一起避雷器發(fā)熱缺陷處理及分析

潘院鵬

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司韶關(guān)供電局，廣東 韶關(guān) 512000)

1 引言

常見的避雷器多為金屬氧化物避雷器，具有非線性、大通流容量等特點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。而長期的運(yùn)行中如果檢修維護(hù)不到位，會(huì)出現(xiàn)避雷器受潮劣化等問題，除了外部風(fēng)吹日曬的影響，避雷器設(shè)計(jì)有缺陷或者用材不理想也會(huì)加劇其內(nèi)部受潮，嚴(yán)重情況下會(huì)出現(xiàn)避雷器運(yùn)行爆炸事故。因此有必要對避雷器常見缺陷及維護(hù)進(jìn)行探討。

2 避雷器工作原理

作為電力系統(tǒng)電站過電壓防護(hù)系統(tǒng)中的重要構(gòu)成，其與架空地線、避雷針及浪涌防護(hù)器等設(shè)備共同構(gòu)成電站過電壓防護(hù)系統(tǒng)。如果導(dǎo)線上產(chǎn)生過電壓時(shí)避雷器將先于被保護(hù)設(shè)備而導(dǎo)通，用于釋放過電壓能量，以降低電壓幅值，使得電力設(shè)備免受電壓損害。氧化鋅避雷器較為常見，具有響應(yīng)及時(shí)、無工頻續(xù)流、殘壓低等優(yōu)勢，被認(rèn)為是電氣設(shè)備絕緣配合的基礎(chǔ)。

ZnO是避雷器的核心構(gòu)成，閥片則具有壓敏電阻性質(zhì)，當(dāng)電阻值隨著外部施加的電壓升高時(shí)，對應(yīng)的非線性下降，氧化鋅避雷器伏安特性曲線如圖1所示。而在預(yù)擊穿區(qū)域，即I<1mA區(qū)域ZnO閥片電阻很大，對應(yīng)的經(jīng)流閥片的電流為微安級(jí)，產(chǎn)生的熱量少。而一般情況下避雷器運(yùn)行電壓會(huì)始終低于起始動(dòng)作電壓，也就是說預(yù)擊穿區(qū)對應(yīng)的是避雷器的正常工作狀態(tài)區(qū)，如果該區(qū)域長期處于超負(fù)荷狀態(tài)，閥片電阻值與溫度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，閥片溫度升高阻值持續(xù)下降，避雷器工作點(diǎn)右移到電流更高區(qū)域。而1mA

圖1 氧化鋅避雷器伏安特性曲線

3 一起典型的避雷器發(fā)熱缺陷故障

3.1 故障事件

2021年3月31日，變電管理二所220kV翁江變電站紅外巡視，發(fā)現(xiàn)220kV翁江變電站110kV翁南線A相、B相線路避雷器存在發(fā)熱異常，發(fā)熱點(diǎn)與正常相溫差均超0.5K，根據(jù)?DLT 664－2016帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范?判斷A、B相避雷器為電壓致熱型緊急缺陷。設(shè)備為YH10W－108/268W型避雷器。

3.2 故障排查

以C相避雷器器作為完好避雷器設(shè)定參考相位，對A、B相進(jìn)行運(yùn)行電壓下的泄漏電流測試，A、B相全電流無明顯增長，阻性電流分別增長35%和49%。結(jié)果表明A、B相避雷器內(nèi)部氧化鋅閥片存在老化或劣化缺陷。解體后發(fā)現(xiàn)A、B相避雷器內(nèi)部干燥，沒有受潮痕跡。對單個(gè)氧化鋅閥片進(jìn)行絕緣電阻試驗(yàn)，結(jié)果顯示上半部閥片劣化嚴(yán)重，中下部部分閥片存在同樣劣化情況。

4 避雷器劣化原因分析

4.1 內(nèi)部組件受潮

在避雷器運(yùn)行故障中，因?yàn)閮?nèi)部組件受潮引發(fā)的避雷器故障占比高達(dá)60%多，一般來說，質(zhì)量達(dá)標(biāo)的避雷器在實(shí)際運(yùn)行的過程中出現(xiàn)組件受潮主要原因是密封老化失效。正常情況下，密封件的生命周期是20年，如果避雷器長期運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)間越長，內(nèi)部組件受潮的風(fēng)險(xiǎn)就越大。當(dāng)密封件失效，內(nèi)部氣體逐漸泄露，外部的潮氣則在呼吸作用下進(jìn)入到避雷器的內(nèi)部，基于避雷器內(nèi)外部較大的溫差，避雷器內(nèi)部元件表面會(huì)產(chǎn)生凝露現(xiàn)象，多次凝露現(xiàn)象以后，避雷器組件受潮，或者出現(xiàn)內(nèi)部閃絡(luò)。避雷器內(nèi)部組件受潮后引發(fā)避雷器的電流泄露，并使得避雷器持續(xù)處于發(fā)熱狀態(tài)下，在不斷的熱效應(yīng)累積下，避雷器的核心構(gòu)成ZnO閥片的伏安特性變化明顯，閥片不斷老化，最終引發(fā)避雷器的熱崩潰，內(nèi)部閃絡(luò)則直接引發(fā)接地故障。如果避雷器頂部密封失效特別嚴(yán)重，遇到大雨天氣，雨水會(huì)直接從密封失效的部分進(jìn)入到避雷器的內(nèi)部，在很短的時(shí)間內(nèi)就引發(fā)避雷器內(nèi)部組件的嚴(yán)重受潮問題。

