500 kV電站用瓷外套老舊避雷器性能老化分析與評(píng)估

王陸璐,黃佳瑞,吳成成,左中秋,錢青春,萬(wàn) 克,陳 立

(中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司,武漢 430074)

0 引言

避雷器作為電力系統(tǒng)絕緣配合的基礎(chǔ),是重要的過(guò)電壓保護(hù)裝置,其自身的安全可靠性對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的作用。近年來(lái),時(shí)有變電站避雷器爆炸事故發(fā)生,給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了極大風(fēng)險(xiǎn)。隨著避雷器投運(yùn)年限的增長(zhǎng),其承受過(guò)電壓的頻次增加,加之正常運(yùn)行時(shí)也存在性能老化問(wèn)題,避雷器的故障風(fēng)險(xiǎn)增高[1-7]。

2020年8月27日500 kV HP線縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作,500 kV線路P站兩項(xiàng)開(kāi)關(guān)跳閘。經(jīng)線路及站內(nèi)故障巡視發(fā)現(xiàn),HP線線路218號(hào)桿塔B相發(fā)生雷擊故障,導(dǎo)致P站線路側(cè)B相避雷器擊穿燃燒。P站線路側(cè)避雷器于1998年正式投運(yùn),至事故發(fā)生時(shí)已運(yùn)行22年。事故發(fā)生后,該站線路側(cè)同組A、C兩相避雷器也退出運(yùn)行,對(duì)這2支避雷器采用整體試驗(yàn)和解體試驗(yàn)的方式分析其性能老化程度。整支避雷器性能試驗(yàn)包括:直流1 mA參考電壓、0.75倍直流參考電壓下漏電流試驗(yàn)、局部放電試驗(yàn)、工頻參考電壓、持續(xù)電流、密封、機(jī)械負(fù)荷試驗(yàn)共7項(xiàng)。解體電阻片試驗(yàn)包括:伏安特性曲線(覆蓋10 μA～40 kA)、殘壓試驗(yàn)、老化特性、大電流沖擊、方波沖擊、動(dòng)作負(fù)載、工頻電壓耐受時(shí)間特性試驗(yàn)共7項(xiàng)。

長(zhǎng)期運(yùn)行的避雷器存在性能老化問(wèn)題,但對(duì)于運(yùn)行超過(guò)20年的避雷器的老化性能定量分析較少報(bào)道。目前的研究主要集中在通過(guò)例行試驗(yàn)、停電檢修等方式測(cè)量避雷器的參考電壓和阻性電流等參數(shù)來(lái)判斷避雷器的運(yùn)行狀態(tài);通過(guò)密封性能、能量耐受能力兩方面來(lái)分析避雷器的故障原因。定量分析老舊避雷器的電氣老化性能有助于系統(tǒng)運(yùn)維人員了解避雷器性能的老化規(guī)律,對(duì)保障變電站內(nèi)避雷器的正常運(yùn)維是非常必要的[8-12]。

筆者以P站線路側(cè)退出運(yùn)行的A、C相避雷器為研究對(duì)象,以另一變電站中正常運(yùn)行了3年額定電壓相同的避雷器作為對(duì)照組,通過(guò)整體電氣試驗(yàn)方式橫向?qū)Ρ炔煌\(yùn)行時(shí)長(zhǎng)的避雷器性能老化情況;將A、C相避雷器入網(wǎng)試驗(yàn)、2017年停電檢修試驗(yàn)時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)與本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,縱向分析兩支避雷器的性能老化情況。解體A、C相避雷器,取用其核心元件電阻片進(jìn)行試驗(yàn),分析經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行后電阻片性能老化情況。最后結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)老舊避雷器進(jìn)行整體老化性能評(píng)估,為電網(wǎng)中同類避雷器的老化性能分析提供技術(shù)支撐。

1 整支避雷器電氣性能試驗(yàn)

1.1 避雷器試品信息

試品共3支500 kV交流系統(tǒng)電站用無(wú)間隙金屬氧化物避雷器。2支為P站線路側(cè)退出運(yùn)行的A、C相避雷器,型號(hào)為Y20W1-444/1050,文中簡(jiǎn)稱為001A、001C號(hào)試品,每支避雷器由3節(jié)元件組成;另1支為某500 kV變電站中正常運(yùn)行3年的同類型避雷器,型號(hào)為Y20W2-444/1106B1,同樣由3節(jié)避雷器元件組成, 文中簡(jiǎn)稱為002號(hào)試品。兩種試品均為瓷外套避雷器,且額定電壓相同,002號(hào)避雷器作為001A及001C的對(duì)照組進(jìn)行試驗(yàn)。3支避雷器退運(yùn)前均運(yùn)行正常、無(wú)損壞現(xiàn)象,全部試驗(yàn)在試驗(yàn)室環(huán)境下完成。

