110 kV復(fù)合外套金屬氧化鋅避雷器爆炸故障分析

司文榮，王遜峰，莫穎濤，王昭夏，沈東明，張錦秀

（1.國(guó)網(wǎng)上海電科院，上海200437；2.國(guó)網(wǎng)上海嘉定供電公司，上海201800；3.國(guó)網(wǎng)上海市北供電公司，上海200072；4.國(guó)網(wǎng)上海金山供電公司，上海200540；5.國(guó)網(wǎng)上海市公司，上海200122）

0 引言

具有密封好、輕便、耐污和防爆性能強(qiáng)的110kV復(fù)合外套金屬氧化鋅避雷器（MOA）[1]，以其優(yōu)異的電氣性能逐漸取代了其它類型的MOA，在電網(wǎng)建設(shè)中得到了廣泛使用。MOA在運(yùn)行中長(zhǎng)期直接承受電網(wǎng)運(yùn)行電壓、工頻過電壓、各種操作過電壓以及外部過電壓（大氣過電壓），由于自身或外部因素，均有可能導(dǎo)致MOA發(fā)生故障[2-3]，主要因素有：

1）內(nèi)部受潮[4-6]。密封圈老化、電阻片烘干不徹底、絕緣件受潮、裝配過程中潮氣進(jìn)入等都會(huì)造成MOA內(nèi)部由于水分的存在引發(fā)故障。據(jù)統(tǒng)計(jì)，MOA故障原因中內(nèi)部受潮占比可達(dá)60%。特別是密封失效，在外部環(huán)境冷熱循環(huán)的變化下，內(nèi)部空氣膨脹或者收縮形成呼吸，潮氣侵入MOA內(nèi)部，進(jìn)而引發(fā)高電壓作用下的放電故障導(dǎo)致設(shè)備本體爆炸或燒毀。

2）內(nèi)部放電[7-8]。①組裝過程中工藝質(zhì)量如果控制不良，硅膠液體封裝、絕緣件纏繞或澆注等內(nèi)部存在氣泡、雜質(zhì)或水分，運(yùn)行電壓下電場(chǎng)分布不均會(huì)產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象，從而破壞內(nèi)絕緣，并逐步擴(kuò)大形成貫穿性放電通道，致使MOA在短路電流作用下發(fā)生爆炸或燒毀。②多個(gè)氧化鋅（ZnO）電阻片串聯(lián)常使用絕緣筒、絕緣棒或絕緣拉桿等絕緣件固定電阻片組，用于避免電阻片錯(cuò)位，若絕緣件老化、本體缺陷或設(shè)計(jì)不合理，則容易造成沿電阻片組與絕緣件間隙間的沿面放電，同樣會(huì)逐步擴(kuò)大形成貫穿性沿面閃絡(luò)，致使MOA在短路電流作用下發(fā)生爆炸或燒毀。

3）電阻片老化[9-11]。MOA長(zhǎng)期運(yùn)行于高電壓作用下，由于電阻片的個(gè)體差異，其老化程度也不盡相同，使得電阻片電位分布不均勻，造成MOA泄漏電流和功率損耗的增加。以下幾種工況會(huì)加速M(fèi)OA電阻片的老化：①參數(shù)選擇不合理，MOA持續(xù)運(yùn)行電壓偏低，使電阻片一直運(yùn)行在高荷電率的狀態(tài)下；②中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，發(fā)生單相接地故障，健全相電壓隨之升高，加重MOA的負(fù)擔(dān)；③大氣過電壓、系統(tǒng)過電壓、諧波也是影響電阻片壽命的重要因素。由于目前采用的MOA大多不帶間隙，這樣電阻片長(zhǎng)期承受工頻電壓，運(yùn)行期間總有電流流過電阻片，另外再加上局部放電、內(nèi)部受潮等因素的作用，加劇MOA電阻片老化，阻性泄漏電流增加，導(dǎo)致MOA電阻片溫度升高直至發(fā)生熱崩饋，從而引發(fā)電網(wǎng)事故。

4）外絕緣等問題[12-14]。MOA外絕緣問題與其他高壓設(shè)備外絕緣問題相似，在污穢、局部缺陷、外傷等因素影響下，會(huì)出現(xiàn)外絕緣閃絡(luò)等現(xiàn)象。MOA在運(yùn)輸過程中受過大的沖擊振動(dòng)使內(nèi)部相關(guān)元件受損或電阻片錯(cuò)位等引發(fā)相關(guān)故障。此外，MOA若安裝不當(dāng)或其他原因引起應(yīng)力過大，會(huì)導(dǎo)致MOA的傾倒、基座開裂、斷裂等問題。

