220 kV氧化鋅避雷器單相接地故障后的性能研究

黃成才 王 巍

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司鹽城供電分公司，江蘇 鹽城 224000）

0 引言

避雷器作為輸變電設(shè)備過電壓保護(hù)的核心設(shè)備，在電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行中有舉足輕重的作用[1-3]。氧化鋅避雷器因其伏安特性好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[4-6]。然而，氧化鋅避雷器因外部因素和自身結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的缺陷也屢見不鮮。

目前，對(duì)220 kV及以上電壓等級(jí)氧化鋅避雷器故障的研究工作大多集中在氧化鋅電阻片老化、受潮以及發(fā)熱等自身缺陷引發(fā)的故障方面，對(duì)避雷器因外物干擾導(dǎo)致的單相接地故障后的性能還缺少研究工作。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，隨著氧化鋅避雷器帶電測試等預(yù)防性試驗(yàn)的開展，因氧化鋅避雷器本身缺陷導(dǎo)致的設(shè)備跳閘故障正大幅減少，雷擊和外力因素是導(dǎo)致220kV避雷器動(dòng)作主要成因[7-8]，因此研究避雷器因外物短接導(dǎo)致的單相接地故障后性能具有一定的實(shí)際意義。

該文結(jié)合220kV金東變電站實(shí)際發(fā)生的避雷器單相接地故障處理工作，對(duì)故障避雷器進(jìn)行試驗(yàn)，采用適合現(xiàn)場快速判別避雷器性能的整體絕緣測試法，通過直流試驗(yàn)分析了故障避雷器氧化鋅電阻片的性能以及故障避雷器防爆膜動(dòng)作情況。

1 故障情況及分析

1.1 保護(hù)動(dòng)作情況

10時(shí)31分，金東變220 kV金雙2W30線兩套主保護(hù)動(dòng)作，A相故障，重合成功，兩套保護(hù)測距系統(tǒng)分別顯示故障為近端故障，故障電流9.039kA。對(duì)側(cè)500 kV變電站220 kV雙金2W30線兩套主保護(hù)動(dòng)作，A相故障，重合成功，故障電流4.68 kA，兩套保護(hù)測距系統(tǒng)分別顯示故障32 km、39 km，線路全長36.64 km，雙草變內(nèi)運(yùn)行值班人員立刻對(duì)站內(nèi)一、二次設(shè)備進(jìn)行檢查，均無無異常，現(xiàn)場天氣晴朗。

11時(shí)00分，220 kV雙金2W30線兩側(cè)變電站主保護(hù)均再次動(dòng)作，A相故障，重合成功。金東變側(cè)：兩套保護(hù)測距系統(tǒng)分別顯示故障為近端故障，保護(hù)測距0.2 km，故障電流10.6 kA。

1.2 故障分析

故障變電站位于蔬菜種植區(qū)，變電站外農(nóng)業(yè)大棚數(shù)量較多，經(jīng)過現(xiàn)場勘察，導(dǎo)致本次單相接地故障的絲帶為大棚驅(qū)鳥用品，其內(nèi)部含有大量金屬絲，具有導(dǎo)電性質(zhì)。大風(fēng)將零散金屬絲帶吹至變電站并懸掛于避雷器上。

絲帶原長度約為10 m，短路前一頭纏繞于220 kV金雙線路避雷器上C相上，中間部分搭落在圍墻防護(hù)網(wǎng)上，尾部隨風(fēng)在避雷器A相周圍飄動(dòng)。10時(shí)31分，因絲帶飄動(dòng)距離過近造成A相避雷器接地短路，在風(fēng)力下絲帶又瞬間飄離，A相避雷器絕緣恢復(fù)，重合閘成功。

11時(shí)00分，絲帶尾部因飄動(dòng)短接A相避雷器均壓環(huán)與中間部位，A相避雷器上節(jié)絕緣因短接失效，運(yùn)行電壓施加在下節(jié)絕緣和圍墻電子防護(hù)網(wǎng)上，造成絕緣的瞬間擊穿，造成單相接地短路產(chǎn)生10kA的短路電流，短路電流弧光燒毀絲帶及圍墻電子防護(hù)網(wǎng)，并造成避雷器下節(jié)外絕緣瓷套燒損嚴(yán)重。絲帶因短路電流弧光瞬間燒損后，避雷器上節(jié)絕緣恢復(fù)，重合閘成功。