1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

表1中列舉了3支試品的直流1 mA參考電壓、0.75倍直流參考電壓下漏電流試驗(yàn)、工頻參考電壓、持續(xù)電流、功耗、局部放電共6項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。按照GB/T 11032標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定額定電壓444 kV的避雷的器直流參考電壓應(yīng)不小于597 kV,參考電壓越高反應(yīng)避雷器自身耐受短時(shí)工頻過(guò)電壓的能力越好,其自身的安全穩(wěn)定性越高。泄漏電流反應(yīng)了避雷器用電阻片的受潮及老化情況,泄漏電流值越大,說(shuō)明可能存在電阻片受潮或性能老化問(wèn)題越嚴(yán)重,GB/T 11032標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定避雷器的泄漏電流不應(yīng)超過(guò)50 μA。避雷器的老化和受潮問(wèn)題也體現(xiàn)在持續(xù)電流及功耗數(shù)據(jù)增長(zhǎng)上。

表1 整支避雷器的電氣性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Electrical properties test data of the arresters

分析表1中的數(shù)據(jù)可知,002號(hào)試品的直流參考電壓值較001A和001C分別高3.27%、4.15%; 001A、001C的泄漏電流值較002高出一個(gè)數(shù)量級(jí),且已接近標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的50 μA上限值;001A、001C的全電流有效值為002的4.4倍,阻性電流峰值和功耗是002的3倍左右;3只試品的局部放電量都在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的10 pC以內(nèi)。通過(guò)上述分析可以發(fā)現(xiàn),運(yùn)行時(shí)間超過(guò)22年的避雷器001A、001C相較于同型號(hào)的002號(hào)避雷器有直流參考電壓降低、泄漏電流增加、持續(xù)電流增大、功耗增大的情況,說(shuō)明老舊避雷器確有明顯的性能老化趨勢(shì),但各項(xiàng)參數(shù)還在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的運(yùn)行范圍內(nèi)。

為明確老舊避雷器的密封性能,對(duì)3只避雷器進(jìn)行了密封試驗(yàn),采用GB/T 11032-2020標(biāo)準(zhǔn)第8.13節(jié)中規(guī)定的熱水浸泡法進(jìn)行試驗(yàn),數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。在30 min浸泡過(guò)程中試品001A和001C的瓷套與頂部、底部法蘭連接處均有連續(xù)小氣泡逸出。試品002無(wú)連續(xù)性氣泡逸出。熱水浸泡后將試品取出自然冷卻干燥至環(huán)境溫度,復(fù)測(cè)直流參考電壓及泄漏電流,驗(yàn)證試品的密封性能。由表2的數(shù)據(jù)可以看出,熱水浸泡后試品001A、001C的泄漏電流都有明顯增加,超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的50 μA,與熱水浸泡前相比增量超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的20 μA。其中001C經(jīng)熱水浸泡后直流參考電壓跌落至標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的597 kV以下。試品002通過(guò)熱水浸泡后的驗(yàn)證試驗(yàn),直流參考電壓和泄漏電流變化都在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi),且變化微小?；谝陨蠑?shù)據(jù)分析,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的避雷器001A、001C的密封性能存在一定程度的劣化,無(wú)法通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn),而運(yùn)行了3年的避雷器002的密封性能依舊良好。

表2 整支避雷器的密封試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 The sealing test data of the arresters

將運(yùn)行22年后001A及001C號(hào)試品與其自身投運(yùn)前入網(wǎng)試驗(yàn)、2017年停電檢修試驗(yàn)中直流參考電壓、泄漏電流數(shù)據(jù)進(jìn)行縱向?qū)Ρ?。相較于投運(yùn)初期,本次試驗(yàn)中001A、001C的直流參考電壓跌落明顯,最大偏差值達(dá)到-4.75%,接近標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的5%偏差范圍;泄漏電流也接近50 μA的上限值,較投運(yùn)初期增加34 μA及40 μA。2017年檢修試驗(yàn)中,相較于投運(yùn)初期A、B、C三相避雷器的直流參考電壓跌落最高達(dá)-2.63%,泄漏電流最大增長(zhǎng)了29 μA。試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 A、C相避雷器入網(wǎng)試驗(yàn)、2017年檢修試驗(yàn)及本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Table 3 Comparison of three test data of A and C-phase arresters

