一起110kV氧化鋅避雷器運(yùn)行異常分析

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局 陳浩盟

1 引言

電氣設(shè)備在運(yùn)行中經(jīng)常會(huì)受到各種過電壓作用而發(fā)生劣化、局放甚至擊穿現(xiàn)象，避雷器作為重要的一次設(shè)備，可快速釋放過電壓產(chǎn)生的能量，保護(hù)設(shè)備不受損壞。金屬氧化鋅避雷器因其具有良好的非線性伏安特性，目前被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中[1]。在設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，流過避雷器本體的主要為容性電流，而在遭受長(zhǎng)期過電壓和大氣環(huán)境的綜合作用后，其氧化鋅閥片會(huì)慢慢老化，造成阻性電流大幅增加，引起避雷器局部發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生閃絡(luò)擊穿，對(duì)電網(wǎng)安全造成極大隱患。因此，平時(shí)定期對(duì)避雷器進(jìn)行試驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象，對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行起著舉足輕重的作用[2]。

2 案例分析（帶電測(cè)試情況）

筆者在進(jìn)行某110kV變電站全站避雷器帶電測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)其110kV甲元線線路避雷器A相全電流和阻性電流都有逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，表1為具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，到了2020年，A相避雷器阻性電流相對(duì)于2015年首年預(yù)試時(shí)已增長(zhǎng)1.02倍，根據(jù)電力設(shè)備檢修試驗(yàn)規(guī)程中有關(guān)避雷器運(yùn)行電壓下的交流泄漏電流帶電測(cè)試的規(guī)定：測(cè)量值與初始值比較，當(dāng)阻性電流增加50%時(shí)應(yīng)該分析原因，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)、適當(dāng)縮短檢測(cè)周期；當(dāng)阻性電流增加1倍時(shí)應(yīng)停電檢查。可以判斷，110kV甲元線線路避雷器A相應(yīng)進(jìn)行停電檢查試驗(yàn)。

表1 110kV甲元線線路避雷器帶電測(cè)試數(shù)據(jù)

3 停電試驗(yàn)情況

3.1 設(shè)備基本信息

110kV甲元線線路避雷器為110kV復(fù)合外套金屬氧化物避雷器，型號(hào)為YH10W1-108/268W，其額定電壓為108kV，持續(xù)運(yùn)行電壓為84kV，直流1mA參考電壓為不小于157kV，0.75倍直流1mA參考電壓下漏電流要求值為不大于50uA。該避雷器由復(fù)合絕緣子傘裙護(hù)套和避雷器芯體組成，復(fù)合絕緣子傘裙護(hù)套為芯體的保護(hù)外殼，將芯體與外部環(huán)境隔離開來，以防其受潮和沾染污穢。避雷器芯體為承受運(yùn)行電壓和泄放雷電流的核心部位，由壓緊彈簧、避雷器閥片、填充晶沙和芯體熱縮套組成[3]。熱縮套為避雷器芯體的第二層防護(hù)，起到了壓緊內(nèi)部構(gòu)件的作用，該避雷器具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.2 停電試驗(yàn)過程

筆者于2020年5月11日對(duì)避雷器進(jìn)行了停電試驗(yàn)，項(xiàng)目包括本體及底座絕緣電阻、直流1mA參考電壓U1mA及0.75倍U1mA下的泄漏電流，詳細(xì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 110kV甲元線線路避雷器停電試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，三相避雷器的本體及底座絕緣電阻、直流1mA參考電壓都合格，B、C兩相0.75U1mA下的泄漏電流值合格，A相泄漏電流不合格，為進(jìn)一步查明避雷器異常原因，決定對(duì)110kV甲元線A相線路避雷器進(jìn)行返廠檢查。

4 返廠檢查試驗(yàn)情況

2020年5月15日，A相避雷器進(jìn)行了返廠檢查，廠家對(duì)異常避雷器進(jìn)行了整體和各部件試驗(yàn)，具體過程如下。

4.1 避雷器整體試驗(yàn)

試驗(yàn)人員對(duì)避雷器外觀進(jìn)行了觀察和評(píng)估，發(fā)現(xiàn)其復(fù)合外套未發(fā)生銹蝕、腐化及破損現(xiàn)象，外套膠合處連結(jié)良好，未發(fā)生裂紋。其后，對(duì)避雷器進(jìn)行了密封性檢查，試驗(yàn)合格。

4.2 避雷器各部件檢查

為進(jìn)一步查找避雷器異常情況，廠家對(duì)避雷器進(jìn)行了解體，檢查各部件性能情況。首先，切開避雷器底部，倒出避雷器內(nèi)部用于滅弧的晶砂，觀察發(fā)現(xiàn)晶砂無積水受潮情況，旋開避雷器頂部，取出滾珠軸承、壓緊彈簧等部件發(fā)現(xiàn)表面無受潮及放電痕跡（圖2c、圖2e），芯體表面的熱縮套管無積水、無放電痕跡，但底部閥片存在明顯的氧化痕跡（圖2f）。

切開芯體的熱縮套取出避雷器內(nèi)部氧化鋅閥片（共37片）及支撐銅管，觀察是否存在水氣等受潮現(xiàn)象，其中避雷器芯體底部第37號(hào)閥片底部有明顯的氧化痕跡（圖2f），其他閥片表面均無破損、受潮及灼燒痕跡（圖2c），銅管基本無生銹（圖2d）。避雷器各部件情況如圖2所示。

4.2.1 各部件物理性能試驗(yàn)

