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摘 要：对运行中的避雷器进行在线红外诊断是电力设备带电诊断的行之有效的技术手段。分析了各型常用避雷器的结构，及其运行和受潮缺陷下的发热原因、特点和红外热像特征。介绍了对运行中避雷器进行红外测温和故障分析的方法。
关键词：避雷器；受潮；发热；红外诊断；热像特征
变电站内的避雷器是用来防止雷电侵入波或内部过电压，并把过电压限制在电气设备绝缘的耐受冲击电压水平以下的一种电气设备，避雷器并接在被保护设备附近，使设备免遭由于过电压引起的绝缘击穿损坏事故，如果避雷器存在故障或缺陷，不仅起不到保护作用，严重时还会影响其它设备的运行，甚至酿成事故 。对避雷器进行在线红外诊断是电力设备带电诊断的重点项目之一。统计表明，受潮缺陷是造成避雷器异常和事故的主要原因，不同型式的避雷器由于结构的不同，其在正常和受潮缺陷情况下的发热特征也有所不同。
1 FS型普通阀式避雷器
1.1 结构特点和正常情况下的热像特征
FS型避雷器由碳化硅非线性电阻片和串联间隙构成。由于阀片的非线性系数为0.2～0.5，在正常的运行电压下，阀片将通过数十安培到上百安培的电流，这是不允许的，因此，为隔断可能存在的工频电流和切断工频续流，在阀式避雷器中装有适当的串联间隙。普通阀式避雷器的串联间隙组与阀片电阻串联迭装在封闭的瓷套中。用于小容量电气设备的3～10 kV级的FS系列配电型普通阀式避雷器的阀片直径约为55 mm，阀片的非线性系数约为0.2。在这种避雷器中，阀片在下，串联间隙在上。由于串联间隙的阻隔，在正常运行状态下，除微安级的容性电流外，几乎没有传导电流流过避雷器。因此，当无故障时，FS型避雷器本体没有功率损耗和发热，其热像与环境温度下的参照体十分相近。
1.2 受潮缺陷的发热特点
FS型避雷器故障主要是受潮引起的，因其无分路电阻，受潮主要是顶部密封件老化所致。受潮初期或中期绝缘电阻虽有所降低，但电导电流仍十分微弱，发热一般不易出现外在特征。FS型避雷器采用低温阀片，受潮时间较长，极易水解而发生坍塌现象，使上部间隙组零件混乱并出现分压不均情况，引起局部放电发热 ，或因内部水分过多而结露，使间隙组或表面泄漏电流过大而发热。热像特征表现为局部温升增大。
2 FZ型普通阀式避雷器
2.1 结构特点和正常情况下的热像特征
对于涌流容量较大的变电站用的FZ系列普通阀式避雷器，因涌流容量大，耐压要求高，除采用较大直径(100 mm)的阀片和标准间隙组以外，一般都在间隙上并联分路电阻用以改善各间隙工频分布电压的均匀性，从而提高其灭弧能力和抗外部影响能力。通常分路电阻采用高温焙烧的高非线性系数(035～045)的碳化硅非线性电阻。在运行电压的作用下，分路电阻长期有200～300 μA的泄漏电流通过，而且运行电压几乎全部作用在分路电阻上，所以正常运行的FZ型避雷器因泄漏电流的存在而消耗一定的功率，并在相应的部位出现轻微发热，其发热点一般为靠近分路电阻的部位。高电压等级的避雷器垂直尺寸较大，本体对地的杂散电容产生的容性电流可能接近或超过电导电流，所以多节串联元件组合型避雷器，往往上部元件的泄漏电流明显偏大，发热相对也比较严重，向下逐节递减。有些FZ型避雷器内部间隙组由上、下两部分组成，阀片置于中间，因此，在正常运行情况下的热像特征为：对单元件的普通阀式避雷器表现为，中上部有微弱发热或上下各有一个微弱发热区；对多元件结构的避雷器表现为，各元件上部均有一个发热区，且各元件发热程度自上而下依次降低。
2.2 受潮缺陷的发热特点
FZ型避雷器受潮主要是密封胶老化失去气密性所致，由于间隙组上有并联分路电阻，其阻值大大超过非线性阀片的阻值，潮气进入本体后引起分路电阻阻值下降，同时也导致非线性阀片电阻的阻值因受潮而降低 ，但相对而言，阀片的阻值总要低于分路电阻的阻值。对于单元件结构的FZ型避雷器，一方面，分路电阻阻值的降低会引起在工作电压作用下流过避雷器的电导电流大量增加，导致功率损耗的成倍增加；另一方面 ，发热的分路电阻又会驱除潮气，使阻值变大。所以，受潮的初期阶段，这一故障发展过程可能并不很快 ，只有当水汽通过呼吸大量涌入后，才导致进一步恶化。这时，瓷套内表面会有结露现象出现，同时阀片也可能出现水解变形的情况，通常伴随有更明显的发热，主要表现在并联分路电阻部位上。由于分路电阻的负温度系数特性，导致故障进一步发展，继而出现内部过热断裂、局部放电及表面击穿闪络等事故。所以，并联分路电阻受潮时，避雷器本体温度高于正常情况下的本体温度。
