，随Um的加大，tg8剧烈地增加，(3)在不同的IR、Um范围内，a有不同的值，

6、在某一IR、Um范围内，a值有突变.,温度对MOA的影响,1热电子发射(肖特基定理)-绝对值较大的负温度系数2当晶界层电压到12伏,场强10MV/cm,出现隧道效应.与温度无关3当电流密度10A/cm2,ZnO晶粒电阻(020.7)作用,正温度系数.,温度对MOA的影响,a度特性。在小电流区域，呈负的温度特性;电流超过100mA，温度的变化影响变小;电流超过100A，又呈现正的温度特性。,温度对MOA的影响,热损耗功率与散热平衡动作时,处于决热状态动态热稳定,避雷器老化,MOA的老化特性。除了阀片本身老化外，本体的其他构件的老化.如内部构件的耐压、耐热性能、密封的老化等。,MOA破坏机理,阀片

7、在不同波长,不同幅值电流作用下,其破坏的形式和机理不同。在一定电压下,分为热破坏和冲击破坏.热破坏-指工频持续作用下,热平衡破坏。冲击耐受能力（冲击能力吸收能力）与其结构的均匀性密切相关。,破裂破坏机理,破裂破坏机理是阀片在短时间、大幅值的冲击电流作用下，内部有一个绝热升温过程。由于阀片各单元的热物理性能存在很大差异，电极与阀片的点状接触，各单元之间吸收的能量存在较大的差异，使得阀片内部各单元之间存在很大的温度梯度，温度梯度产生热应力。当热应力达到一定值时，热膨胀导致阀片破裂,穿孔破坏的机理,穿孔破坏的机理是在时间较长、幅值较大的冲击电流作用下，阀片单元之间存在热传导，阀片表面与环境之间存在自

8、然对流换热，但阀片各单元之间存在电性能的非均匀性，某些单元的1mA电压较低，引起电流集中，温度升高。当温度达到一定值后，晶界层熔化，形成贯穿性的小孔。引起阀片穿孔破坏的时间与电流成反比,冲击电流作用温升,不同电流下，阀片温度分布,电压耐受性能,方波耐受性能,常见MOA结构与电位分布,避雷器电位分布与调整,330kV,500kV线路避雷器的突出技术问题是电位分布不均匀。与瓷套式避雷器不同，它是悬挂在空中的。在结构上不能采用外并电容的均压措施。避雷器高度超过5m时，如不采取措施，其电位分布不均匀系数将达1.2，荷电率达98。将加速高场强处电阻片的老化。改变均压环的数量、大小、放置位置及下垂深度等措

9、施使500kV无间隙线路避雷器(5.4m高)电位分布不均匀系数限制在1.4%以下，,MOA结构与电位分布,安装位置与电位分布,MOA表面污秽与电位分布,并联间隙MOA,避雷器参数,选用避雷器的一般程序,2.1 根据系统最高工作电压确定避雷器的持续运行电压。2.2 估算避雷器安装点的暂时过电压幅值和持续时间。2.3 估算通过避雷器的雷电过电压放电电流的最大幅值。2.4 估算通过避雷器的操作过电压放电电流和能量。2.5 选择避雷器的额定电压、标称放电电流等级。2.6 确定所选择避雷器的保护水平。2.7 根据避雷器与被保护物的距离和其他影响因素，计算用避雷器保护时在被保护设备上出现的过电压值。2.8

10、 校核被保护设备的雷电过电压、操作过电压耐受强度是否高于被保护设备上出现的过电压值。,避雷器电气保护特性,额定电压-持续运行电压-荷电率-保护比-伏秒特性-,避雷器耐受工频时间,t=1200s是按计划的合闸操作、系统同步及调度操作(当电压升高的水平低于二级保护、过电压慢保护所整定的水平时，需进行调度操作)所需的时间;t=20s是上述的过电压慢保护，加一定的裕度所需的动作时间:t=1s是一级保护，即过电压块保护的动作时间;t=0.1s是中性点有效接地系统，开关快速动作切除故障的时间.,避雷器耐受工频时间,耐受曲线交叉问题,MOA与其他设备的耐受曲线并不是所预期的全面地超过其它设备.如：550kv

