10kV避雷器失效原因分析及建議措施

賀吉昌

（中廣核陸豐核電有限公司，廣東汕尾516600）

1 工程概述

某220kV開關(guān)站正常運行期間，運行人員發(fā)現(xiàn)繼保室出現(xiàn)報警，主變低壓側(cè)保護動作跳開主變進線開關(guān)及聯(lián)跳主變高壓側(cè)開關(guān)。經(jīng)檢查故障錄波波形發(fā)現(xiàn)10kVⅠ段母線C相有放電閃絡(luò)約400A的電流持續(xù)70ms后，A、B、C發(fā)生三相短路故障。現(xiàn)場人員進入配電室檢查，確定10kVⅠ段母線有短路故障造成開關(guān)保護動作跳閘，Ⅰ段母線PT柜后室內(nèi)有明顯的放電痕跡，PT柜內(nèi)C相避雷器已損壞，A、B兩相避雷器外絕緣正常，未發(fā)現(xiàn)開裂變形痕跡，本體無損壞現(xiàn)象。

2 事件原因分析

2.1 根據(jù)故障錄波器波形進行事件過程分析

事件發(fā)生后，調(diào)取事故過程中的故障波形進行分析，該事故過程中10kV電壓電流波形如圖1所示。

根據(jù)故障波形圖，判斷故障發(fā)生時序如下：

1）故障自00:59:31左右開始，至變壓器保護動作跳開變壓器高低壓側(cè)斷路器結(jié)束，持續(xù)時間約1.5s；

2）故障前160ms電壓、電流二次值數(shù)據(jù)：UA=61.241 7V、UB=60.168 19V、UC=61.466 23V、IA=0.000 26A、IB=0.000 41A、IC=0.000 47A。此時，三相電壓基本平衡、電流基本為0A，設(shè)備正常運行。

3）故障開始時電壓、電流二次值數(shù)據(jù)：UA=86.783 69V、UB=87.993 15V、UC=21.331 93V、IA=0.000 41A、IB=0.000 96A、IC=0.107 85A。此時，C相電壓明顯降低，同時A/B兩相電壓升高，因此，分析出此時C相出現(xiàn)接地故障。

4）故障發(fā)展為三相短路時的電壓、電流二次數(shù)據(jù)：UA=2.921 00V、UB=3.12702V、UC=5.17871V、IA=5.10376A、IB=5.56128A、IC=4.862 27A。此時，三相電壓很低，電流約為額定電流7～8倍，且三相基本平衡，折算一次電流大約在12 000～13 000A，此時，已發(fā)展為三相接地短路故障。

圖1 故障過程中電壓電流波形圖

5）事故大約在00:59:33.0801時變壓器保護過流二段動作，變壓器高低壓側(cè)斷路器跳開，故障切除。

2.2 事件可能原因分析

經(jīng)與廠家及現(xiàn)場技術(shù)人員討論分析，認為造成此次事故的可能原因有：

1）基于C相避雷器絕緣外殼出現(xiàn)破裂的現(xiàn)象，推測由于避雷器安裝后在長期不運行，潮濕水汽經(jīng)由硅橡膠層滲透到內(nèi)部。而在投運前，避雷器沒有經(jīng)過泄漏電流試驗就送電。在送電后，由于避雷器內(nèi)部泄漏電流過大，發(fā)熱開裂，導(dǎo)致避雷器絕緣破壞，避雷器連接導(dǎo)體經(jīng)由受破壞的避雷器外表對地放電，最終發(fā)展形成柜內(nèi)的三相弧光短路。

2）在對避雷器進行檢查的過程，發(fā)現(xiàn)其他未發(fā)生故障柜內(nèi)元器件上有明顯積灰塵現(xiàn)象，在設(shè)備長期不運行的過程中，避雷器外絕緣層由于灰塵和潮濕的作用，外絕緣層絕緣較低，在送電后避雷器外表層出現(xiàn)對地閃烙放電現(xiàn)象，進一步演變避雷器外殼破裂并導(dǎo)致柜內(nèi)相間的弧光短路。

3）技術(shù)人員現(xiàn)場檢查時，發(fā)現(xiàn)柜體后門板下沿邊的緊固螺絲沒有鎖上，存在5個螺孔，因此，不排除有體積較小的動物（如壁虎）進入柜內(nèi)，從而引起相間絕緣隔離縮短，造成相間弧光短路。