筆者對(duì)一起首次發(fā)生在上海電網(wǎng)電纜出線的110 kV復(fù)合外套MOA爆炸故障進(jìn)行診斷分析，通對(duì)該型號(hào)MOA進(jìn)行外觀檢查、電氣試驗(yàn)和解體拆卸，結(jié)合故障時(shí)刻天氣、電網(wǎng)運(yùn)行工況等因素，確定該MOA是自身制造缺陷存在內(nèi)部放電，最終發(fā)展形成貫穿性絕緣擊穿致使MOA在短路接地電流作用下發(fā)生爆炸故障。最后，根據(jù)目前現(xiàn)行規(guī)程和技術(shù)手段，提出結(jié)合定期巡視、帶電檢測(cè)和停電例行試驗(yàn)，對(duì)MOA運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行把控，盡量避免故障的發(fā)生。

1 故障概況

2016年8月4日3點(diǎn)08分110 kV聯(lián)發(fā)站110 kV出線聯(lián)牽1S009線零流I段、過流I段保護(hù)動(dòng)作，開關(guān)跳閘，重合不成功。通過SCADA系統(tǒng)查詢電壓電流情況如下：故障前電流為13.61 A，電壓為113.48 kV。110 kV聯(lián)發(fā)站部分電氣接線、故障錄波以及故障現(xiàn)場(chǎng)如下圖1至圖3所示。

圖1 聯(lián)發(fā)站部分電氣接線圖Fig.1 Partial electrical wiring diagram of Lianfa substation

圖2 聯(lián)發(fā)站110 kV出線聯(lián)牽1S009線故障錄波圖Fig.2 Fault recording of the 110 kV line Lianqian 1S009 of Lianfa substation

經(jīng)勘查發(fā)現(xiàn)聯(lián)牽1S009線A相MOA爆炸，從而引發(fā)跳閘事故，安排搶修更換三相MOA后，送電正常。該MOA出廠日期為2011年11月，投運(yùn)于2012年6月25日，運(yùn)行至今約4年，編號(hào)為300。型號(hào)為YH10W-108/281，額定電壓108 kV，持續(xù)運(yùn)行電壓84 kV，標(biāo)稱放電電流10 kA，直流1 mA參考電壓≥148 kV，雷電沖擊電流殘壓≤266 kV，2 mS方波沖擊耐受電流600 A。運(yùn)維單位按上級(jí)單位要求，將故障MOA及另2相非故障MOA一起送往電科院設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)中心開展故障原因分析。

圖3 110 kV聯(lián)牽1S009線故障現(xiàn)場(chǎng)Fig 3 The fault onsite of the 110 kV line Lianqian 1S009

2 診斷分析

2.1 故障相觀察

圖4對(duì)該故障MOA不同部位進(jìn)行了觀察和照片拍攝，該MOA已爆炸成兩節(jié)和多個(gè)碎塊（圖4（a）至圖（b）），硅橡膠傘裙外套和環(huán)氧玻璃纖維纏繞布在大電流致使電阻片爆炸產(chǎn)生的沖擊下斷裂并部分燒毀，所有電阻片均受力發(fā)生破裂或存在裂紋，即無完整的穿心式ZnO電阻片（圖4（c）至圖（e））。與圖5所示結(jié)構(gòu)剖面圖進(jìn)行對(duì)比可得出：該復(fù)合外套MOA采用環(huán)氧玻璃纖維纏繞布和環(huán)氧玻璃纖維引拔棒，將穿心式ZnO電阻片定位于上下金具電極間，構(gòu)成一完整無空腔環(huán)氧玻璃纖維纏繞芯體；并在其外采用注射成型工藝制成一體化硫化成型硅橡膠傘裙外套。即它將帶有ZnO電阻片的環(huán)氧玻璃纖維纏繞芯體用硅橡膠傘裙外套整體包裹成一密封整體，用于杜絕外部潮氣的侵入。并在環(huán)氧玻璃纖維纏繞芯體外表面涂有偶離劑，保證環(huán)氧玻璃纖維纏繞芯體與硅橡膠傘裙外套間粘結(jié)牢靠，用于防止介面存在氣泡或微小縫隙。

