一起110 kV氧化鋅避雷器泄露電流超標(biāo)的原因分析

王湛鈞

（廣東電網(wǎng)有限公司韶關(guān)供電局，廣東 韶關(guān)512026）

0 引 言

氧化鋅避雷器作為維持電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要設(shè)備，受潮后絕緣水平會(huì)大大降低。不僅會(huì)失去對(duì)其他電氣設(shè)備的保護(hù)作用，而且容易引發(fā)重大電氣事故。氧化鋅避雷器投運(yùn)前必須嚴(yán)格做好檢查測(cè)試工作，運(yùn)行期間也要嚴(yán)格按照規(guī)程對(duì)其進(jìn)行定期檢查和維護(hù)[1]。

1 氧化鋅避雷器受潮原因

氧化鋅避雷器受潮后會(huì)導(dǎo)致絕緣電阻下降，在電流監(jiān)視器中可觀察到電流增加，在帶電測(cè)試數(shù)據(jù)中會(huì)發(fā)現(xiàn)阻性電流和有功損耗增加。導(dǎo)致以上現(xiàn)象的原因有：（1）密封不良或組裝過程中進(jìn)入水分；（2）在運(yùn)行電壓和環(huán)境溫度作用下，電阻閥片內(nèi)的水分蒸發(fā)到閥片外側(cè)或瓷套管內(nèi)壁[2]。

2 氧化鋅避雷器受潮故障實(shí)例

2017年10月，通過在線監(jiān)測(cè)儀對(duì)110 kV線路避雷器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該線路型號(hào)為YH10W5 108/268 W的A相避雷器，結(jié)果顯示該避雷器運(yùn)行中的全電流數(shù)據(jù)偏大。通過對(duì)比該避雷器歷史帶電測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該相避雷器全電流較初始值增大14.3%，阻性電流較初始值增大12.5%，功率因數(shù)角φ為81°。另外，兩相數(shù)據(jù)較其初始值基本無變化。

對(duì)該避雷器進(jìn)行停電試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 某線路避雷器A相停電數(shù)據(jù)

該避雷器在直流1 mA下的參考電壓為140.4 kV，而廠家規(guī)定值為157 kV，偏差超過±5%，數(shù)據(jù)不合格；0.75%U1mA電壓下的泄露電流為8 μA，遠(yuǎn)小于規(guī)程限值50 μA，數(shù)據(jù)合格；本體絕緣電阻5 200 MΩ，大于規(guī)程要求2 500 MΩ，數(shù)據(jù)合格。由直流1 mA下的參考電壓不合格，即可判斷該避雷器存在的缺陷是由受潮或老化導(dǎo)致。一般情況下，受潮避雷器的阻性電流會(huì)嚴(yán)重偏高，如表2所示，而本次避雷器的阻性電流并未大幅增加。

表2 某變電站避雷器（Y10W5-204/532 W）帶電測(cè)試數(shù)據(jù)

表2中的避雷器為瓷絕緣外套，一旦受潮，往往會(huì)貫穿整個(gè)避雷器，整體的功率因數(shù)角φ會(huì)降低，大幅增加阻性電流。而本次出現(xiàn)缺陷的避雷器為有機(jī)復(fù)合外套，采用抽真空灌注硅凝膠工藝進(jìn)行填充芯體與環(huán)氧絕緣筒之間的空氣間隙。硅凝膠從下樁頭抽氣孔流入，直至上樁頭抽氣孔流出硅凝膠后，表明整體空隙已被填滿[3]。可推斷，有機(jī)復(fù)合外套避雷器由于制造工藝的原因，不易出現(xiàn)嚴(yán)重的受潮現(xiàn)象，所以阻性電流并未大幅增加，功率因數(shù)角φ也接近正常值。因此，該避雷器可能只是出現(xiàn)部分受潮現(xiàn)象[3]。

3 氧化鋅避雷器受潮理論分析

氧化鋅避雷器由氧化鋅閥片疊裝而成，每個(gè)閥片可等效為一個(gè)電阻和一個(gè)電容的并聯(lián)，如圖1所示。閥片承受一定的交流電壓時(shí)，會(huì)流過一個(gè)阻性電流分量IR和一個(gè)容性電流分量IC，全電流IX為二者的向量和。全電流IX與其阻性分量IR間的夾角為功率因數(shù)角φ，φ的余角即為介質(zhì)損耗角δ，IR=IXcosφ[4]。正常運(yùn)行情況下，流過避雷器的電流主要為容性電流，阻性電流只占10～20%。出現(xiàn)缺陷時(shí)，容性電流變化不大，阻性電流大幅增大。避雷器的運(yùn)行狀況可通過阻性電流的變化來判斷。規(guī)程規(guī)定：全電流、阻性電流或功率損耗的測(cè)試值與初始值不應(yīng)有明顯變化；阻性電流增大50%時(shí)應(yīng)分析其原因；阻性電流增大100%時(shí)應(yīng)退出運(yùn)行。阻性電流的大幅增加，往往是因?yàn)楣β室驍?shù)角φ大幅減小所致[5]。

