一起110 kV氧化锌避雷器泄露电流超标的原因分析

王湛鈞

（广东电网有限公司韶关供电局，广东 韶关512026）

0 引 言

氧化锌避雷器作为维持电力系统安全运行的重要设备，受潮后绝缘水平会大大降低。不仅会失去对其他电气设备的保护作用，而且容易引发重大电气事故。氧化锌避雷器投运前必须严格做好检查测试工作，运行期间也要严格按照规程对其进行定期检查和维护[1]。

1 氧化锌避雷器受潮原因

氧化锌避雷器受潮后会导致绝缘电阻下降，在电流监视器中可观察到电流增加，在带电测试数据中会发现阻性电流和有功损耗增加。导致以上现象的原因有：（1）密封不良或组装过程中进入水分；（2）在运行电压和环境温度作用下，电阻阀片内的水分蒸发到阀片外侧或瓷套管内壁[2]。

2 氧化锌避雷器受潮故障实例

2017年10月，通过在线监测仪对110 kV线路避雷器进行监测。该线路型号为YH10W5 108/268 W的A相避雷器，结果显示该避雷器运行中的全电流数据偏大。通过对比该避雷器历史带电测试数据发现，该相避雷器全电流较初始值增大14.3%，阻性电流较初始值增大12.5%，功率因数角φ为81°。另外，两相数据较其初始值基本无变化。

对该避雷器进行停电试验，试验数据如表1所示。

表1 某线路避雷器A相停电数据

该避雷器在直流1 mA下的参考电压为140.4 kV，而厂家规定值为157 kV，偏差超过±5%，数据不合格；0.75%U1mA电压下的泄露电流为8 μA，远小于规程限值50 μA，数据合格；本体绝缘电阻5 200 MΩ，大于规程要求2 500 MΩ，数据合格。由直流1 mA下的参考电压不合格，即可判断该避雷器存在的缺陷是由受潮或老化导致。一般情况下，受潮避雷器的阻性电流会严重偏高，如表2所示，而本次避雷器的阻性电流并未大幅增加。

表2 某变电站避雷器（Y10W5-204/532 W）带电测试数据

表2中的避雷器为瓷绝缘外套，一旦受潮，往往会贯穿整个避雷器，整体的功率因数角φ会降低，大幅增加阻性电流。而本次出现缺陷的避雷器为有机复合外套，采用抽真空灌注硅凝胶工艺进行填充芯体与环氧绝缘筒之间的空气间隙。硅凝胶从下桩头抽气孔流入，直至上桩头抽气孔流出硅凝胶后，表明整体空隙已被填满[3]。可推断，有机复合外套避雷器由于制造工艺的原因，不易出现严重的受潮现象，所以阻性电流并未大幅增加，功率因数角φ也接近正常值。因此，该避雷器可能只是出现部分受潮现象[3]。

3 氧化锌避雷器受潮理论分析

氧化锌避雷器由氧化锌阀片叠装而成，每个阀片可等效为一个电阻和一个电容的并联，如图1所示。阀片承受一定的交流电压时，会流过一个阻性电流分量IR和一个容性电流分量IC，全电流IX为二者的向量和。全电流IX与其阻性分量IR间的夹角为功率因数角φ，φ的余角即为介质损耗角δ，IR=IXcosφ[4]。正常运行情况下，流过避雷器的电流主要为容性电流，阻性电流只占10～20%。出现缺陷时，容性电流变化不大，阻性电流大幅增大。避雷器的运行状况可通过阻性电流的变化来判断。规程规定：全电流、阻性电流或功率损耗的测试值与初始值不应有明显变化；阻性电流增大50%时应分析其原因；阻性电流增大100%时应退出运行。阻性电流的大幅增加，往往是因为功率因数角φ大幅减小所致[5]。

图1 氧化锌阀片等效电路图及向量图

因避雷器阀片本体电容远大于其对地电容，为方便计算，忽略阀片对地电容，将避雷器分为上下两部分，模型简化如图2所示。上部分等效电阻和电容分别为C1和R1，下部分等效电容分别为C2和R2。

图2 避雷器简化模型

由图2可得综合绝缘电阻为：

综合阻抗为：

由图1可得：

由式（2）和式（3）可得综合介损为：

下面按照受潮是否贯穿整个避雷器两种情况来分析。

（1）受潮贯穿整个避雷器。当受潮贯穿这个避雷器时，可认为每节阀片的绝缘电阻均大幅减小，假设R1=R2=0；每节阀片的电容值大致相等，可假设C1≈C2；每节阀片的介质损耗因数tanδx均较大，可假设 tanδ1=tanδ2=tanδx。因此，总的绝缘电阻 R=R1+R2≈0不合格，总的tanδ=tanδx数值较大，即φ较小。而上述避雷器绝缘电阻合格，功率因数角φ为81°。结果与试验数据不符，故排除。

（2）受潮未贯穿整个避雷器，且只有少部分阀片受潮。假设上部分为受潮阀片，且仅仅占整体的极少部分，下部分为良好阀片。R1≈0，R2合格；假设C1≈8C2，φ1=60°（tanδ=0.577），φ2=83°（tanδ=0.123），则总的绝缘电阻R=R2合格，总的tanδ=0.162，即φ=80.7°。与上述避雷器试验数据吻合，假设成立。

4 氧化锌避雷器解体测试验证分析

为进一步验证理论假设，对该避雷器进行解体检查试验，发现顶部金属盖子的螺丝是松动的，顶部已被氧化，金属部件有锈迹和白色的粉末，且部分氧化锌阀片的周边出现鼓包现象，如图3所示。

图3 内部氧化锌阀片

对阀片进行单个试验，测得数据如表3所示。

该避雷器共有36个阀片，根据规程35 kV及以上电压等级的避雷器绝缘电阻不小于2 500 MΩ，分到每个阀片上约是69 MΩ；厂家规定给参考电压157 kV，分到每个阀片约为4.4 kV。试验测得顶部五个阀片的绝缘电阻R、U1mA及0.75%U1mA的泄漏电流均不满足规定，因此顶部五个阀片已受潮损坏，底部阀片状态良好。

借助试验变压器模拟正常情况下的各阀片承受的交流电压，用避雷器带电测试仪对单个阀片进行带电测试，测得顶部损坏阀片的功率因数角为63°，底部未受潮的阀片的功率因数角为83°。对比整个避雷器未解体之前的功率因数角（81°），解体的试验数据与仅小部分阀片受潮的理论推测完全符合。

表3 单个阀片的停电试验数据

5 结 论

对于有机复合外套金属氧化物避雷器，避雷器部分阀片受潮损坏时，由于浇注制造工艺的影响，受潮并未贯穿到底部，大部分底部阀片状态仍然良好。因此，避雷器整体运行电压下的阻性泄露电流可能不会出现严重增长现象，达不到预试规程判断的标准，但可以通过观测运行电压下的全电流增长趋势判断避雷器的运行状况，从而及时发现异常情况并停电进行检查。