從圖2上可看出：A相電壓不到5 ms內(nèi)跌落到0 V，電流也隨之上升，此時(shí)避雷器內(nèi)部絕緣已形成貫穿性擊穿通道致使A相短路接地，在保護(hù)動(dòng)作范圍時(shí)間內(nèi)短路接地電流穩(wěn)定燃燒約2個(gè)工頻周期后，發(fā)生爆炸，故障錄波圖上電流波形成非正弦不規(guī)則狀。依據(jù)圖4所示故障避雷器照片，該故障避雷器從約3/4處發(fā)生爆炸至底部約1/8處，避雷器上部金具和底部金具聯(lián)接處均完好（見圖4（b）、圖（f）），推斷該避雷器金具聯(lián)接部分密封良好，無潮氣進(jìn)入可排除由避雷器上部金具和底部金具聯(lián)接處潮氣進(jìn)入引發(fā)高電壓作用下的放電故障導(dǎo)致設(shè)備本體爆炸，但不能排除避雷器整體密封完好，也可能是中間部分出現(xiàn)密封問題（工藝缺陷）。而根據(jù)爆炸部位以及圖4（a）所示環(huán)氧玻璃纖維纏繞布和環(huán)氧玻璃纖維引拔棒的燒毀情況，可初步推斷為該MOA是自身制造缺陷存在內(nèi)部放電，最終發(fā)展形成貫穿性絕緣擊穿致使MOA在短路接地電流作用下發(fā)生爆炸故障。此外，從圖4（c）和圖4（e）可以看出，電阻片是從中間擊穿的，也可能是個(gè)別電阻片質(zhì)量缺陷或通流容量不夠，劣化，逐步發(fā)展貫穿性擊穿。

圖4 故障避雷器多個(gè)部位觀察Fig.4 Inspection of multiple parts of the fault MOA

圖5 故障避雷器剖面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Diagrammatic cross-section of the fault MOA

2.2 正常相電氣試驗(yàn)

將圖6所示送至電科院設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)中心的另兩相非故障、同廠家和安裝批次的MOA（編號(hào)為301和302）在高壓大廳內(nèi)進(jìn)行了直流1 mA參考電壓、0.75倍直流1 mA參考電壓下泄漏電流、持續(xù)運(yùn)行電壓下泄漏全電流和阻性電流、交流參考電壓診斷試驗(yàn)。

圖6 B、C相非故障避雷器Fig 6 B and C phases non fault MOAs

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖如下圖7所示，1 mA直流參考電壓U1mA和75%U1mA下泄漏電流試驗(yàn)用儀器為ZGS系列智能型直流高壓試驗(yàn)器（見圖7（a）和圖（c）），運(yùn)行電壓下電流、交流參考電壓試驗(yàn)用儀器為RCM2500型MOA阻性電流測(cè)試儀（見圖7（b）和圖（d））。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，Ix為泄漏全電流有效值，Ixp為泄漏全電流峰值，Irp為泄漏阻性電流峰值。根據(jù)GB 11032-2000《交流無間隙金屬氧化物避雷器》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中表6典型的電站和配電用避雷器參數(shù)，避雷器額定電壓（有效值）108 kV、持續(xù)運(yùn)行電壓（有效值）84 kV的參數(shù)要求：直流1 mA參考電壓≥157 kV、0.75倍直流1mA參考電壓下泄漏電流≤50 μA、持續(xù)運(yùn)行電壓下泄漏全電流和阻性電流應(yīng)不超過規(guī)定值（該值由制造廠規(guī)定和提供）、工頻參考電壓（在制造廠選定的參考電流下由制造廠測(cè)量），表1所示的試驗(yàn)結(jié)果表明標(biāo)另兩相編號(hào)為301和302非故障、同廠家和安裝批次的MOA試驗(yàn)參數(shù)都符合相關(guān)要求。

此外，進(jìn)行交流和直流電參考?jí)涸? mA工況的換算如下：編號(hào)301，1 mA交流參考電壓116.8kV*1.414=165.1kV（1mA直流參考電壓試驗(yàn)值為165kV）；編號(hào)302，1 mA交流參考電壓115.4 kV*1.414=163.8 kV（1 mA直流參考電壓試驗(yàn)值為164 kV）。即阻性電流1mA直流參考電壓值為交流參考電壓值的倍。