4.2 閥片老化原因

閥片老化也是避雷器劣化的原因之一。一般情況下ZnO閥片劣化的原因無外乎是長期的超負(fù)荷運(yùn)作，荷電率與泄露電流呈正相關(guān)關(guān)系，荷電率越高，泄露的電流越大，對應(yīng)的熱效應(yīng)累積越快，伴隨的閥片劣化速度也更快。避雷器內(nèi)部閥片多以串聯(lián)的方式連接，不同的閥片有著相同的分壓，而在實(shí)際的生產(chǎn)中，這種相同分壓的閥片多為理想狀態(tài)下，在生產(chǎn)中很難做到閥片質(zhì)量的相同分壓，無法確保閥片質(zhì)量的完全均一。在閥片壽命的后期，部分閥片因?yàn)楹呻娐书L期在較高的水平狀態(tài)下而先劣化，這也意味著原有的避雷器閥片數(shù)量減少，在電網(wǎng)不變的情況下，除了劣化掉的閥片，剩余的閥片負(fù)擔(dān)增加，也使得它們劣化的風(fēng)險(xiǎn)更大，也形成閥片惡化的惡性循環(huán)。現(xiàn)有的閥片無法擔(dān)負(fù)電壓變會(huì)出現(xiàn)避雷器內(nèi)部擊穿接地的問題。閥片的老化也不排除是過電壓沖擊、受潮及諧波等作用的結(jié)果，在雷暴活動(dòng)頻繁的區(qū)域，避雷器動(dòng)作頻率高，閥片的老化速度更快，而線路避雷器中因?yàn)殚L期飽受工頻電壓的影響，其閥片老化速度也將明顯快于系統(tǒng)中性點(diǎn)避雷器。

4.3 外絕緣污穢導(dǎo)致

引發(fā)避雷器劣化的原因是多方面，除了前面提到的內(nèi)部組件受潮及閥片問題外，外絕緣存在污穢的情況下，避雷器劣化的幾率更大。引發(fā)避雷器外絕緣污穢的原因是未定期地進(jìn)行避雷器的清理，或者避雷器外絕緣爬電比距與與所處的大氣環(huán)境污穢等級(jí)不符合。一旦出現(xiàn)外絕緣污穢很容易出現(xiàn)沿面閃絡(luò)，進(jìn)而引發(fā)接地故障。避雷器的外絕緣污穢清理不到位也使得外套電位分布不均勻，外套與內(nèi)部閥片產(chǎn)生徑向電位差，如果電位差較大，會(huì)出現(xiàn)局部放電的情況，如果處理不及時(shí)或者處理不到位會(huì)引發(fā)避雷器的持續(xù)發(fā)熱，最終引發(fā)避雷器運(yùn)行中的爆炸事故。因此避雷器外絕緣的污穢問題需要高度重視。

以此次避雷器發(fā)熱缺陷故障為例進(jìn)行分析，該型避雷器采用內(nèi)部注膠填充密封工藝，并在絕緣筒與法蘭接觸面螺紋上涂抹密封膠，密封性能良好，內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)受潮痕跡，因此排除避雷器因內(nèi)部受潮導(dǎo)致發(fā)熱的原因。接著對氧化鋅閥片進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示部分閥片性能劣化，因此閥片性能劣化是引起發(fā)熱的主要原因。事故中的避雷器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電阻片劣化情況見圖2。而解體試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了這一問題，缺陷避雷器部分閥片出現(xiàn)絕緣降低，但運(yùn)行電壓下的泄露電流變化不明顯，該避雷器處于閥片劣化早期，現(xiàn)有巡視手段不足以更早期發(fā)現(xiàn)該缺陷。

圖2 事故中的避雷器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電阻片劣化情況

5 避雷器發(fā)熱缺陷故障的處理建議

基于此次避雷器因?yàn)殚y片老化引發(fā)的避雷器發(fā)熱缺陷故障，啟示我們必須要防患于未然，做好日常的巡視檢查，在巡視檢查的基礎(chǔ)上選擇科學(xué)的檢測方式做到風(fēng)險(xiǎn)的及早識(shí)別與科學(xué)處理。具體來說，要做好避雷器的日常維護(hù)及管理工作，必須著手幾個(gè)方面。