其后，廠家對(duì)避雷器各部件進(jìn)行了物理試驗(yàn)，包括傘裙護(hù)套、熱縮管、晶砂泄漏電流試驗(yàn)，晶砂含水量測(cè)試，避雷器閥片泄漏電流、長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間沖擊電流耐受試驗(yàn)、大電流沖擊耐受試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，避雷器外護(hù)套絕緣性能良好，晶沙含水量合格。但有26片閥片泄漏電流不合格，超過整體數(shù)量的2/3。部分不合格電阻片試驗(yàn)數(shù)值見表3。

表3 避雷器閥片泄漏電流試驗(yàn)

4.2.2 電阻片長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間電流耐受試驗(yàn)

取直流泄漏電流最高的5片電阻片（#8、#9、#20、#23、#37）進(jìn)行長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間電流耐受試驗(yàn)，將5片電阻片置于分布常數(shù)沖擊發(fā)生器回路中，開展3×6共18次2ms方波電流沖擊，18次放電動(dòng)作分為6組，每組3回。每?jī)苫貏?dòng)作間隔時(shí)間為50～60s，每?jī)山M試驗(yàn)時(shí)間間隔為使試品冷卻到接近環(huán)境溫度的時(shí)間。環(huán)境溫度為25℃（要求20℃±15K），試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間電流耐受試驗(yàn)

由表4中數(shù)據(jù)可以看出，除拆解下來本就發(fā)黑、氧化的第37片電阻片在第二組方波電流沖擊中發(fā)生炸裂外，其余閥片只是泄漏電流略有增加，但未發(fā)生閃絡(luò)、擊穿現(xiàn)象。發(fā)生炸裂的第37片閥片表現(xiàn)為鋁層破壞，整體裂開，說明第37號(hào)閥片劣化嚴(yán)重，已不具備通流能力。

4.2.3 大電流沖擊耐受試驗(yàn)

將電阻片（除方波試驗(yàn)炸裂的#37閥片外）置于大電流沖擊試驗(yàn)回路中，施加4/10μS雷電沖擊電流，雷電沖擊電流的視在波前時(shí)間為3.5～4.5μS，視在波尾半峰值時(shí)間為9～11μS。該試驗(yàn)中電阻閥片將承受兩次雷電沖擊，在第一次大電流沖擊之后，待電阻片冷卻到環(huán)境溫度后再進(jìn)行第二次試驗(yàn)，觀察兩次試驗(yàn)中閥片是否有擊穿、閃絡(luò)現(xiàn)象。本試驗(yàn)在25℃（要求20℃±15K）環(huán)境中進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 大電流沖擊耐受試驗(yàn)

從表5中數(shù)據(jù)可以看出，所有電阻片未通過大電流沖擊，表明該避雷器已不具備承受過電壓能力。

4.3 返廠試驗(yàn)結(jié)論

從以上試驗(yàn)可以看出，該避雷器外護(hù)套物理性能良好，未發(fā)生受潮現(xiàn)象。但半數(shù)以上避雷器閥片已發(fā)生劣化，劣化后的電阻片已不具備大電流通流能力，而第#37片閥片未通過方波電流試驗(yàn)，不能長(zhǎng)時(shí)間投入運(yùn)行。結(jié)合避雷器用監(jiān)測(cè)儀計(jì)數(shù)器動(dòng)作次數(shù)28次的情況，表明該避雷器已遭受過多次過電壓、過電流、雷擊或諧波的沖擊而發(fā)生銳化。

5 總結(jié)及下一步計(jì)劃

造成電阻片泄漏電流偏大的根本原因是，在電場(chǎng)及熱應(yīng)力作用下電阻片中離子的遷移、擴(kuò)散及逸出，引起界面密度的降低，從而降低了晶界勢(shì)壘高度，導(dǎo)致小電流區(qū)域的特性惡化，致使電阻片的直流參考電壓（U1mA）降低和泄漏電流增大（0.75Is）。電阻片電氣性能的蛻變，不僅與動(dòng)態(tài)電場(chǎng)有關(guān)，還與保護(hù)過程中引起的熱過程有關(guān)，電阻片在受到短時(shí)高能量密度的雷電流沖擊及長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)電流作用后，其電氣性能會(huì)降低同時(shí)引起局部發(fā)熱，導(dǎo)致進(jìn)一步劣化。基于避雷器對(duì)主變等關(guān)鍵電氣設(shè)備安全運(yùn)行的重要性，為在事故發(fā)生之前及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷，應(yīng)做好以下工作：

一是持續(xù)關(guān)注同批次避雷器帶電測(cè)試過程阻性電流的變化及趨勢(shì)，如發(fā)現(xiàn)電流增長(zhǎng)異常及時(shí)開展停電檢查，并做好備品更換的準(zhǔn)備。

二是加強(qiáng)該站避雷器紅外測(cè)溫，關(guān)注電壓致熱型設(shè)備溫差變化，及早發(fā)現(xiàn)缺陷、隱患。

三是對(duì)比監(jiān)測(cè)儀計(jì)數(shù)器動(dòng)作次數(shù)頻繁的避雷器，需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，如果檢測(cè)和監(jiān)測(cè)值超過標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)及時(shí)退運(yùn)行，對(duì)避雷器進(jìn)行全面電氣性能評(píng)估后再進(jìn)行使用[4-5]。

四是加強(qiáng)避雷器的日常巡視，做好泄漏電流數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析；針對(duì)高低溫、雨雪等惡劣天氣前后加強(qiáng)紅外精確測(cè)溫，及早發(fā)現(xiàn)缺陷、隱患。重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)監(jiān)測(cè)儀計(jì)數(shù)器動(dòng)作次數(shù)較多的避雷器進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控。