11、变压器及MOA:在0.1和1.0时间，约为短时工频电压的0.95倍及1.0倍，即约1.9倍与2.0倍.MOA的工况倍，MOA电流高达2830A，电流半波持续的时间为2.87ms,工颇半波内吸收4370kJ,工频耐受的重复数与时间间隔问题.在前苏联规定了在MOA的整个运行期(25年)内，耐受持续时间1200s的工频过电压200次.GE公司也有类似要求。,当着重研究目前多用的、部分地利用空气绝缘的变电站的过电压防护、绝缘配合问题时，我们感兴趣的是阀片在微秒至毫秒范围内的响应。当着重研究气体绝缘的变电站的同类问题，要考虑10100ns范围内的响应。,避雷器陡波特性,GIS变电站的保护配合特点,伏秒特

12、性比较平坦波阻抗小、波速光速电气距离小无电晕要求过电压高可靠性,侵入雷电波,侵入雷电波防护是变电站防雷的一个重要方面，沿线路侵入发、变电站的雷电过电压是很常见的，而变电站电气设备的绝缘水平要比线路低得多，变电站对雷电进行波的保护是十分重要的。特别是500kV电气设备的绝缘设计裕度较小，变电站的侵入雷电波将直接威胁站内电气设备的安全。,变电站雷电侵入波计算,建立计算模型,将雷电流直接作用于有关的雷击点（进线段各杆塔），输电线路（包括进线段、避雷线）、变电站各设备、连接线、母线等，建立变电站进线段的分裂导线和双避雷线构成的多导线耦合系统。依据规程建议的我国雷电流强度概率，取雷电流强度取值为：出现概

13、率为3.5 0/00 的雷电流（216kA）幅值，进行分析计算。,绝缘子串正极性放电的伏秒特性用以下指数函数拟合：负极性放电的伏秒特性用正极性放电的伏秒特性的1.13倍。,例：雷击滕洲变电站出线2#塔时，作用在变电站不同设备上的暂态过电压,例：主要设备上最大过电压绝缘裕度,注：表中允许值是依据规程要求:内绝缘裕度在15%，外绝缘裕度在4%。,例：雷击滕洲变电站时，变电站各处避雷器吸收的电流,各种运行方式下的（绕击）各处避雷器中流过的最大电流,模型中着重考虑的要素,线路绝缘子串正极性放电的伏秒特性以通过雷电标准冲击试验得到的指数函数进行拟合。变电站进线段的线路参数采用导线和双避雷线构成的多导线耦

14、合系统，多相分布参数分段进行模拟。每一级线路杆塔采用实际设计杆塔结构的分布参数模拟，避雷器的非线性电气特性的模拟研究同塔双回进线段结构的分布参数模型。,为设计提出建设性的建议,根据计算，当设计不满足绝缘配合要求时，分析引起雷电过电压过高的根本原因，根据具体情况，提出解决办法。如：延长线路避雷线到变电站母线构架所有设备均接在变电站进线门型塔之后减小个别主要设备与避雷器间的距离优化母线避雷器的安置位置合理调动线路高抗和线路CVT的相对位置合理要求变电站进线段杆塔接地电阻,不同进线与最大保护距离,220KV、110KV敞开式变电站,避雷器保护距离MOA安装在进线上的效果比母线上好,220KV、110

