500 kV氧化锌避雷器典型故障分析诊断

曹 兵 ，范乃心 ，薛晓敏 ，刘 罡 ，刘 为 ，吴秋铜

（1.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006；2.国网辽宁省电力有限公司检修分公司，辽宁 沈阳 110000；3.辽宁省送变电工程有限公司，辽宁 沈阳 110021）

0 引言

避雷器的主要作用是保护变电站设备免遭雷电冲击波的袭击，也用于限制因系统操作而产生的过电压［1］。通常情况下，雷电冲击波都是经输电线路引入变电站的，当它超过避雷器的保护水平时，避雷器放电，借助电的良导体安全地将雷电流引入大地，为保证雷电压幅值处于被保护设备雷电冲击水平以下，需要借助接地装置，从而达到电气设备得到安全防护的目的。

上个世纪七十年代，氧化锌避雷器作为一种新型避雷器问世了，其优点是无间隙、无续流、残压低。氧化锌避雷器的主要元件是氧化锌阀片，它是以氧化锌（ZnO）为主要材料，加入少量金属氧化物，在高温下烧结而成。氧化锌避雷器的主要内部组成元件是中间有孔的环形氧化锌电阻片，一根有机绝缘棒位于孔的中央，用螺栓紧固其两端，瓷套里面封装的内部原件，上下两端分别使用弹簧压紧，位于瓷套两端的法兰均具备压力释放阀，用来防止瓷套的爆炸和其他设备的损坏。根据电压数值的差异，避雷器可由不同的若干个元件组成，每个元件都起到分压作用。均压环安装在避雷器的顶部，避雷器计数器及泄漏电流表并联在避雷器基座的上下两端。

本文所研究的氧化锌避雷器典型故障是：由于避雷器内部存有积水不能及时排除而导致的避雷器内部受潮所引发的故障。

1 故障案例

1.1 事故经过

2017年8月23日16时39分，某500 kV变电站2号主变高压侧5012、5013开关，中压侧2202开关，低压侧602开关跳闸。现场检查时发现：2号主变一次侧避雷器U相压力释放动作，避雷器出现故障，并且在线监测器被烧损，故障电流数据见表1。2号变压器保护屏显示：差动保护动作，故障差流17.849 kA，一次侧U相故障电流3.200 kA，二次侧U相故障电流5.460 kA。根据现场情况判断，2号主变开关跳闸原因为主一次U相避雷器对地故障放电所致。

表1 避雷器电流数据

1.2 解体前试验报告

该避雷器型号为 Y20W－420／995W，2007年 7月出厂，2007年12月投入运行。

因故障相绝缘电阻为“0”，因此对其它两相进行直流、交流试验，试验结果均未见异常，并且对非故障相电阻片进行直流试验，实验结果也未见异常。

1.3 解体后检查

1.3.1 对非故障相进行解体

各相避雷器均由三节构成。电阻片为环形结构，上节电阻片47片、中节电阻片46片、下节电阻片45片；外径115 mm、内径 40 mm、厚 20 mm；整体避雷器不存在均压电容。

依据高压试验的具体情况，对其中的一相避雷器进行解体，整体解体情况良好，没有发现异常。在此基础上完成了电阻片的直流试验。

1.3.2 对故障相进行解体

对故障相进行解体分析，发现下节电阻片柱整体外表面烧损严重，部分电阻片被击穿。下节电阻片柱部分铝垫块被烧融。位于底部的密封盖板外表面被严重锈蚀，防爆板表面也被严重锈蚀并且全部脱落，密封圈尚且良好。

中节电阻片柱沿电阻片柱内环表面与环氧树脂绝缘棒之间发生内沿面放电，下法兰密封盖板外表面锈蚀严重，并且固定防爆板的盖板内部也严重锈蚀，防爆板未出现整体脱落，但存在多处裂口，密封圈尚且完好。

上节的上、下法兰密封盖板内的密封圈完好，下法兰防爆板整体脱落并有烧损。电阻片柱上、下法兰两端电阻片绝缘被击穿，中间电阻片沿外表面绝缘击穿。上节靠近下法兰部分铝垫块烧熔，并掉落在下法兰盖板上。如图1-3所示。

