一起基于全生命周期管理的500千伏MOA局部發(fā)熱缺陷狀態(tài)檢修案例分析與研究

王清波, 董 偉, 代正元, 韋瑞峰, 趙榮普, 方 勇, 鄒 璟, 路智欣, 冉玉琦, 段永生, 周 帆, 李 蓉

(云南電網有限責任公司昆明供電局，昆明 650011)

0 引言

電力系統(tǒng)常會受到直擊雷或感應雷造成的外部過電壓，以及暫態(tài)過電壓、操作過電壓或諧振過電壓等內部過電壓的侵害。當電網設備的絕緣水平不能承受過電壓侵害時，就會致使供電系統(tǒng)發(fā)生非計劃停運，造成巨大的經濟損失和社會不良影響。金屬氧化物避雷器(metal oxide surge-arrester，MOA)因其良好的非線性特性和通流能力可以保護電力系統(tǒng)免受過電壓侵害。但當MOA受潮、老化或部件損傷后，在暫態(tài)負荷沖擊時不僅喪失保護作用，還會因自身故障影響供電可靠性[1-4]。

為了滿足高速發(fā)展的電網規(guī)模與國民經濟對供電質量的需要，我國電網正在廣泛踐行基于全生命周期管理(life-cycle management for grid equipment)的狀態(tài)檢修。采用巡視檢查、在線監(jiān)測、帶電檢測等方法獲取設備信息，通過狀態(tài)參量與對應故障之間映射關系對設備健康水平進行診斷、評估。然后根據評估結果輸出運檢策略，為設備的設計-生產-監(jiān)造-安裝-驗收-調度-運行-維護-檢修-試驗-退役等環(huán)節(jié)，動態(tài)循環(huán)地反饋提供措施與建議。狀態(tài)檢修與傳統(tǒng)的故障事后檢修、定期停電預試檢修相比具有的優(yōu)點：縮短了設備停電時間、降低了停電誤操作概率、帶電測試工作方便靈活、在運行工況能更真實反映設備健康狀態(tài)、節(jié)約設備運維成本、優(yōu)化人力資源利用率等[5-9]。

1 狀態(tài)感知

2021年1月13日，帶電監(jiān)測技術人員在開展500 kV某變電站帶電測試過程中，發(fā)現500 kV某線路避雷器B相下節(jié)本體中部靠A相側(以下簡稱“該避雷器”)存在局部發(fā)熱現象，排除背景、風速、光照和儀器等干擾因素后，熱點與其他部位溫差0.4～0.5 K左右。查閱該避雷器歷次巡視檢查、紅外測溫、阻性電流、停電試驗均無異常。隨后制定管控措施:1)每天早晚巡視一次時開展紅外精準測溫。2)按照1周/次周期開展阻性電流帶電測試、高頻脈沖電流法局放帶電測試、紫外成像帶電測試。

跟蹤復測溫差一直在0.4～0.5 K左右，各項測試未發(fā)現異常。直到2021年7月10日紅外精準測溫出現異常變化：500 kV避雷器B相下節(jié)中部靠A相側在從上往下的第6、7片瓷裙和第10、11片瓷裙處有兩個發(fā)熱點，溫度最高28.4 ℃，中、上兩節(jié)整體溫度為26.2 ℃。A、C相間同部位溫度均為26.1、26.2 ℃，相間溫差為2.2 K左右(圖1-3)。

圖1 該避雷器發(fā)熱側的線-溫圖譜Fig.1 The line temperature diagram on the heating side of the arrester

圖2 該避雷器發(fā)熱側對側的線-溫圖譜Fig.2 Line temperature diagram of the opposite side of the heating side of the arrester

圖3 該避雷器A、B、C相(最右側)紅外熱像圖譜Fig.3 Infrared thermogram of phase A、 B and C (rightmost) of the arrester

2 診斷評估

2.1 光學圖譜分析診斷

2021年7月10日至17日，多次紅外精準測溫和電暈放電紫外成像，并安排在陰天或夜間復測，異常溫差均超過2K，紫外成像未發(fā)現異常。

診斷：1)巡視使用望遠鏡詳細檢查避雷器表面未發(fā)現異常。2)使用數字式紫外成像儀對避雷器外表面進行檢測，光子數和紫外圖譜無異常。[10]表明避雷器表面不存在破損、臟污、電暈。3)該避雷器B相最下一節(jié)中部靠A相側存在局部發(fā)熱，溫差2.2 K。根據《DL/T 664-2016帶電設備紅外診斷應用規(guī)范》“氧化鋅避雷器整體(或單節(jié))發(fā)熱或局部發(fā)熱為異常，溫差超過0.5～1 K為異?！盵11-14]。