圖7 避雷器直流/交流診斷電氣試驗(yàn)Fig.7 Diagnosis electrical tests for MOA under DC/AC

2.3 正常相解體

圖8對(duì)編號(hào)301的非故障避雷器進(jìn)行了簡(jiǎn)單解體，對(duì)避雷器本體上下電極連接的金具和底座進(jìn)行了拆卸，結(jié)果表明該兩個(gè)部分密封完好、干燥，無潮氣進(jìn)入的跡象；對(duì)本體外絕緣進(jìn)行了材料剝離，實(shí)施切割時(shí)非常困難，僅查看了隨機(jī)選定部分，結(jié)果表明該環(huán)氧玻璃纖維纏繞芯體與硅橡膠傘裙外套間粘結(jié)非常牢靠、無縫隙。

2.4 其他因素考慮

根據(jù)氣象部門資料，MOA爆炸故障發(fā)生時(shí)上海地區(qū)天氣為晴天，因而該變電站和相連的變電站以及該線路上空不存在雷擊的情況?；谏虾ｋ娋W(wǎng)雷電定位系統(tǒng)查詢（見圖9），設(shè)置條件：時(shí)間浮動(dòng)3 600 s（前后1小時(shí)）、距離浮動(dòng)500 m（線路走廊寬度半徑500 m），系統(tǒng)沒有查詢到落雷點(diǎn)。圖9中黃色園點(diǎn)所示為2016年度至該MOA爆炸當(dāng)天聯(lián)牽1S009線附近的落雷點(diǎn)分布情況，表明該MOA在運(yùn)行過程中可能承受過一定次數(shù)的大氣過電壓，但由于沒有安裝計(jì)數(shù)器，無法統(tǒng)計(jì)數(shù)次。

此外，根據(jù)圖2所示故障錄波圖，可以判定爆炸前系統(tǒng)沒有進(jìn)行操作，處于無操作的平靜狀態(tài)，因此爆炸初因也不是由操作過電壓引發(fā)，而僅是在運(yùn)行電壓下的絕緣擊穿。

表1 編號(hào)301和302避雷器電氣診斷性試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Diagnosis electrical test results of MOA 301 and 302

圖8 301號(hào)非故障避雷器拆卸Fig.8 Disassembly of the 301 non fault MOA

3 結(jié)論與探討

根據(jù)投運(yùn)時(shí)間至今僅4年，在排除外絕緣、大氣過電壓和操作過電壓等因素，結(jié)合故障相避雷器外檢查、正常相電氣試驗(yàn)和解體拆卸結(jié)果，可判定：根據(jù)爆炸部位以及環(huán)氧玻璃纖維纏繞布和環(huán)氧玻璃纖維引拔棒的燒毀情況，該MOA是自身制造缺陷存在內(nèi)部放電，最終發(fā)展形成貫穿性絕緣擊穿致使MOA在短路接地電流作用下發(fā)生爆炸故障。即爆炸故障由內(nèi)部放電發(fā)展引起。而內(nèi)部放電逐步引發(fā)的貫穿性絕緣擊穿，可能是該避雷器成型過程中工藝質(zhì)量控制不良，環(huán)氧玻璃纖維纏繞電阻片柱時(shí)或硅橡膠傘裙外套澆注時(shí)內(nèi)部存在氣泡、雜質(zhì)或水分，運(yùn)行電壓下電場(chǎng)分布不均生產(chǎn)局部放電現(xiàn)象，逐步擴(kuò)大并絕緣擊穿形成貫穿性放電通道，致使MOA在短路接地電流下發(fā)生爆炸故障；也有可能該是MOA使用的環(huán)氧玻璃纖維引拔棒有制造缺陷，運(yùn)行電壓下與穿心電阻片組內(nèi)表面發(fā)生沿面放電，最終發(fā)展成沿環(huán)氧玻璃纖維引拔棒及電阻片組內(nèi)表面的貫穿性沿面閃絡(luò)。此外，也可能是個(gè)別電阻片質(zhì)量缺陷或通流容量不夠，劣化，逐步發(fā)展貫穿性擊穿。

圖9 故障避雷器線路走廊落雷情況Fig.9 Lightning distribution of the line corridor with the fault MOA

目前，上海電網(wǎng)運(yùn)行中的110kV復(fù)合外套MOA另一種結(jié)構(gòu)如圖10所示[15-17]，主要由硅橡膠復(fù)合外套、絕緣筒和電阻片組成，將電阻片組串聯(lián)疊加封裝于絕緣筒內(nèi)，采用一次壓制工藝將其密封于硅橡膠體內(nèi)，形成完整的MOA。兩種結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于故障避雷器是用環(huán)氧玻璃纖維引拔棒固定穿心式電阻片，再由環(huán)氧玻璃纖維纏繞布包裹成芯體，而圖10所示僅用絕緣筒封裝放置非穿心式電阻片形成芯體。