為了對損壞的C相避雷器做進一步分析，將損壞的避雷器以及現(xiàn)場更換下來的試驗不合格避雷器，送至避雷器廠家進行解體測試和分析。

2.3 C相避雷器根本原因分析

避雷器廠家將現(xiàn)場更換下來的24支避雷器進行檢測，除C相爆炸的避雷器已嚴(yán)重損壞，內(nèi)部存在短路無法進行測試，其相鄰的A、B相2支及其他更換下來的21支同型號同批次的避雷器均符合U1mA≥24kV，0.75U1mA參考電壓下的泄漏電流≤15μA的電氣性能要求，各項測試結(jié)果均滿足GB 11032—2016《金屬氧化鋅避雷器》要求，表明避雷器的質(zhì)量問題可以排除。

將C相避雷器硅膠面進行解剖，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部芯體表面絕緣層已經(jīng)損壞，避雷器內(nèi)部電阻片上有1條明顯的放電通道，如圖2所示，因此，可以推斷該避雷器電阻片表面應(yīng)有大電流通過。

根據(jù)廠家對C相避雷器解體測試和分析，推斷出造成可能該避雷器損壞的因素：

1）過電壓：系統(tǒng)操作過電壓超出避雷器額定值或現(xiàn)場工頻耐壓實驗通電前存在工頻過電壓風(fēng)險，導(dǎo)致避雷器經(jīng)受過電壓后，其內(nèi)部電阻片出現(xiàn)加速老化。

2）過電流：操作波電流在400A及以上時，次數(shù)達到20次時，避雷器電阻片將出現(xiàn)老化現(xiàn)象。廠家在內(nèi)部破壞性抽驗中，在400A時耐受沖擊18次，耐受后的避雷器電阻片均不能正常使用。

3）機械外力或安裝導(dǎo)致：設(shè)備在安裝過程中，可能出現(xiàn)過程摔落或安裝緊固時過于松動的現(xiàn)象，這樣將導(dǎo)致避雷器因接觸不良而出現(xiàn)間隙放電現(xiàn)象，可能導(dǎo)致避雷器本體受損，長時間的工頻耐受電壓，導(dǎo)致電阻片受損。

4）運行環(huán)境影響：該項目靠近沿海，空氣鹽分及空氣濕度較大，容易受潮。由于硅橡膠本身具有一定的憎水性，但同時也具有透氣性，短期內(nèi)水分是不能進入避雷器內(nèi)部芯體表面，當(dāng)避雷器長期處于潮濕的環(huán)境中，有可能外界潮氣入侵避雷器內(nèi)部芯體，當(dāng)內(nèi)、外濕度達到平衡時，潮氣無法排出，在此情況下避雷器通電運行很可能發(fā)生閃絡(luò)，擊穿事故。

由此廠家認為該避雷器損壞的根本原因為避雷器受污穢、潮濕等運行環(huán)境因素影響導(dǎo)致絕緣閃絡(luò)，造成避雷器的損壞。

圖2 C相避雷器內(nèi)部電阻片放電通道圖

3 結(jié)論

綜合以上分析，廠家認為避雷器電氣性能是滿足相關(guān)法規(guī)要求，不存在質(zhì)量問題。避雷器在系統(tǒng)過電壓、過電流、外力受損或安裝接觸不良、運行環(huán)境較差（污穢與潮濕）等不利因素作用下，使避雷器投運前已處于一種受損狀態(tài)。隨后在超過避雷器耐受電壓，內(nèi)部短路，溫度驟增的情況下，產(chǎn)生高溫電弧破壞避雷器芯體及電阻片外絕緣層，引起避雷器電阻片側(cè)面閃絡(luò)，大量的熱量使氣體急劇膨脹，巨大的能量來不及釋放，促使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，引起避雷器損壞。

4 防止避雷器損壞的建議

為了有效預(yù)防此類事件的再次發(fā)生，因此，從工程建設(shè)及運維方面制訂了相應(yīng)的檢查措施，相關(guān)的建議行動如下：

1）對于現(xiàn)場已安裝運行的同一批次其他避雷器，日常檢測其運行的全電流狀況。停盤檢修時對避雷器進行清潔檢查處理，條件允許時拆下來進行泄漏電流以及直流電壓值檢測，消除設(shè)備外沿面放電的隱患。

2）若設(shè)備較長時間停運未運行，在計劃送電運行前，先打開柜門進行換氣排潮處理。同時檢查柜內(nèi)或配電室內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)，確保運行環(huán)境干燥。對于較潮濕的環(huán)境下，避雷器安裝前、后及送電投運前應(yīng)進行檢測試驗。