某500 kV 避雷器故障原因分析

馬 磊

（國網(wǎng)山東省電力公司超高壓公司，山東濟(jì)南 250000）

0 引言

某500 kV 避雷器先后發(fā)生雷擊跳閘故障和避雷器損壞故障。經(jīng)現(xiàn)場檢查，該500 kV 避雷器上、中、下3 節(jié)的壓力釋放噴口均燒黑。試驗發(fā)現(xiàn)：500 kV 避雷器絕緣電阻為0 MΩ，底座絕緣電阻0.13 MΩ，其他兩相試驗正常。該避雷器如圖1 所示。500 kV 避雷器放電計數(shù)器外觀已嚴(yán)重?zé)凇⒁€頭燒斷，無法讀取動作次數(shù)。現(xiàn)場核查故障避雷器設(shè)備信息：產(chǎn)品型號Y20W5-444/1063-W，直流1 mA，參考電壓597 kV，持續(xù)運行電壓324 kV，壓力釋放額定大電流63 kA，標(biāo)稱放電電流20 kA，2 ms 方波通流容量2 kA、18 次，0.4 s 大電流沖擊耐受100 kA、2次，能量吸收能力16 kJ/kV，線路放電等級5 級，持續(xù)電流（阻性）600 μA，元件節(jié)數(shù)3 節(jié)（每節(jié)48 個電阻片），內(nèi)部氣體壓力0.035～0.05 MPa，充N2微增壓。

圖1 500 kV 避雷器外觀

該避雷器按照GB 50150—2006《電氣裝置安裝工程—電氣設(shè)備交接試驗標(biāo)準(zhǔn)》的試驗要求，完成交接試驗。故障當(dāng)日，完成500 kV 避雷器檢查性試驗，發(fā)現(xiàn)B 相絕緣電阻為0，底座絕緣電阻0.13 MΩ，A、C 兩相試驗正常。該500 kV 避雷器投運累計開展2 次避雷器帶電測試。并且開展了在線紅外測溫，測試結(jié)果均滿足運行要求。故障前預(yù)防性試驗及帶電測試沒有檢出500 kV 避雷器存在明顯缺陷，故障后也沒有檢出其他兩相避雷器存在缺陷。

1 解體試驗分析

通過對500 kV 避雷器進(jìn)行解體檢查，重點檢查避雷器密封系統(tǒng)、絕緣件，以及查找放電路徑。

（1）上節(jié)：瓷套外表面清潔，內(nèi)表面大面積發(fā)黑。密封系統(tǒng)上、下法蘭雙密封膠圈完好，沒有變形、錯位，彈性良好；氣閥和蓋子表面清潔。均壓電容2 柱均壓電容上、下端部螺栓連接未發(fā)現(xiàn)松動、脫離現(xiàn)象，電容柱絕緣管外部被電弧熏黑。擋弧筒外表面上端和下端發(fā)黑，內(nèi)表面部分位置可見明顯鼓包且大面積發(fā)黑現(xiàn)象。電阻片全部絕緣電阻為0；27%完全破裂、脫落或部分開裂；35.5%發(fā)生擊穿，擊穿形態(tài)為孔洞狀。支撐桿絕緣支撐桿表面有碳化痕跡。

（2）中節(jié)：瓷套外表面清潔，內(nèi)表面大面積發(fā)黑。密封系統(tǒng)上下法蘭雙密封膠圈完好，沒有變形、錯位，彈性良好；氣閥和蓋子表面清潔。均壓電容1 柱均壓電容上、下端部螺栓連接未發(fā)現(xiàn)松動、脫離現(xiàn)象，電容柱絕緣管外部被電弧熏黑。擋弧筒外表面中部至上端發(fā)黑，內(nèi)表面玻璃絲翹起、發(fā)黑。電阻片全部絕緣電阻為0；33.3%完全破裂、脫落或部分開裂；41.7%發(fā)生擊穿，擊穿形態(tài)：孔洞狀。支撐桿絕緣支撐桿表面有碳化、過熱痕跡。

（3）下節(jié)：瓷套外表面清潔，內(nèi)表面大面積發(fā)黑。密封系統(tǒng)上、下法蘭雙密封膠圈完好，沒有變形、錯位，彈性良好；氣閥和蓋子表面清潔。擋弧筒外表面上端和中部發(fā)黑，有兩條裂紋，內(nèi)表面玻璃絲翹起。電阻片全部絕緣電阻為0；93.75%完全破裂、脫落或部分開裂。支撐桿絕緣支撐桿表面有多條放電碳化通道。

經(jīng)現(xiàn)場解體檢查：故障避雷器密封結(jié)構(gòu)系統(tǒng)良好且運行時間不長，可初步排除外部潮氣侵入引起內(nèi)部故障的可能[1-2]；電阻片電流擊穿損壞明顯，3 節(jié)避雷器電阻片存在明顯的上、下貫穿性擊穿現(xiàn)象，下節(jié)電阻片損壞最嚴(yán)重、較多的電阻片呈環(huán)狀破裂或脫落，中、上節(jié)電阻片損壞程度稍輕；下節(jié)絕緣支撐桿表面被電弧燒灼后表層環(huán)氧材料分解玻璃纖維裸露，形成多條由下法蘭向上法蘭不斷發(fā)展的碳化通道[3-5]。

2 故障過程

該站某500 kV 線路主一保護(hù)、主二保護(hù)、5042 斷控保護(hù)、5043 斷控保護(hù)動作，5043 開關(guān)B 相單跳重合成功，5042 開關(guān)單跳重合成功，故障電流10 500 A。保護(hù)動作時序為：主一保護(hù)差動電流2.016 A，滿足動作條件，12 ms 保護(hù)動作。主二保護(hù)差動電流2.234 A，滿足動作條件，13 ms 保護(hù)動作。保護(hù)動作后，5043 開關(guān)988 ms 重合閘動作，5042 開關(guān)1490 ms 重合閘動作。