1.3 現(xiàn)場巡視情況

故障變電站為無人值守變電站，故障發(fā)生后運(yùn)行人員檢查發(fā)現(xiàn)220kV金雙線路避雷器上C相有絲帶纏繞，A相避雷器下節(jié)外表面燒傷嚴(yán)重，A相避雷器中部防水板剝離，瓷套泄漏電流屏蔽線松脫，避雷器計(jì)數(shù)器已動(dòng)作，如圖1所示。

圖1 A相避雷器表面燒損

2 避雷器性能檢查性試驗(yàn)

故障避雷器型號(hào)為Y10W-204/532W，額定電壓204kV。為研究該故障避雷器經(jīng)過單相短路電流沖擊后的性能情況，該文進(jìn)行一系列試驗(yàn)研究工作。

全景漫游技術(shù)作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，其構(gòu)思性、沉浸感、交互性的特征尤為凸顯，得圖F4全景相機(jī)和大疆精靈Phantom 4 Pro無人機(jī)的使用更是錦上添花。選擇高質(zhì)量的拼圖軟件對(duì)于無縫全景圖像至關(guān)重要，優(yōu)秀的拼圖軟件將具有更出色的操作邏輯和更精準(zhǔn)的算法，才能獲得更高質(zhì)量的全景圖像。如圖1所示，三維全景漫游系統(tǒng)的制作流程。

2.1 故障前阻性電流測試

故障前2個(gè)月，電氣試驗(yàn)人員對(duì)該變電站避雷器進(jìn)行阻性電流測試，該組避雷器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 金雙2W30線路避雷器阻性電流測試結(jié)果

阻性電流測試結(jié)果顯示，阻性電流與初值（50mA）相比變化≤30%，全電流與初值（500 mA（相比變化≤20%，相角均大于85o，符合避雷器帶電檢測標(biāo)準(zhǔn)要求，試驗(yàn)結(jié)果說明避雷器在故障前性能良好、運(yùn)行可靠。

2.2 直流參考電壓（U1mA）及在0.75U1mA泄漏電流試驗(yàn)

本次故障導(dǎo)致避雷器中部防水板剝離，防水板為避雷器泄壓外通道的一部分?？紤]避雷器流經(jīng)大電流時(shí)可能導(dǎo)致內(nèi)部氧化鋅電阻片受損，產(chǎn)生大量氣體，泄壓防爆膜破裂，氣壓沖擊使防水板剝離。為考察故障后避雷器氧化鋅電阻片的性能，試驗(yàn)人員對(duì)避雷器進(jìn)行了直流參考電壓（U1mA（及在0.75U1mA下泄漏電流試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 U1mA及在0.75U1mA下泄漏電流試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表2可知，每相避雷器的直流1mA參考電壓均大于300kV，符合GB11032規(guī)定值296kV的要求，同時(shí)與初值差均不超過5%；每節(jié)避雷器的泄漏電流均小于50uA，試驗(yàn)數(shù)據(jù)合格。直流試驗(yàn)結(jié)果說明，避雷器內(nèi)部氧化鋅電阻片狀態(tài)良好，A相避雷器經(jīng)過10kA大電流沖擊后直流特性幾乎沒有下降跡象，避雷器工作特性較好。而避雷器中部防水板剝離的原因，則有待于進(jìn)一步研究。

同時(shí)，結(jié)合該避雷器10kA的額定標(biāo)稱放電電流可知，10kA的短路電流不會(huì)對(duì)氧化鋅電阻片及避雷器的性能造成大的影響，直流試驗(yàn)結(jié)果符合客觀規(guī)律。

2.3 絕緣試驗(yàn)

2.3.1 整體絕緣電阻試驗(yàn)

避雷器整體絕緣實(shí)際測得值為底座與上、下節(jié)總絕緣的并聯(lián)值，通過三相數(shù)據(jù)橫向?qū)Ρ?，從而判斷故障避雷器能否繼續(xù)運(yùn)行。絕緣電阻測試數(shù)據(jù)見表3。