图1 防爆板内部锈蚀及相对应瓷套

图2 部分电阻片外表面和内部击穿通道

图3 铝垫块烧融

2 故障原因分析

2.1 避雷器下法兰盖板被锈蚀问题

从现场检查和解体避雷器的具体情况来看，各节避雷器的下法兰全部都有不同程度锈蚀的现象，尤其是故障相的中节和下节下法兰盖板被锈蚀的现象更为严重，拆除发现其内部有大量存水，如图4所示。

图4 下节下法兰压力释放口内积水及与底座连接处盖板渗水

下法兰主要是通过压力释放口进水的，原因是下法兰压力释放口是朝上的，虽然压力释放口上端有盖板，但是此盖板却没有防雨的作用，而主要是用来防止鸟类在其内部筑巢。一般情况下，下法兰具备通风排水口，然而本案例中的通风排水口位于上法兰，进而造成下法兰进水后，其内部的进水又无法排出，水量聚积其中，最终造成下法兰的密封盖板被锈蚀，防爆板也因长期浸泡在水中而受潮。

2.2 避雷器防爆板

避雷器防爆板的内、外表层均有铜镀层，且防爆板最外层刷有一层防锈漆，采用环氧电木板作为夹心。通常情况下，避雷器的防爆板厚度在2.0～3.0mm，而严重受潮后防爆板的厚度也随之大大增加，其强度会大大降低，随着昼夜温差的变化，避雷器内部压强会发生变化，防爆膜在内外压差的作用下，会上下活动，受潮的防爆膜会发生损坏，避雷器内部密封遭到破坏，芯体会受潮，内部绝缘件的绝缘耐受能力会大幅度下降。

2.3 避雷器动作

根据现场及解体情况看，故障U相避雷器先是中节故障，然后是上节故障，最后是下节故障。

2.4 故障具体原因

1）厂家电阻片配方是下节电压承受电压低于上节电压承受电压，所以上节首先压力释放动作，电阻片的损坏程度也不尽相同，其中靠近法兰侧的电阻片都存在放电击穿的痕迹，中间部分多数是沿面放电。

2）由于受潮程度严重，造成位于中节的下法兰防爆板没有脱落，内部的绝缘支撑杆和电阻片受潮，所以电阻片内径沿面为电阻片的放电路径。

3）损坏程度最严重的是下节电阻片，整个电阻片都存在放电击穿的通道，包括电阻片内沿面和外沿面均存在放电情况。

总之，避雷器的下法兰不具备通风排水口，内部积水又无法及时排出，最终造成下法兰的密封盖板被锈蚀，防爆板也因长期浸泡在水中而严重受潮，置于避雷器内部的电阻片柱和绝缘支撑杆也同样受潮，因而引起避雷器故障。

3 结束语

氧化锌避雷器在电力系统中的应用十分广泛，是一种能释放过电压能量、限制过电压幅值的保护设备［1］。如果避雷器进水而不能及时排除的话，就有可能对固定阀体和防爆膜造成腐蚀，而且在气温降到摄氏零度及以下时，沉积在法兰内部的累积水结冰并且体积膨胀，以致防爆膜出现机械损伤，甚至引起裂纹。受潮程度较大的避雷器内部阀发热严重，瓷套外表面温度急剧上升。避雷器受潮积累到一定程度时，其无法承受相应的电压而致内部绝缘击穿，造成运行中避雷器的损坏。这样就要求运维人员对避雷器认真完成相应的红外测试工作，包括检测其连接点、避雷器本体以及其他一次设备的本体，并且严格按照相关试验规程，对避雷器在线监测器的电流进行记录，同时注意三相间相关比较。由于雷雨季节避雷器设备使用频率高，易损坏，所以必须在每年的雷雨季节前进行避雷器的相关带电测试［2］。每次雷雨过后都需要监测避雷器在线监测器的电流表数值，并且检查放电计数器的具体动作情况。相关人员务必做到及时发现设备异常，及时消除设备隐患，以保证设备安全稳定运行。