以上數(shù)據(jù)分析可以說(shuō)明,投運(yùn)初期該站的三相避雷器性能良好,隨著運(yùn)行年限增加,在2017年的停電檢修試驗(yàn)中三相避雷器已出現(xiàn)性能劣化趨勢(shì),但仍在可正常使用范圍。直至本次試驗(yàn),退運(yùn)的001A、001C避雷器直流參考電壓、泄漏電流等電氣性能已接近標(biāo)準(zhǔn)的最低要求值,存在一定的運(yùn)行隱患。

2 避雷器用電阻片試驗(yàn)

試品為001A、001C避雷器解體后取出的電阻片,這些電阻片已隨整支避雷器一起運(yùn)行了22年,部分電阻片表面有少許電弧灼傷痕跡,電阻片尺寸為Ф105 mm/42 mm×22 mm。其中隨機(jī)選擇外觀完好的電阻片19片,編號(hào)301～319;外觀有缺陷的電阻片10片,編號(hào)101～110,完成以下試驗(yàn)。

2.1 長(zhǎng)期穩(wěn)定性試驗(yàn)

GB/T 11032-2020標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定,避雷器電阻片需要通過(guò)長(zhǎng)期穩(wěn)定性試驗(yàn)程序來(lái)驗(yàn)證其老化性能。將電阻片加熱到115 ℃±4 K,在施加最大持續(xù)運(yùn)行電壓Uct后的3 h±15 min測(cè)量電阻片的功耗Pstart,在這個(gè)電壓持續(xù)1 000 h期間控制電阻片表面溫度穩(wěn)定在115 ℃±4 K,其間每100 h測(cè)量一次電阻片功耗。在長(zhǎng)期穩(wěn)定性試驗(yàn)期間,測(cè)量的所有功耗應(yīng)不大于1.1Pstart,且從測(cè)量的最小功率損耗Pmin點(diǎn)開(kāi)始到試驗(yàn)結(jié)束期間,測(cè)量的最大功率損耗應(yīng)不超過(guò)1.3Pmin。

試驗(yàn)施加電壓Uct按兩種算法:①按照95%荷電率對(duì)電阻片施加電壓,這是目前國(guó)內(nèi)慣用的試驗(yàn)方法。②按照1.15倍單片持續(xù)運(yùn)行電壓Uc施加老化試驗(yàn)電壓,這種電壓計(jì)算方法來(lái)自IEC標(biāo)準(zhǔn),系數(shù)1.15包含了避雷器最大電壓分布不均勻系數(shù)的影響。使用荷電率折算的老化試驗(yàn)電壓通常高于考慮電壓分布系數(shù)換算的試驗(yàn)電壓。也就是說(shuō),國(guó)內(nèi)采用荷電率的方法來(lái)考核電阻片老化性能更為嚴(yán)格,預(yù)留的老化性能裕度也更大。

表4、表5為001A、001C用電阻片采用95%荷電率和1.15倍持續(xù)運(yùn)行電壓進(jìn)行老化試驗(yàn)的數(shù)據(jù)。由于Pmax2/ 1.3Pmin小于1,且Pmax1/1.1Pstart小于1,說(shuō)明電阻片耐老化性能良好,滿足GB/T 11032規(guī)定的長(zhǎng)期穩(wěn)定性試驗(yàn)要求。根據(jù)阿侖紐斯(Arrhenius)定律,通過(guò)上述的長(zhǎng)期穩(wěn)定性試驗(yàn)意味著在環(huán)境溫度40 ℃的條件下,電阻片預(yù)測(cè)最小使用壽命為110年;在環(huán)境溫度為65 ℃的條件下,電阻片預(yù)測(cè)最小使用壽命為22年。說(shuō)明經(jīng)過(guò)長(zhǎng)年運(yùn)行后的電阻片仍然具有較好的耐老化性能,老化曲線見(jiàn)圖1,圖2。

圖1 化試驗(yàn)曲線(Ф105 mm/42 mm×22 mm,95%荷電率)Fig.1 Aging test curve(95% charge rate)

圖2 老化試驗(yàn)曲線(Ф105 mm/42 mm×22 mm,1.15Uc)Fig.2 Aging test curve (1.15Uc)

表4 按95%荷電率施加電壓的電阻片老化試驗(yàn)Table 4 Aging test of resistors with applied voltage according to 95% charge rate

表5 按1.15Uc施加電壓的電阻片老化試驗(yàn)Table 5 Aging test of resistors with 1.15Uc applied voltage