表3 整體性絕緣電阻測試結(jié)果

2.3.2 分解后絕緣電阻試驗(yàn)

將故障避雷器運(yùn)至試驗(yàn)大廳并拆解為上節(jié)、下節(jié)、底座。對(duì)拆解部件分別進(jìn)行絕緣電阻試驗(yàn)、外觀檢查和絕緣分析。絕緣電阻試驗(yàn)中，為避免測試偶然性，分別進(jìn)行，3次測量，取平均值，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 分節(jié)絕緣電阻測試結(jié)果

根據(jù)表4可知，避雷器上節(jié)絕緣、下節(jié)絕緣電阻數(shù)值均均合格。下節(jié)絕緣電阻僅為2650MΩ，絕緣電阻數(shù)值絕對(duì)值過小，僅是上節(jié)絕緣的5%左右，絕緣性能嚴(yán)重劣化。如果在潮濕等環(huán)境中運(yùn)行，故障相下節(jié)外絕緣幾乎喪失。

2.4 外絕緣爬距核驗(yàn)

220 kV金東變地處Ⅱ級(jí)污穢地區(qū)，海拔高度小于1000 m，根據(jù)《GB/T 5222—2005導(dǎo)體及設(shè)備選擇》的要求，爬電比距應(yīng)大于2.5 cm/kV。故障相避雷器原外絕緣爬電比距3.1 cm/kV，符合國家電網(wǎng)公司對(duì)設(shè)備外絕緣配置“絕緣到位、留有裕度”的指導(dǎo)原則[9]。為探究故障后避雷器外絕緣爬距是否滿足要求，本節(jié)進(jìn)行了校核工作，爬電比距按公式（1）進(jìn)行校核。

式中：λ為爬電比距，L為設(shè)備外絕緣爬電距離；k為修正系數(shù)，一般取1；Ue為設(shè)備額定運(yùn)行電壓，對(duì)變電站和發(fā)電廠設(shè)備按設(shè)備最高運(yùn)行電壓選取。

故障相避雷器下節(jié)因短路電流共燒損外絕緣傘裙15片，形成了明顯的放電通道，上節(jié)尾部燒損1片。經(jīng)過校核，外絕緣爬電距離測量為2851.64 mm，爬電比距為1.96 cm/kV，已不滿足運(yùn)行條件。

2.5 防爆膜檢查

避雷器防爆膜用于防止避雷器在過電壓、過電流沖擊下內(nèi)部壓力過大而導(dǎo)致設(shè)備爆炸造成設(shè)備損毀及人身傷害事故，對(duì)避雷器穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的保護(hù)作用。本次故障導(dǎo)致避雷器中部防水板剝離，如圖2所示。防水板為避雷器泄壓外通道的一部分，因此須對(duì)避雷器防爆膜進(jìn)行檢查，考量短路故障時(shí)內(nèi)部是否發(fā)生泄壓行為。將避雷器上下節(jié)拆解，取下避雷器頂蓋、底板，檢查防爆膜狀況，泄壓防爆膜如圖3所示。

圖2 剝離的避雷器中部防水板

根據(jù)圖3可知，故障避雷器上、下節(jié)防爆膜均完好，無任何泄壓沖破痕跡，說明該故障避雷器在經(jīng)歷短路故障時(shí)，其內(nèi)部并有發(fā)生泄壓行為。防爆膜完好一定程度上反證了避雷器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及氧化鋅電阻片的工作性能沒有受到大的破壞，與2.2節(jié)直流試驗(yàn)結(jié)果相互映證。對(duì)中部防水板的剝離，應(yīng)為故障避雷器在單相接地故障時(shí)，產(chǎn)生較大的短路電動(dòng)力，引起設(shè)備瞬間震動(dòng)所致。

圖3 故障避雷器4只防爆膜

3 討論與探究

3.1 故障至計(jì)數(shù)器動(dòng)作機(jī)理探究

變電站故障錄播系統(tǒng)顯示共發(fā)生2次單相接地故障，相隔25 min，經(jīng)現(xiàn)場檢查，故障相避雷器計(jì)數(shù)器只動(dòng)作1次（25min～26min），且故障后試驗(yàn)證明計(jì)數(shù)器功能完好，說明短路電流只有一次流經(jīng)避雷器內(nèi)部且導(dǎo)致避雷器有效動(dòng)作，該文對(duì)計(jì)數(shù)器動(dòng)作成因進(jìn)行討論。