如果是多元件串联组合型FZ避雷器，若其中一个元件受潮则其阻值降低，在该元件上分配的电压也降低。因发热功率正比于分布电压与泄漏电流的乘积，所以，使受潮元件上的功率损耗降低，而与其串联的正常的元件功率损耗增加。一方面，当故障元件等值电阻很低时，可使工作电压全部作用在串联的无故障元件上，在这种情况下，无故障元件将因功率损耗过高而烧坏并联分路电阻，使电导电流消失；另一方面，当受潮元件阻值轻度变小时，增加的电导电流可能在某种程度上补偿因阻值降低而减小的功率损耗，使受潮元件的功率损耗并不明显下降。因此非受潮元件的功耗总会大于故障元件的功耗，而且总功耗呈现增加趋势。其热像特征表现为各元件的发热程度不符合自上而下依次降低的规律，整体和个别元件温升异常。
3 磁吹避雷器
3.1 结构特点和正常情况下的热像特征
磁吹避雷器是碳化硅避雷器系列中性能最好的一种，主要是它采用了拉长电弧型磁吹间隙，并采用高温阀片进一步提高通流能力，为满足大电流切断的要求，应用磁吹间隙可将电弧拉长数十倍并迫使其熄灭。与普通阀式避雷器类似，磁吹避雷器的间隙也采用均压分路电阻，因此，正常运行时也有一定的泄漏电流和功率损耗。但是，电压等级高的磁吹避雷器采用大瓷套结构，在内部曲折部位置几个芯柱，间隙组与阀片交叉布置，电气上虽仍保持串联状态，然而在外部发热部位上却无法区分开来，热像特征表现为：整体发热，且热量容易往上部集中。其正常运行情况下的热像特征为：瓷套整体轻度发热，并有上高下低的温度分布特征。对于组合元件上节温度略高。
3.2 受潮缺陷的发热特点
从电导电流产生的功率损耗角度来讲，磁吹避雷器和FZ型普通阀式避雷器相似。这是因为磁吹避雷器内部也通过并联分路电阻均衡间隙组的工频电压，但因结构上的紧凑性，电压等级相同的磁吹避雷器与FZ普通阀式避雷器相比，发生故障的过程和内外表现均有不同。主要体现在：(1)串联元件较少，意味着独立的密封容器少，因此，相互影响较大，一旦受潮危险性大；(2)体积较大，各部位受潮程度可能不一样，因内部散热条件良好，发热不易从瓷套表面反映出来，而是热量向上集中。基于这些原因，磁吹避雷器受潮后各部位的发展演变过程可能不一致，即出现各部位受潮程度不同的情况。主要是因为内部容积较大，进入的潮气首先波及入口处，而后才逐渐向下渗透。单元件磁吹避雷器受潮主要是引起并联分路电阻泄漏电流增大而发热。因受潮不均匀，局部发热可能较严重。多元件的磁吹避雷器受潮的故障元件功率损耗总体上有所降低，发热量相应较少。同样因受潮的不均匀性会出现局部温度升高的情况。磁吹避雷器受潮缺陷的热像特征为：对单元件避雷器表现为发热区温升异常增大或整体明显发热；对组合结构的避雷器主要表现在，不符合上部温度略高的规律，局部和整体有明显发热现象。
4 氧化锌避雷器
4.1 结构特点和正常情况下的热像特征
目前电力系统所采用的氧化锌避雷器主要是无间隙氧化锌避雷器，由氧化锌阀片直接承受系统的运行电压。此类避雷器都是单柱式结构，瓷套体积较小。这种结构得益于氧化锌阀片的高涌流能力和极好的非线性 。根据运行保护参数的设计，正常运行的无间隙氧化锌避雷器将有0.5～1.0 mA的工频电流流过，并且主要属于容性成分，阻性电流仅占10%～20%，因此，无间隙氧化锌避雷器正常运行时消耗一定的功率，由于几何布置较均匀，外表发热也是整体性的。因正常状态下的氧化锌避雷器有一定的阻性电流分量，因此，热像特征表现为整体轻度发热。其中小型瓷套封装的结构，最热点一般在中部偏上位置，且基本均匀；较大型瓷套封装的结构，最热点通常靠近上部，不均匀程度较大。
4.2 氧化锌避雷器受潮缺陷时的发热特点
氧化锌避雷器受潮主要是密封系统不良引起的。氧化锌避雷器受潮会大大增加本身的电导性能，阻性电流明显增大，由于多数氧化锌避雷器没有串联间隙，所以，其阀片将长期承受工作电压的作用。氧化锌避雷器的阀片在小电流区域也有负的电阻温度系数，此外氧化锌避雷器的体积较其他型式小，内部受潮后容易造成沿瓷套内壁或阀片侧面的沿面爬电，引起局部轻度发热，严重时会产生闪络击穿。对于多元件串联结构的氧化锌避雷器，当轻度受潮时，通常因氧化锌阀片电容较大而只导致受潮元件本身阻性电流增加并发热，当受潮严重时，阻性电流可能接近或超过容性电流，在受潮元件温升增加的同时，非受潮元件的功率损耗和发热开始明显，甚至超过受潮元件的相应值。氧化锌避雷器受潮时的热像特征：对于单元件结构表现为整体明显发热；对于多元件结构，受潮初期表现为故障元件自身发热增加，受潮严重后，可引起非故障元件发热超过故障元件，当受潮故障进一步恶化时，还会伴有局部温升高于整体温升的现象。
5 小结
对于运行中的各型避雷器，将利用红外测温仪测出的避雷器的表面各部分的温度进行相间、上下元件间和同类设备间的相互比较，或用红外热像仪对避雷器的热像图谱进行分析，如果根据上述热像特征发现有不正常的发热或不正常的温度分布，可判断为避雷器存有受潮缺陷，应引起注意，进行跟踪监测或停电进行其它试验，以免故障进一步恶化而引起事故的发生。
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