2.2 伏安特性曲線及殘壓試驗(yàn)

對(duì)001A和001C中取出的電阻片進(jìn)行伏安特性試驗(yàn),并繪制折算到整支避雷器的伏安特性曲線(覆蓋10 μA～40 kA),見(jiàn)圖3,避雷器用電阻片的非線性特征明顯,能起到有效限制過(guò)電壓的作用。電阻片殘壓及折算成整支避雷器的殘壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

圖3 001A、001C避雷器的伏安特性曲線Fig.3 The U-I characteristic curve of 001A and 001C arrester

表6 殘壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 6 Test data of the residual voltage test kV

目前500 kV等級(jí)變電站無(wú)間隙避雷器用電阻片的U20kAp/U1mADC壓比通常在1.60～1.65之間,表6中標(biāo)稱放電電流下電阻片的壓比在1.8左右,較常規(guī)值高10%左右。其原因主要有兩方面:第一,001A和001C避雷器投運(yùn)時(shí)間非常早,當(dāng)時(shí)的電阻片制造水平有限,生產(chǎn)的電阻片壓比偏高;第二,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行電阻片存在一定的老化,參考電壓降低,導(dǎo)致壓比增高。表6中折算至整支避雷器的雷電沖擊殘壓1 102.4 kV超出制造廠宣稱的要求值1 050 kV約5%,但滿足GB/T 11032規(guī)定不大于1 106 kV的要求,操作沖擊殘壓和陡波沖擊殘壓都滿足要求。

2.3 電流沖擊耐受試驗(yàn)

對(duì)001A和001C避雷器中取出的電阻片進(jìn)行大電流沖擊耐受試驗(yàn)和方波沖擊電流耐受試驗(yàn)。為了充分檢驗(yàn)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行的電阻片電流耐受能力,分別在外觀完好和有缺陷的電阻片上進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。電阻片外觀缺陷主要為釉面放電損壞痕跡,以圖4為例。外觀完好和外觀缺陷的電阻片試品各5片,均通過(guò)4/10 μs ,100 kA大電流沖擊耐受試驗(yàn),兩次沖擊電流后試品無(wú)擊穿、閃絡(luò)或開(kāi)裂現(xiàn)象。試驗(yàn)前后電阻片參考電壓變化率不超過(guò)5%,殘壓變化率也不超過(guò)5%,滿足GB/T 11032要求。

圖4 電阻片外觀缺陷照片F(xiàn)ig.4 The photo of appearance defects of resistors

表7 大電流沖擊耐受試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 7 High current impulse withstand test data

對(duì)外觀有/無(wú)缺陷的電阻片試品(各5片)進(jìn)行2 ms, 1 200 A方波電流沖擊18次,沖擊電流后試品無(wú)擊穿、閃絡(luò)或開(kāi)裂現(xiàn)象。試驗(yàn)前后電阻片參考電壓變化率、殘壓變化率均不超過(guò)5%,滿足GB/T 11032要求,試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表8。為進(jìn)一步檢驗(yàn)電阻片的通流能力提升方波電流至1 500 A,另外選擇外觀有/無(wú)缺陷的電阻片試品(各3片)再次進(jìn)行試驗(yàn),外觀完好的電阻片全部通過(guò),外觀有缺陷的電阻片中有1片在第3次方波沖擊時(shí)發(fā)生擊穿破裂,其余兩片試品通過(guò)試驗(yàn)。

表8 方波沖擊電流耐受試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 8 Long-duration current impulses withstand test data

長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中避雷器可能多次承受過(guò)電壓沖擊,導(dǎo)致其內(nèi)部電阻片出現(xiàn)外觀缺陷痕跡和性能劣化,這會(huì)導(dǎo)致電阻片通流能力減弱。試驗(yàn)中外觀完好的電阻片全部通過(guò)大電流沖擊及方波沖擊電流耐受試驗(yàn),而外觀有放電痕跡的電阻片在1 500 A的方波電流沖擊時(shí)存在擊穿損壞現(xiàn)象也證明了這一問(wèn)題。

3 避雷器老化性能評(píng)估

避雷器的性能老化主要與運(yùn)行時(shí)間、耐受過(guò)電壓的頻次、環(huán)境條件對(duì)密封性能的影響等因素有關(guān),是綜合作用的結(jié)果?？赡艽嬖诒芾灼麟m運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng),但耐受過(guò)電壓次數(shù)較少,運(yùn)行環(huán)境溫濕度變化范圍窄,避雷器性能劣化趨勢(shì)緩慢,運(yùn)行多年依然具有良好的保護(hù)特性;也會(huì)遇到避雷器運(yùn)行時(shí)間不長(zhǎng),但由于線路設(shè)計(jì)的絕緣配合裕度不足,導(dǎo)致避雷器頻繁動(dòng)作提前出現(xiàn)性能老化的現(xiàn)象。因此對(duì)于避雷器性能是否老化的評(píng)估不可單從運(yùn)行年限考慮,而應(yīng)通過(guò)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵參量來(lái)評(píng)估避雷器的性能老化程度[13-19]。

