220kV變電站避雷器故障原因分析及處理措施

郝貴敏

（大唐河北發電公司馬頭熱電分公司，河北 邯鄲 056044）

某熱電廠220kV升壓變電站為雙母線帶旁路的接線方式，每條母線上各接有1組電壓互感器和1組避雷器，系統接線示意見圖1。故障前，220kVⅠ、Ⅱ母線并列運行，各帶一半負荷，上網負荷為415MW。220kVⅠ母線避雷器為Y10W－200/520氧化鋅避雷器，額定電壓為200kV，標稱放電電流為10kA。

圖1 220kV升壓變電站接線示意

1 故障情況

2010年8月12日02：56，天氣特征為雷陣雨，升壓變電站旁的網控樓事故喇叭響起，升壓變電站發生“砰”的一聲悶響，同時產生巨大的弧光，主控監測屏出“220kV母差動作”、“母差保護呼喚”、“220 kV TV斷線”和“故障錄波器動作”光字牌。

現場檢查發現，220kVⅠ母線V相避雷器底座斷裂，引線倒置在金屬網欄上造成V相接地；220 kV母差保護動作，跳開母聯201斷路器，跳開母線上的271斷路器、273斷路器、275斷路器和219斷路器，各線路對側保護正確切除線路；三相避雷器在線監測裝置外接二次電纜熔斷；220kVⅠ母線三相避雷器計數器動作均增加了1次。

對220kVⅠ母線、TV及避雷器進行檢修，經檢查V相避雷器斷裂損壞，U、W相避雷器無明顯損壞跡象。使用備件更換220kVⅠ母線三相避雷器，并對220kVⅠ母線、TV及避雷器進行試驗。10：40，將220kVⅠ母線恢復正常運行方式。

2 故障原因分析

2.1 故障期間錄波及采集數據分析

220kV I母線電壓錄波曲線表明，故障前，母線二次電壓U相為17V、V相為－80V、W相為62 V、3U0為0V；故障后，U、W相二次電壓幅值無明顯變化，V相為0V，3U0為120V。因此，判斷故障為V相單相接地故障。

220kV故障錄波器各線路采集數據為：故障后5個周波的有效值U相二次電壓最高為91.75V、V相二次電壓最高為83.94V、W相二次電壓最高為91.32V（二次額定電壓為57.7V）。將其折算到一次側電壓值分別為：U相電壓202kV（大于200 kV），避雷器動作；V相185kV（小于200kV）；W相201kV（大于200kV），避雷器動作。采集到的數據表明，故障期間該變電站220kV系統承受了大約1.57倍Ue的過電壓。

2.2 保護動作情況分析

220kV I母線避雷器V相接地后，220kV母差保護突變量正確動作，切除母聯201斷路器，線路271斷路器、273斷路器、275斷路器、219斷路器，9號發電機組解列停機。271線路對側931B光纖保護遠跳動作正確，273、275線路對側高頻保護啟動跳閘后重合。

2.3 避雷器電氣試驗數據分析

2010年3月30日，220kVⅠ母線避雷器進行接地導通試驗，性能良好，接地電阻為19.13mΩ（標準≤200mΩ）。故障后，三相避雷器計數器底數各增加1次，三相均泄放電1次。220kVⅠ母線避雷器每年預試1次，未見異常。將2010年3月23日（故障前）預試數據與故障后避雷器絕緣電阻、直流1mA電壓值、75%U1mA下的泄漏電流等試驗數據進行了對比分析，數據無明顯變化，均不超過試驗標準值，由此說明三相避雷器的氧化鋅部件在經受過電壓前后電氣性能無明顯劣化趨勢。

2.4 現場解體V相避雷器本體檢查分析

V相故障避雷器底座整個斷面磁質顏色偏暗，中間存在黃色夾心層，初步判斷該相避雷器底座瓷套材質不良，機械強度不足。為了查找底座斷裂的原因，將同組完好避雷器U相底座瓷套砸斷進行對比，見圖2，可以看出U相瓷套從內到外瓷斷面顏色光亮一致，呈玉白色無夾心層。