表1 該避雷器阻性電流帶電測試歷史數據Table 1 Historical data of resistive current live test of the arrester mA

2.2 阻性電流測試數據分析

診斷：歷年全電流Ix及阻性電流Irp橫向及縱向比較均無異常增長，阻性電流Irp都小于全電流Ix的20%，判斷該避雷器的阻性電流帶電測試無異常[15-18]。

2.3 HFCT局放圖譜指紋診斷

使用高頻脈沖電流傳感器(High Frequency Current Transformer,HFCT)，分別夾在放電計數器上下兩端的接地引流線進行局放測試見圖4、圖5。在計數器下端靠地面處安裝HFCT傳感器的目的是輔助判斷接地網的干擾信號強弱。

圖4 避雷器HFCT法局部放電測試示意圖Fig.4 Schematic diagram of partial discharge test of arrester by HFCT method

圖5 避雷器B相計數器上、下端靠地面(右)引流線上HFCT局放圖譜Fig.5 HFCT partial discharge map of the upper and lowerends of the phase B counter of the arrester close to the ground (right) drainage line

診斷：通過HFCT局放圖譜指紋診斷方法[19-24]，該避雷器未檢測到明顯的放電信號。

綜合診斷評估：除了紅外測溫，其他的帶電測試技術都未發(fā)現異常。該避雷器內部存在局部發(fā)熱，該故障處于發(fā)展初期，但故障有惡化趨勢。局部發(fā)熱原因可能是：密封不嚴導致內部受潮、絕緣筒等部件絕緣損壞或局部閥片劣化。

3 運檢策略

根據設備狀態(tài)診斷評估結果，建議按照下列策略開展后續(xù)工作：

準備工作：生技部門盡快準備好合格的備品備件，調度和運行部門做好停電準備。

準備期間帶電監(jiān)測專業(yè)按照每天早晚各開展一次紅外精準測溫，按照1周/次周期開展阻性電流帶電測試、高頻脈沖電流法局放帶電測試、紫外成像帶電測試。發(fā)現異常立即上報。

準備工作完成立即對該線路避雷器停電。

停電后試驗專業(yè)開展絕緣電阻、泄漏電流試驗。

對絕緣不滿足要求的避雷器，帶電監(jiān)測、檢修、試驗、化學等專業(yè)聯合開展解體研究。

3.1 停電試驗

停電后立即對避雷器開展絕緣電阻測試、直流特性測試(瓷外套屏蔽)。測試結果見表2、表3。

表2 避雷器絕緣電阻測試數據

表3 避雷器直流特性試驗數據

圖6 避雷器B相避雷器直流伏安特性曲線Fig.1 DC volt ampere characteristic curve of phase B arrester

分析：1)避雷器B相中上節(jié)絕緣電阻滿足要求(≥2 500 MΩ)，下節(jié)絕緣不合格。2)避雷器中上節(jié)U1mA在廠家規(guī)定值(207 kV)范圍內，下節(jié)U1mA比規(guī)定值下降了13.8%，表明避雷器臨界動作電壓不符合要求，內部存在受潮的可能性較大。3)避雷器中上節(jié)I75%在標準要求范圍內，下節(jié)I75%比廠家規(guī)定值(<50 μA)增大7倍。4)避雷器A、C相各節(jié)絕緣電阻、直流特性試驗合格。

3.2 檢修處理

1)避雷器A、C相各節(jié)絕緣電阻、直流特性都滿足運行要求，可以繼續(xù)投運。2)對避雷器B相進行更換，確保盡快恢復送電。3)將避雷器B相運回檢修試驗車間，開展解體研究。

3.3 解體研究

3.3.1 部件檢查

將避雷器在檢修車間解體。中上節(jié)避雷器未發(fā)現受潮現象。發(fā)現B相下節(jié)上端密封口處、瓷套內壁都發(fā)現明顯的水漬(圖7)。

圖7 該避雷器B相下節(jié)上端密封處的水漬Fig.7 Water stains at the upper end seal of phase B lower section of the arrester