筆者研究的經(jīng)22年長(zhǎng)期運(yùn)行的500 kV交流電站避雷器用電阻片性能良好,仍可滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,尤其老化試驗(yàn)結(jié)果,依據(jù)阿侖紐斯(Arrhenius)定律電阻片可繼續(xù)長(zhǎng)期使用,能夠滿足國(guó)網(wǎng)避雷器招標(biāo)要求的30年使用壽命。但避雷器的整體性能不僅與電阻片性能有關(guān),還與避雷器的密封性能密切相關(guān)。從第1節(jié)避雷器的電氣性能試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),其直流參考電壓、泄漏電流、阻性電流及功耗已表現(xiàn)出明顯的性能劣化趨勢(shì),且密封試驗(yàn)中存在氣泡連續(xù)不斷的逸出現(xiàn)象,熱水浸泡后的驗(yàn)證試驗(yàn)也表明密封性能有不足,繼續(xù)運(yùn)行必然導(dǎo)致避雷器自身安全性能劣化,當(dāng)需要耐受較大的過(guò)電壓時(shí),避雷器容易發(fā)生損壞、炸裂。

因此,從電阻片自身的性能分析,運(yùn)行20年以上的避雷器仍然具有良好的老化性能,但考慮運(yùn)行過(guò)程中的避雷器元件密封性能持續(xù)緩慢劣化,會(huì)導(dǎo)致避雷器元件電氣性能緩慢劣化,直至無(wú)法承擔(dān)過(guò)電壓沖擊而損壞。根據(jù)本研究數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn),由于電阻片耐老化性能良好,如考慮整支避雷器的密封性能不劣化,500 kV電站用瓷外套避雷器可達(dá)到國(guó)網(wǎng)招標(biāo)要求的總安全運(yùn)行時(shí)間30年的要求[20-29]。

基于本研究給出如下建議:變電站例行運(yùn)維試驗(yàn)中如避雷器的直流參考電壓跌落在2%以內(nèi),泄漏電流不超過(guò)20 μA,表示避雷器運(yùn)行性能良好,維持例行檢查即可;當(dāng)直流參考電壓跌落在2%～4%范圍內(nèi),泄漏電流不超過(guò)30 μA,表示避雷器性能已出現(xiàn)老化,需要增加監(jiān)測(cè)頻次,或通過(guò)在線監(jiān)測(cè)手段結(jié)合其他參數(shù)判斷避雷器的運(yùn)行狀態(tài);當(dāng)直流參考電壓跌落超過(guò)4%,泄漏電流超過(guò)40 μA,表示避雷器運(yùn)行存在安全隱患,再次承受較大的過(guò)電壓時(shí)擊穿損壞風(fēng)險(xiǎn)極大,安全起見(jiàn)考慮更換避雷器。

4 結(jié)論

1)運(yùn)行超過(guò)20年的避雷器用電阻片依然能夠有良好的老化性能、能量耐受能力,能夠滿足GB/T 11032標(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)阿侖紐斯(Arrhenius)定律在環(huán)境溫度40 ℃的條件下,電阻片預(yù)測(cè)最小使用壽命為110年;在環(huán)境溫度為65 ℃的條件下,電阻片預(yù)測(cè)最小使用壽命為22年。

2)整支避雷器的老化性能主要與運(yùn)行時(shí)間、耐受過(guò)電壓的頻次、環(huán)境條件對(duì)密封性能的影響等因素有關(guān),是綜合作用的結(jié)果。其中密封性能不足是導(dǎo)致避雷器壽命縮短的主要原因之一。

3)變電站例行運(yùn)維試驗(yàn)中應(yīng)關(guān)注避雷器參考電壓、泄漏電流等參數(shù)的變化,當(dāng)直流參考電壓跌落超過(guò)4%,泄漏電流超過(guò)40 μA,表示避雷器運(yùn)行存在安全隱患,再次承受較大的過(guò)電壓時(shí)擊穿損壞風(fēng)險(xiǎn)極大,安全起見(jiàn)考慮更換避雷器。