圖10 非穿心式典型復(fù)合外套金屬氧化物避雷器結(jié)構(gòu)Fig.10 Non cross-core typical polymer-housed MOA structure

這兩種結(jié)構(gòu)110 kV復(fù)合外套MOA可歸納為：復(fù)合外套、電阻片固定部件和電阻片這三個(gè)主要部分。而每個(gè)部分的工藝和質(zhì)量都將對(duì)MOA質(zhì)量及壽命造成影響。MOA的復(fù)合外套一般由硫化硅橡膠材料一次成型，制作過程采用了芯體與硅橡膠的粘結(jié)工藝。根據(jù)目前上海電網(wǎng)運(yùn)行實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，無外套電性能和老化性能降低的情況或問題發(fā)生。電阻片固定部件即芯體，其密封性能決定了MOA是否會(huì)受潮，兩種結(jié)構(gòu)都采用密封結(jié)構(gòu)阻止水分進(jìn)入，但在生產(chǎn)過程中如果工藝質(zhì)量控制不良，使得內(nèi)部存在氣泡、雜質(zhì)或水分，進(jìn)而影響整個(gè)MOA的質(zhì)量。此外，電阻片制作對(duì)生產(chǎn)環(huán)境、原料選用和工藝等均有較高的要求，很多MOA廠家采用外包方式采購(gòu)電阻片，如果選用的電阻片老化特性不良或均一性較差，均會(huì)引發(fā)運(yùn)行電位分布不均導(dǎo)致局部發(fā)熱等故障，影響MOA使用壽命。

總之，文中所示110 kV復(fù)合外套MOA爆炸故障事件在上海電網(wǎng)為首次發(fā)生，該型號(hào)由于其特殊結(jié)構(gòu)在今后運(yùn)維檢修中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注，也需引起各運(yùn)維單位的注意。

4 建議

為了避免MOA發(fā)生故障：一方面應(yīng)加強(qiáng)設(shè)備選型和訂貨的監(jiān)督，在物資采購(gòu)階段嚴(yán)格把控；另一方面加強(qiáng)運(yùn)行維護(hù)，MOA發(fā)生故障需要一個(gè)發(fā)展過程，特別是運(yùn)行多年的MOA，應(yīng)加強(qiáng)運(yùn)行監(jiān)控[17]，可采取的手段主要有：

1）定期巡視。將MOA計(jì)數(shù)器的泄漏電流數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，繪制曲線進(jìn)行每月分析。對(duì)泄漏電流突然增大應(yīng)召開專題討論，根據(jù)結(jié)論開展帶電測(cè)試或停電試驗(yàn)。注：110 kV及以上電纜出線MOA無計(jì)數(shù)器和泄漏電流監(jiān)測(cè)儀的應(yīng)申請(qǐng)技術(shù)改造。

2）帶電檢測(cè)。開展紅外測(cè)溫工作[18]，對(duì)MOA進(jìn)行紅外診斷。當(dāng)發(fā)現(xiàn)熱像異?；蛳嚅g溫差超過規(guī)定值，應(yīng)采用其他試驗(yàn)手段確定缺陷性質(zhì)及處理意見。每年雷雨季節(jié)前，應(yīng)加強(qiáng)MOA的阻性電流帶電測(cè)試[19]，當(dāng)帶電測(cè)試阻性電流超過初始值的1.5倍時(shí)，應(yīng)縮短檢測(cè)周期，并進(jìn)行紅外檢測(cè)診斷；當(dāng)阻性電流超過初始值2倍時(shí)，應(yīng)立即停電檢查。有條件的可引入脈沖電流局部放電檢測(cè)[20]，以便及時(shí)了解MOA的受潮或內(nèi)部放電發(fā)展情況，當(dāng)有明顯局部放電信號(hào)且有數(shù)值增大趨勢(shì)，則同樣需立即停電檢查。

3）電氣試驗(yàn)。結(jié)合停電周期，按照規(guī)程對(duì)MOA開展直流1mA參考電壓、0.75倍直流1mA參考電壓下泄漏電流、持續(xù)運(yùn)行電壓下泄漏全電流和阻性電流、工頻參考電壓等電氣試驗(yàn)，注意試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比和分析。

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