外側三元乙丙橡膠密封圈嚴重老化、完全失去彈性。用游標卡尺測量內側三元乙丙橡膠密封圈厚度(2.77 mm)與凹槽深度(2.52 mm)，不滿足靜密封時密封圈的相對壓縮變形率應在25%左右(圖8)。

圖8 該避雷器B相下節(jié)內、外側密封圈失效Fig.8 Failure of inner and outer sealing rings

3.3.2 試驗研究

將避雷器拆解為瓷外套、絕緣筒、電阻片柱(含金屬墊片和玻璃鋼芯絕緣桿)3個部分(圖9)，分別進行絕緣電阻測試(表4)，在單節(jié)避雷器的持續(xù)運行電壓下溫升穩(wěn)定后紅外測溫(圖10-12)。

圖9 避雷器拆解為3個部分Fig.9 Disassemble the arrester into porcelain jacket, insulating cylinder and resistor column

表4 絕緣電阻Table 4 Insulation resistance of the Arrester

圖10 避雷器上中下節(jié)(從左至右)瓷外套紅外圖譜Fig.10 Infrared spectrum of porcelain jacket of upper, middle and lower sections (from left to right) of arrester

圖11 避雷器上中下節(jié)(從左至右)絕緣筒紅外圖譜Fig.11 Infrared spectrum of insulating cylinder of upper, middle and lower sections (from left to right) of arrester

圖12 避雷器上中下節(jié)(從左至右)電阻片柱紅外圖譜Fig.12 Infrared spectrum of upper, middle and lower sections of arrester (from left to right)

3.3.3 絕緣筒烘干與試驗

按照避雷器廠家干燥工藝要求：各部件在80-100 ℃流動熱風中干燥10～12 h。

在檢修車間的烘房(圖13)采用80 ℃流動熱風對絕緣筒進行干燥2 h。待冷卻后立即進行絕緣電阻、持續(xù)運行電壓下紅外測溫，見圖14。絕緣電阻>1 TΩ。

圖13 烘房及其控制柜Fig.13 Drying room and its control cabinet

圖14 80℃流動熱風烘干2 h后的紅外圖譜Fig.14 Infrared spectrum after drying with flowing hot air at 80 ℃ for 2 hours

通過絕緣電阻測試可知，影響整體絕緣的是下節(jié)避雷器絕緣筒絕緣下降。通過持續(xù)運行電壓下紅外測溫發(fā)現，導致避雷器局部發(fā)熱是下節(jié)避雷器絕緣筒。

烘2小時后絕緣電阻測試結果為>1T Ω，紅外測溫大部分局部發(fā)熱點都消失，還剩下絕緣筒上端(避雷器密封受損一端)少部分發(fā)熱點。繼續(xù)烘12 h后取出冷卻后施加持續(xù)運行電壓，溫度穩(wěn)定后進行紅外測溫，所有的發(fā)熱點都消失。

小結：1)該故障是由于避雷器B相下節(jié)上端密封失效，潮氣進入導致內部受潮。2)避雷器B相下節(jié)的絕緣電阻不足和局部發(fā)熱主要都是絕緣筒導致。3)由于潮氣是從上端進入，所以絕緣筒上部的受潮最為嚴重。4)由于發(fā)現比較及時，跟蹤發(fā)現溫差增大后及時停電處理，一方面避雷器內部絕緣還未遭到性永久破壞，另一方面避免的設備非計劃停運。5)返廠將銹蝕清理干凈、更換密封圈，按照出廠工藝組裝后，該避雷器滿足投運要求。

4 措施反饋

隨著近年來氧化鋅閥片材料、制造工藝水平提升[25-28]，MOA故障中閥片損壞會劣化的占比在逐漸下降，受潮導致的缺陷占比在上升。根據學者俞震華統(tǒng)計，約有70%的MOA事故是由于受潮引起的[29]。所以加強對避雷器密封性能的管控是提高MOA安全穩(wěn)定運行的關鍵。避雷器密封圈脫落、錯位、破損、老化都會導致密封不嚴，進而造成避雷器內部受潮，絕緣性能下降，在高電場作用下發(fā)熱、放電，在過電壓沖擊下容易發(fā)生“熱崩潰”。