5.1 重視日常的巡視

巡視是基礎(chǔ)性的維護(hù)管理工作，巡視的重點(diǎn)是對避雷器外套、泄露電流表、接地裝置，多采用目視的巡視方法。正常運(yùn)行狀態(tài)下的避雷器的內(nèi)部泄露電流多為0.5～1mA，如果閥片受潮或者劣化時(shí)對應(yīng)的泄露電流值將持續(xù)增大，在巡視時(shí)可以結(jié)合歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行電流異常情況的識(shí)別與判斷，了解避雷器內(nèi)部閥片的運(yùn)行狀態(tài)，如果泄露電流增加值大于日常數(shù)據(jù)20%以上時(shí)就要用導(dǎo)線將泄露電流表進(jìn)行短接，及時(shí)用鉗形電流表進(jìn)行泄露電流值的測量，以此排除泄露電流表故障，用交流泄露電流試驗(yàn)或者直流泄露電流試驗(yàn)記性避雷器工作性能的測試。在巡視中也要關(guān)注避雷器外絕緣的污穢程度，定期清掃。

5.2 重視特殊時(shí)期的檢查

特殊時(shí)期的檢查必不可少。特殊時(shí)期一般對應(yīng)雷暴活動(dòng)頻發(fā)的時(shí)間段，在雷雨季節(jié)前后進(jìn)行避雷器的重點(diǎn)檢查，保證設(shè)備處于完好狀態(tài)，并排查發(fā)現(xiàn)避雷器有無受潮及遭受雷擊等問題。特殊時(shí)期檢查的重點(diǎn)是避雷器是否動(dòng)作、內(nèi)部有無放電聲的情況分析，及時(shí)查看避雷器的外殼是否完好、接線是否正常等。如果發(fā)現(xiàn)雷雨季節(jié)后避雷器存在引線燒傷、斷裂及松脫等情況應(yīng)及時(shí)處理到位。在實(shí)際的處理中可以設(shè)計(jì)雙重接地，增加一組常閉刀閘接地回路，讓避雷器在正常運(yùn)行時(shí)能通過泄露電流表回路及常閉刀閘回路進(jìn)行雙重接地，讀取泄露電流值時(shí)打開常閉刀閘，使得避雷器處于可靠接地的情形下。

5.3 多措并舉地試驗(yàn)

在避雷器劣化維護(hù)管理中應(yīng)重視日常的試驗(yàn)。主要是接地電阻試驗(yàn)、紅外測溫試驗(yàn)、交流電流泄露試驗(yàn)等。在接地電阻試驗(yàn)方面，主要是分析避雷器與地的導(dǎo)通情況，如果接地電阻大，會(huì)導(dǎo)致避雷器在過電壓時(shí)殘壓升高，影響避雷器功能的發(fā)揮。而紅外測溫試驗(yàn)較為常見。處于正常運(yùn)行狀態(tài)的避雷器的泄露電流屬于微安級(jí)，一旦避雷器有受潮、閥片劣化的傾向，泄漏電流的阻性分量持續(xù)增大，避雷器有功損耗及溫度會(huì)持續(xù)升高，可以采用紅外測溫進(jìn)行避雷器性能監(jiān)測，通過紅外測溫獲取避雷器運(yùn)行狀態(tài)下的紅外成像，進(jìn)行上下元件、不同相及同類設(shè)備的熱成像圖譜，分析判斷是否存在異常情況。需要注意的是，如果避雷器為電壓致熱型設(shè)備，對應(yīng)的熱缺陷溫升判據(jù)范圍小，而紅外測溫?cái)?shù)據(jù)也很容易受到外界溫度、濕度、風(fēng)速等因素的影響，為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確，應(yīng)選擇陰天、夜間等時(shí)間段進(jìn)行試驗(yàn)。而交流泄漏電流試驗(yàn)主要是對紅外測溫試驗(yàn)的補(bǔ)充，主要選擇雷雨季節(jié)前后，以交流泄漏電流試驗(yàn)來分析避雷器的運(yùn)行狀態(tài)，通過測量避雷器運(yùn)行電壓下的全電流、阻性電流變化情況，評判避雷器故障。實(shí)踐表明，阻性電流較全電流能更靈敏地反映避雷器故障，如果閥片受潮或故障時(shí)，避雷器電壓與電流相位差降到80度以下，相角差也被認(rèn)為是避雷器故障判斷的依據(jù)。

6 結(jié)語

通過此次避雷器發(fā)熱缺陷故障，我們也明確了避雷器維護(hù)管理的方向。在避雷器維護(hù)管理中要繼續(xù)提高避雷器的定期巡視工作質(zhì)量，按時(shí)抄錄避雷器在線監(jiān)測儀數(shù)據(jù)和動(dòng)作次數(shù)，嚴(yán)格按照運(yùn)維策略開展紅外測溫。要持續(xù)做好不停電測試工作，按要求開展運(yùn)行電壓下的泄漏電流測試，認(rèn)真做好數(shù)據(jù)趨勢分析，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)復(fù)測和停電檢查。在避雷器劣化應(yīng)對中最重要的是防患于未然，要求對運(yùn)行超10年同廠家、同型號(hào)避雷器做好紅外全面排查工作，并專項(xiàng)開展測試數(shù)據(jù)分析，形成專題分析報(bào)告，避免缺陷漏發(fā)現(xiàn)。