然后，主一保護(hù)、主二保護(hù)、5042 斷控保護(hù)、5043 斷控保護(hù)動作，5043 開關(guān)單跳重合失敗三跳，5042 開關(guān)三跳，峰值故障電流21 976 A。故障發(fā)生時該站內(nèi)并無操作和其他設(shè)備故障跳閘，對側(cè)站也無操作和其他設(shè)備故障跳閘。經(jīng)檢查，保護(hù)動作正確，錄波完好。

該500 kV 線路繼電保護(hù)裝置采用GPS 時鐘，因此結(jié)合線路保護(hù)動作時間和雷電定位系統(tǒng)，可對該線路B 相先后兩次故障跳閘時段線路和該站的雷電活動情況進(jìn)行有效探測查詢。結(jié)合雷電幅值大小，巡線判斷是線路燒擊故障。經(jīng)現(xiàn)場檢查，該線路避雷器B 相上、中、下3 節(jié)的壓力釋放噴口均燒黑。

3 故障原因分析

本次500 kV 避雷器3 節(jié)故障形態(tài)如圖2 所示，其中弧形曲線為電弧燒蝕通道。填充黑色部分為環(huán)氧絕緣件，填充灰色部分為鋁墊塊，填充斜線部分為有開裂損壞的電阻片。從圖2 可以看出：電阻片的損壞程度自上節(jié)往下節(jié)依次變得更加嚴(yán)重，損壞率依次為27%、33%、93%，說明下節(jié)承受了最大的短路電流，并且3 節(jié)避雷器擊穿通道主要以電阻片體擊穿為主。從放電燒蝕通道推測：可能是下節(jié)避雷器首先發(fā)生放電短路，接著中、上節(jié)避雷器相繼發(fā)生放電故障，下節(jié)避雷器因為遭受電弧作用時間最長因而損壞最嚴(yán)重。由于避雷器最嚴(yán)重?fù)p壞情況是在避雷器承受正常運行相電壓下發(fā)生的，因此，故障前避雷器內(nèi)部（尤其是下節(jié)）很可能就已存在局部薄弱環(huán)節(jié)，如電阻片非正常老化缺陷，或絕緣件的局部絕緣缺陷。

圖2 避雷器內(nèi)部放電狀態(tài)

從故障錄波圖3 可以看出：該相第一次遭受雷擊跳閘，在線路等待重合閘期間，線路又遭受到了重復(fù)雷擊，持續(xù)線路開關(guān)已斷開，雷電過電壓在開關(guān)斷開處發(fā)生全反射，過電壓會較高，由于CVT 特性原因，具體電壓升高幅值無法測量。但是，從雷電定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析，最大雷電幅值為-24.9 kA。雷電流幅值并不大，加之經(jīng)過10 km 長的線路傳播衰減，正常運行的避雷器應(yīng)該能夠承受。并且，據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)的計算經(jīng)驗：在兩端懸空的情況下，雷電波的多次反射使避雷器絕緣受到多次沖擊。因此，在線路雙端懸空的條件下，雷電波對避雷器的威脅較為嚴(yán)重，估算得到本次重復(fù)雷電入侵在避雷器上產(chǎn)生的熱量不超過1 MJ，明顯小于核算的同型號避雷器通流容量7 MJ。

圖3 故障錄波

所以，在本次故障案例中，線路連續(xù)落雷造成避雷器吸收了大于其耐受能力的雷電沖擊過電壓能力直接引起熱崩潰故障的可能性很小。換言之，比較合理的解釋是，線路第一次雷擊并不是形成避雷器內(nèi)部局部薄弱環(huán)節(jié)的主要因素，而僅僅是加速了已存在的局部薄弱環(huán)節(jié)的進(jìn)一步劣化，也即線路連續(xù)落雷只是誘發(fā)因素。

避雷器內(nèi)部局部薄弱環(huán)節(jié)主要存在兩種可能：①部分電阻片存在質(zhì)量問題，線路連續(xù)落雷加速了這些電阻片發(fā)生擊穿，之后避雷器在工頻運行電壓下，剩余電阻片承受的電壓超過其允許值時，避雷器電阻片發(fā)生熱擊穿，最終導(dǎo)致故障發(fā)生；②絕緣支撐桿（尤其是下節(jié)）存在局部薄弱點，比如局部破損、裝配時烘干不充分等。避雷器投運后，絕緣支撐桿局部絕緣薄弱點產(chǎn)生沿面局部放電現(xiàn)象。線路連續(xù)落雷加速了絕緣支撐桿表面局部放電向表面爬電階段發(fā)展。之后避雷器在工頻運行電壓下，絕緣支撐桿表面形成短接上、下法蘭的電弧放電通道。由于剩余電阻片電壓承受能力已超過其允許值，避雷器電阻片發(fā)生熱擊穿，最終導(dǎo)致故障發(fā)生。

4 結(jié)束語

通過本次500 kV 避雷器故障分析，建議避雷器開展局部放電試驗，以及閥片加速老化試驗，以檢驗電阻片是否存在非正常老化；開展避雷器阻性電流及全電流帶電測試、紅外檢測；重點開展直流1 mA 及0.75 倍U1 mA 下的泄漏電流試驗。同時，積極開展避雷器各項狀態(tài)監(jiān)測新技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用，開展基于多傳感器陣列天線的電容型設(shè)備局部放電帶電檢測技術(shù)應(yīng)用，以及脈沖電流法的帶電檢測，提前發(fā)現(xiàn)避雷器缺陷，從而有效避免避雷器故障跳閘。