15、KV敞开式变电站,雷电侵入波引起110kV和220kV敞开式变电所进线断路器及CT等设备事故的发生频度不容忽视。在多雷地区新设计110kV和220kV敞开式变电所时，宜在每回进线的断路器线路侧装设MOA，MOA至变压器之间的最大保护距离要满足规程要求。安装位置:进线断路器线路侧附近或进线终端塔的问题.,220kV断口击穿,220kV CT,35kV断口外绝缘击穿,避雷器主要性能试验,持续电流试验 残压试验陡波冲击残压试验雷电冲击残压试验操作冲击残压试验 大电流冲击耐受试验长持续时间电流冲击耐受试验方波电流冲击耐受试验 线路放电耐受试验 无线电干扰电压和局部放电试验 动作负载试验 加速老化试验

16、试品的散热特性 操作冲击动作负载试验工频电压耐受时间特性试验,型式试验,新产品试制定型,型式试验,相关抽样试验,按批次抽取试品，每半年对电阻片进行一次加速老化试验,定期试验定期试验是三年作一次，从产品中抽取3只,相关出厂试验,方波和大电流,雷电动作负载试验,操作动作负载试验,工频电压耐受试验,检验其对瞬时工频电压升高的承受能力。试品预热到60度，施加大电流冲击（110及以下，1次 4/10 110及以上，2次 2000）马上接入工频耐压（时间0.1s、1s、30s、20min）,工频电压耐受时间特性试验,试验方法 制造厂除应对MOA进行霄电、操作冲击下的动作负载试验外，还应提供按规定的试验程序

17、求出的MOA的工频耐受曲线.其试验程序是:(1)在25士1下，测8/20us、In的残压;(2)将被试品预热到60土3，进行长持续时间电流冲击试验一次，(3)间隔50-60s，重复(2)中规定的试验一次，(4)然后，尽快(不超过l00ms)对经过上述试验的试品，施加一定持续时间.一定数值(或某一倍数)的工频电压;(5)接着施加由加速老化试验确定的UCR,30min;(6)将试品冷却到25土10c，重复(1)中规定的试验，(7)对试品进行检查。,加速老化试验,加速老化试验的理论基础是:MQA的阀片与半导体、绝缘材料类似，如有劣化，则其劣化速度与材料配方、制造工艺、工作温度等有关，在前两个因素不变

18、的前提下，常温时，持续时间很长的劣化过程的后果，可以在高温下，较短时间内达到，即遵从Arrhenius定理。这是国际范围内流行的观点，一些重要的标准，即据此决定相应的试验方法.如果劣化是由于工频电压长期作用下的能量、功率损耗所引起的，则常温、正常工作电压下，持续时间更长的劣化过程，应在高温、提高工作电压的条件下，以更短的时间来完成，前苏联即据此进行有关的试验.,加速老化试验,在125度烘箱内进行，阀片表面温度保持在115度，加压为:U=U持续（1+0.05L）连续加压1000小时,分别测量前后的损耗。国外预测寿命在100年以上,密封情况检查,对FZ,FCZ,FCD和较高电压等级的金属氧化物避雷

19、器进行解体大修后，进行密封试验。将避雷器内腔抽真空(380400)133.3Pa，在5min内其内部气压的增加不应超过133.3Pa。,间隙避雷器非线性系数,测量在试验电压U1，U2条件下的相应电导电流I1，I2。,U2=0.5 U1,1）FZ型在0.250.45之间。2）非线性系数差值，为串联元件中两个元件的非线性系数的相差值=1-2。要求同组(一相)各元件的 不大于0.05。,有间隙避雷器的工频放电电压试验,工频放电试验：放电电压为三次平均值，每次间隔不小于1 min。为在间隙建立电弧，避免工频放电电压偏高，R=0.1/V0.5/V。,避雷器巡检试验（状态检修）,金属氧化物避雷器巡检及例行