圖2 U相與V相避雷器底座斷面對比

綜合以上各種數據分析和解體檢查情況，錄波分析計算V相過電壓峰值未達到動作值，但由于微機型故障錄波的采樣周期為毫秒級，而雷電過電壓的峰值持續為微秒甚至為納秒級，因此，最大瞬間電壓值未能記錄下來。從母線故障錄波分析報告中可以清楚看到，故障后V相二次電壓很低，接近零值，由于變電站220kV母線電壓互感器為油浸電磁型，一次電壓與二次電壓的響應速度很慢，大氣過電壓的尖波峰值應該發生在V相接地前的瞬間，而且根據現場V相避雷器二次線燒熔、計數器三相均動作情況以及當時的雷雨天氣特征判斷，母線避雷器在故障前經受了很高的外部雷擊過電壓，雷電過電壓能量泄放產生巨大的電動力。同時，由于V相避雷器底座存在瓷質不良、機械強度不足的“黃心”缺陷，使V相避雷器底座瓷套斷裂，引發220kVⅠ母線接地故障。

3 處理措施

a.該臺避雷器底座瓷套燒制工藝不良，機械強度嚴重不足，在避雷器作為幅值很大的雷電流泄放通道時，產生氣體和強大電動力，導致V相避雷器損壞。專家鑒定此種斷裂為“黃心斷”，瓷套內部存在的“黃心”為燒成缺陷，結構疏松，機械強度低，易在運行中產生裂紋，最終導致失效斷裂。產生“黃心斷”的主要原因為燒結前坯體存在鐵雜質，燒結中難以擴散形成“黃心”。因此，現場對同批次生產的避雷器進行勘查，要求廠家對在運的220kV母線避雷器底座進行更換，避免類似事件發生。同時，應加強電瓷設備的出場驗收工作，杜絕殘次產品流入市場，危害電力系統的安全生產。

b.參照JB 9674－1999《超聲波探測瓷件內部缺陷》，積極推行超聲波探測瓷件的檢驗工作，消除在運電瓷件的隱患，降低電氣設備的故障率。采用超聲波縱波探測同型號瓷瓶可判斷瓷瓶氣孔率的高低，粗略判定其工況好壞；橫波斜角探傷檢測滾花膠裝的瓷瓶效果良好；爬波探傷能檢測出絕緣子近表面范圍內的裂紋、夾渣、夾層，對粗糙表面下的裂紋最為有效。

c.在瓷瓶運行中，通過超聲波檢測可以發現法蘭與瓷套交界處由于“黃心”而產生的小裂紋。如果僅存在“黃心”而無裂紋，則需要進行超聲波聲速對比和爬波試驗，發現問題的瓷套進行破壞性檢查驗證。如果試驗可行則可開展快速普查，確定瓷瓶質量及運行工況，但限于運行設備具體安裝位置不同，部分界面儀器無法開展檢測，因此，必須加強瓷瓶（絕緣子）出廠宏觀驗收和安裝前探傷檢查，嚴禁判廢產品投入運行。對于運行中由于溫度、應力長期變化導致開裂的瓷件，應與技術人員研究確定檢驗周期進行探傷檢查。

4 結束語

該熱電廠對同期同型號產品共計2組避雷器上部瓷套管進行探傷未發現問題，底部瓷套與法蘭膠裝部位由于位置受限，探測結果不明確，因此，重新購置2組氧化鋅避雷器進行更換，出廠驗收和更換前瓷瓶探傷均無異常，目前設備運行正常。高壓設備支柱絕緣子或支持瓷套斷裂引起的電力系統事故和損失，威脅著高壓電網的安全運行。高壓設備支柱絕緣子和瓷套應進行規范的驗收、檢測，確定試驗方法和標準，同時對在運設備的瓷質部件探傷備案、建立臺帳，對判廢和存在問題的設備進行更換，消除設備隱患。