該文認(rèn)為避雷器計(jì)數(shù)器動(dòng)作在第一次的可能性較大。第一次單相接地時(shí)，絲帶在避雷器四周飄動(dòng)瞬間短接避雷器外絕緣某一段，此時(shí)外絕緣仍可承受運(yùn)行電壓，但運(yùn)行電壓超過避雷器有效工作氧化鋅閥片的動(dòng)作電壓，避雷器動(dòng)作釋放短路電流，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，系統(tǒng)報(bào)單相接地故障，此次故障并沒有發(fā)生絲帶燃燒及避雷器外絕緣燒損。第二次單相接地時(shí)，絲帶纏繞避雷器均壓環(huán)并短接避雷器上節(jié)，因避雷器下節(jié)及電子圍墻護(hù)欄絕緣不能承受運(yùn)行電壓而導(dǎo)致外絕緣擊穿，大電流接地弧光導(dǎo)致燃燒，絲帶及電子圍欄被燒毀，避雷器下節(jié)被燒損。

該文第2節(jié)的研究表明，本次單相接地短路故障主要導(dǎo)致避雷器下節(jié)外絕緣嚴(yán)重受損，避雷器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及氧化鋅閥片并未受到大的破壞，性能幾乎完好，第二次單相接地時(shí)，短路電流經(jīng)過避雷器內(nèi)部的可能性不大。

3.2 避雷器防水密封性能研究

根據(jù)故障避雷器防爆膜檢查結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，避雷器上口防爆膜及接口銹蝕嚴(yán)重，上節(jié)避雷器的防爆膜的銹蝕程度大于下節(jié)避雷器上口的銹蝕程度，上、下節(jié)避雷器下口防爆波保存均完好。

避雷器的防水密封性直接決定避雷器的運(yùn)行性能，進(jìn)水受潮將導(dǎo)致氧化鋅閥片功能喪失，全電流及阻性電流加大，使用壽命大大縮短。故障避雷器上節(jié)上口接線板打開后，內(nèi)部銹蝕嚴(yán)重，說明上口在過去13年的運(yùn)行中已經(jīng)輕度進(jìn)水受潮。下節(jié)上口防爆膜邊緣腐蝕較為嚴(yán)重，說明避雷器中部也已經(jīng)適度進(jìn)水受潮，腐蝕程度低于上節(jié)上口，符合現(xiàn)場運(yùn)行規(guī)律。如果該避雷器繼續(xù)長期運(yùn)行下去，雨水和潮氣必將從密封薄弱處進(jìn)入避雷器內(nèi)部，導(dǎo)致運(yùn)行性能下降。

4 結(jié)論

該文結(jié)合變電站現(xiàn)場單相接地故障實(shí)際情況，對(duì)避雷器單相接地故障后的性能進(jìn)行研究，重點(diǎn)研究了避雷器的特性性能和外絕緣強(qiáng)度變化，得出以下4點(diǎn)結(jié)論：1）避雷器經(jīng)過單相接地短路電流沖擊后，氧化鋅電阻片性能不會(huì)出現(xiàn)明顯下降，避雷器工作特性較好。2）短路電流導(dǎo)致故障避雷器的外絕緣損壞嚴(yán)重，整體絕緣電阻明顯下降，燒損嚴(yán)重的下節(jié)絕緣電阻值下降90%以上，絕緣性能大幅降低。同時(shí)，經(jīng)過外絕緣爬電比距校核，故障避雷器的外絕緣已不能滿足現(xiàn)場運(yùn)行需求。3）故障避雷器上、下節(jié)4處防爆膜完好，其內(nèi)部未發(fā)生泄壓行為，防水板脫落應(yīng)為短路電流電動(dòng)力所致。4）避雷器的防水密封性嚴(yán)重影響避雷器的使用壽命，在運(yùn)行中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注220 kV避雷器頂部及中間連接部位的防水密封性。