圖1 氧化鋅閥片等效電路圖及向量圖

因避雷器閥片本體電容遠(yuǎn)大于其對(duì)地電容，為方便計(jì)算，忽略閥片對(duì)地電容，將避雷器分為上下兩部分，模型簡(jiǎn)化如圖2所示。上部分等效電阻和電容分別為C1和R1，下部分等效電容分別為C2和R2。

圖2 避雷器簡(jiǎn)化模型

由圖2可得綜合絕緣電阻為：

綜合阻抗為：

由圖1可得：

由式（2）和式（3）可得綜合介損為：

下面按照受潮是否貫穿整個(gè)避雷器兩種情況來分析。

（1）受潮貫穿整個(gè)避雷器。當(dāng)受潮貫穿這個(gè)避雷器時(shí)，可認(rèn)為每節(jié)閥片的絕緣電阻均大幅減小，假設(shè)R1=R2=0；每節(jié)閥片的電容值大致相等，可假設(shè)C1≈C2；每節(jié)閥片的介質(zhì)損耗因數(shù)tanδx均較大，可假設(shè) tanδ1=tanδ2=tanδx。因此，總的絕緣電阻 R=R1+R2≈0不合格，總的tanδ=tanδx數(shù)值較大，即φ較小。而上述避雷器絕緣電阻合格，功率因數(shù)角φ為81°。結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)不符，故排除。

（2）受潮未貫穿整個(gè)避雷器，且只有少部分閥片受潮。假設(shè)上部分為受潮閥片，且僅僅占整體的極少部分，下部分為良好閥片。R1≈0，R2合格；假設(shè)C1≈8C2，φ1=60°（tanδ=0.577），φ2=83°（tanδ=0.123），則總的絕緣電阻R=R2合格，總的tanδ=0.162，即φ=80.7°。與上述避雷器試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合，假設(shè)成立。

4 氧化鋅避雷器解體測(cè)試驗(yàn)證分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證理論假設(shè)，對(duì)該避雷器進(jìn)行解體檢查試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)頂部金屬蓋子的螺絲是松動(dòng)的，頂部已被氧化，金屬部件有銹跡和白色的粉末，且部分氧化鋅閥片的周邊出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3 內(nèi)部氧化鋅閥片

對(duì)閥片進(jìn)行單個(gè)試驗(yàn)，測(cè)得數(shù)據(jù)如表3所示。

該避雷器共有36個(gè)閥片，根據(jù)規(guī)程35 kV及以上電壓等級(jí)的避雷器絕緣電阻不小于2 500 MΩ，分到每個(gè)閥片上約是69 MΩ；廠家規(guī)定給參考電壓157 kV，分到每個(gè)閥片約為4.4 kV。試驗(yàn)測(cè)得頂部五個(gè)閥片的絕緣電阻R、U1mA及0.75%U1mA的泄漏電流均不滿足規(guī)定，因此頂部五個(gè)閥片已受潮損壞，底部閥片狀態(tài)良好。

借助試驗(yàn)變壓器模擬正常情況下的各閥片承受的交流電壓，用避雷器帶電測(cè)試儀對(duì)單個(gè)閥片進(jìn)行帶電測(cè)試，測(cè)得頂部損壞閥片的功率因數(shù)角為63°，底部未受潮的閥片的功率因數(shù)角為83°。對(duì)比整個(gè)避雷器未解體之前的功率因數(shù)角（81°），解體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與僅小部分閥片受潮的理論推測(cè)完全符合。

表3 單個(gè)閥片的停電試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié) 論

對(duì)于有機(jī)復(fù)合外套金屬氧化物避雷器，避雷器部分閥片受潮損壞時(shí)，由于澆注制造工藝的影響，受潮并未貫穿到底部，大部分底部閥片狀態(tài)仍然良好。因此，避雷器整體運(yùn)行電壓下的阻性泄露電流可能不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重增長(zhǎng)現(xiàn)象，達(dá)不到預(yù)試規(guī)程判斷的標(biāo)準(zhǔn)，但可以通過觀測(cè)運(yùn)行電壓下的全電流增長(zhǎng)趨勢(shì)判斷避雷器的運(yùn)行狀況，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況并停電進(jìn)行檢查。