通過本案例的經驗教訓，反饋到避雷器全生命周期管理活動中，持續(xù)優(yōu)化提升避雷器監(jiān)督水平。

1)規(guī)范避雷器及其密封圈設計、選型。應綜合考慮密封圈在海拔、溫度、日照、污染程度等，選擇不同類型的密封圈(三元乙丙橡膠、丁腈橡膠、氟橡膠)，以保證避雷器在其設計壽命內不發(fā)生由于密封圈失效導致的受潮缺陷。針對日照強、溫差大的變電站，建議優(yōu)先考慮三元乙丙橡膠；針對冰凍地區(qū)，不建議采用氟橡膠。規(guī)范避雷器密封圈與密封槽的尺寸配合，保證密封圈的壓縮永久變形量符合規(guī)定。作為靜密封時密封圈的相對壓縮變形率約25%左右。

2)加強密封圈的存儲管理。密封圈存儲應避免日光直射、濕度高、高溫熱源等場所，密封圈應隔絕空氣保存，勿用細繩將密封圈捆綁或掛在釘子、金屬線上。丁腈橡膠密封圈存儲時間不超過1年，三元乙丙橡膠密封圈存儲時間不超過2年。

3)在避雷器生產、監(jiān)造環(huán)節(jié)，應加密封圈生產制造過程的質量管控。嚴格按照的作業(yè)指導書進行。對于外購的密封圈，應嚴把入廠檢驗關。密封圈進行產品材料性能試驗時，至少開展國標、行標要求的以下試驗：硬度、拉伸強度、拉斷伸長率、壓縮永久變形率、熱空氣老化、低溫回縮；密封圈成型后，除進行必要的外觀、尺寸 檢查外，建議至少抽檢3%～5%進行壓縮量、硬度、拉伸強度等試驗。

4)嚴格管控避雷器安裝、驗收質量。密封圈不應重復使用。將密封圈安裝入密封槽中時，不要是密封圈發(fā)生扭曲。按照工藝要求涂抹密封膠或硅脂。按工藝要求先對所有螺栓進行預緊，然后再用扭矩扳手對所有螺栓進行鎖緊，螺栓需按一定的的順利對稱進行，不可一次將螺栓鎖緊到位。

5)在避雷器檢修、維護環(huán)節(jié)，更換密封圈的尺寸要一致。要嚴格按照說明書要求，選用相同尺寸的密封圈。使用新密封圈時，也要仔細檢查其表面質量，確定無小孔、凸起物、裂痕和凹槽等缺陷并有足夠彈性后再使用。更換密封圈時，要嚴格檢查密封圈溝槽，清除污物，打磨溝槽底。

5 結語

本案例從運行中的500 kV避雷器紅外測溫發(fā)現異常局部溫差(0.4～0.5 K)開始跟蹤管控，直至溫差在3個月后擴大為2.2 K，期間進行了全電流、阻性電流、紅外熱成像、紫外成像、高頻局放等帶電測量和診斷，并最終根據避雷器狀態(tài)綜合評估結果停電退運。后續(xù)的試驗和解刨，不僅進一步驗證了判斷的正確性，而且準確定位了避雷器異常的位置、部件和原因。并將經驗反饋到設備的設計-生產-監(jiān)造-安裝-驗收-調度-運行-維護-檢修-試驗-退役等環(huán)節(jié)，延展MOA全生命周期管理的經緯度。

由于發(fā)現及時且通過有效措施，避免了隱患發(fā)展為事故事件。特殊體現了紅外精準測溫技術對于避雷器受潮早期的檢出敏感度。建議變電運維管理人員和技術技能人員在MOA全生命周期管理工作中，充分吸收本案例的經驗教訓，提高MOA安全性與可靠性。

本“醫(yī)案”為MOA故障智能診斷、多信息融合大數據分析的狀態(tài)評估方法、機器深度學習算法或數字孿生技術等科研人員，提供鮮活的設備狀態(tài)規(guī)律表達樣本。打破壁壘共享數據，有利于將設備設計、制造、運維過程中的專家經驗知識，與機器學習、數字孿生體進行深度融合[30-34]。