20、试验,避雷器例行试验（状态检修）,金属氧化物避雷器例行试验项目,金属氧化物避雷器,无间隙金属氧化物避雷器的诊断可按下表的规定执行。当热像异常或相间温差超过规定时，应用其他试验手段确定缺陷性质及处理意见。表 金属氧化物避雷器允许的相间温差及最大工作温升参考值,在线监测数据,带电检测,若阻性分量增加到初始值的1.5倍时，应适当缩短测量周期;若阻性分量增加到初始值的2倍时，应立即停电检查.,运行相电压的桥式补偿电路,MOA 的Ir测量原理,MOA 的Ir测量原理,双踪电子示波器-当电压瞬时值为0和Um时的电流瞬时值，分别为 IC峰值和Ir峰值.,单踪电子示波器调节R，补偿IC。BE端测得最小值为IR

21、。AE端测得IX。,MOA 的Ir测量仪原理,采用桥式补偿电路泄漏电流测试仪的原理，自钳形电流互感器夹取得的泄漏电流输入仪器中的放大器，自母线取得的二次电压作为标准电压进入仪器移相 90，使其与泄漏电流中的容性电流分量同相，将容性电流分量自动抵消掉，剩余下的即为泄漏电流的阻性分量。,MOA阻性电流测试,注意一字形排列的三相 110kV 500kV金属氧化物避雷器，由于相间杂散电容影响,容性电流补偿法,MOA 的Ir测量仪原理,采用三次谐波电流原理制成的仪器。是从避雷器总电流中检出三次谐波分量l3的峰值，假定I3=Ir3，然后根据Ir3与阻性电流I的经验关系得到阻性电流峰值，基础是电压不含谐波分

22、量或很小。当谐波分量较大时，仪器的误差可达百分之百到百分之几百。,滤波电容约0.1uF左右高压引线应尽量平直并注意屏蔽,MOA阻性电流测试仪,电导电流,普通阀型FZ避雷器及磁吹阀型避雷器要求测量电导电流及检查串联组合元件的非线性系数差值,同相串联元件的电导电流差值 I(%)30%.,直流U1mA及0.75U1mA下漏电流,MOA：面积为20cm2及以下规格阀片，U1mA 士5%;面积为25cm2_45cm2阀片，U1mA 士10%;面积为50cm2及以上规格阀片，U1mA 士20%.,0.75U1mA下漏电流值，I 2倍I初，且I 50 A。多柱并联和额定电压216kV以上的避雷器，I 厂定值

23、 测量0.75U1mA下漏电流时，应选用UlmA初始值。,影响MOA泄漏电流测试结果的几种因素分析,MOA两端电压中谐波含量的影响 MOA两端电压波动的影响 MOA外表面污秽的影响 温度对MOA泄漏电流的影响 湿度对测试结果的影响 运行中三相MOA的相互影响 测试点电磁场对测试结果的影响,电导电流的温度换算系数,对不同温度下测量的普通阀型或磁吹阀型避雷器电导电流进行比较时，需要将它们换算到同一温度。经验表明，温度每升高10C，电流增大3%-5%，进行换算。,空间分布电容影响,受空间分布电容的影响，带电测试时的阻性电流一般的规律是ABC，B相基本上不受影响。但有时也不一定。,例 停电试验表明B相

24、正常,不拆引线测量500kV避雷器,不拆引线，避雷器与变压器或CVT相连，施加电压（210）传递到变压器中性点上，危急绝缘，要求反向加压。测量第二节时，为限制发生器的负载，保证基座绝缘，在接入10kV避雷器或一个电阻箱（5、10、15、20（M）,不拆引线测量500kV避雷器,GIS避雷器,GIS避雷器,避雷器放电记录器检查,用2500V兆欧表对一只46 F电容充电，将电容器对记录器放电，观察动作情况。,避雷器诊断试验（状态检修）,金属氧化物避雷器诊断性试验,交流漏电流、阻性电流和工频参考电压,交接时：MOA的IX,Ir和Ic初始值必须存入设备档案避雷器持续运行电压（额定电压0.760.80）IX,Ir和Ic值要进行温度折算工频参考电压是厂定参考电流(以阻性电流分量的峰值表示，通常约为1mA-20mA)下的峰值电压。,