晏桂林, 龔 寧, 張志權(quán), 楊興華

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一起金屬氧化物避雷器故障分析與處理

晏桂林*1, 龔 寧2, 張志權(quán)2, 楊興華2

(1. 湖南省電力公司 科學(xué)研究院, 湖南 長沙, 415000; 2. 湖南省電力公司 柘溪水力發(fā)電廠, 湖南 益陽, 413508)

簡述了金屬氧化物避雷器的工作原理，并概述了其故障檢測的一些方法. 針對某電廠一起220 kV金屬氧化物避雷器泄流電流異常的缺陷, 采用對避雷器進行帶電阻性電流測試、紅外線成像檢測及停電常規(guī)試驗相結(jié)合的診斷方法, 初步判定了故障性質(zhì)和故障部位. 通過對退運缺陷避雷器的拆解, 發(fā)現(xiàn)缺陷是因避雷器受潮引起, 并從故障構(gòu)件結(jié)構(gòu)入手分析了發(fā)生受潮的原因.

金屬氧化物避雷器; 帶電測試; 阻性電流;紅外線成像

避雷器是用來防止雷電波侵入和內(nèi)部過電壓的重要電氣設(shè)備. 在設(shè)備布置區(qū)域相對狹小的廠站, 若避雷器存在故障, 不僅不能起到保護作用, 嚴重故障還會引發(fā)爆炸, 影響其它設(shè)備運行, 釀成更大的次生事故. 如何有效地檢測出避雷器缺陷, 特別是在帶電運行狀況下利用在線檢測的方法及時發(fā)現(xiàn)避雷器的缺陷, 是高電壓診斷性試驗的一個重要內(nèi)容.

1 金屬氧化物避雷器的結(jié)構(gòu)及工作原理

金屬氧化鋅避雷器是世界上公認的當(dāng)代最先進的防雷電器, 它由均壓環(huán)、避雷器元件和底部絕緣座組成. 避雷元件由非線性金屬氧化物電阻片、內(nèi)部均壓系統(tǒng)、絕緣拉桿、密封件、避雷器壓力釋放防爆裝置等組成[1]. 其結(jié)構(gòu)為將若干片氧化鋅電阻片用絕緣棒作為支撐材料固定在上下電極之間, 外部有絕緣筒與外瓷套相隔離(圖1、2).

交流無間隙金屬氧化物避雷器主體元件內(nèi)部采用了非線性的金屬氧化鋅電阻片作為核心元件, 具有優(yōu)異的非線性特性、大通流容量、保護性能穩(wěn)定、殘壓低等優(yōu)點. 當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)大氣過電壓或操作過電壓時, 電阻片呈現(xiàn)低電阻, 使氧化鋅避雷器的殘壓被限制在允許值以下, 同時吸收過電壓能量, 在能量釋放后, 電阻片又自行恢復(fù)到最初的高阻狀態(tài), 對電力設(shè)備提供可靠的保護. 在正常運行電壓下, 電阻片呈高電阻, 流過氧化鋅避雷器的電流很小, 起到與系統(tǒng)隔離的作用, 這便是無間隙氧化鋅避雷器的工作原理. 金屬氧化鋅避雷器最關(guān)鍵的部件是金屬氧化鋅電阻閥片, 由于氧化鋅電阻片長期受工頻電壓的作用, 會有劣化現(xiàn)象, 同時如果避雷器自身密封性能不良也會使氧化鋅電阻片、絕緣筒等受潮, 從而降低避雷器的絕緣性能, 嚴重時還會造成避雷器事故.

圖1 避雷器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 避雷器內(nèi)部實物圖

2 金屬氧化物避雷器故障事例

2.1 故障發(fā)現(xiàn)簡要經(jīng)過

2012年3月25日, 某電廠檢修人員巡檢時發(fā)現(xiàn)一組220 kV氧化鋅避雷器全電流計數(shù)器指示異常, A相指示增大. 巡檢數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 2012年某電廠高壓電纜終端頭氧化鋅避雷器泄漏電流監(jiān)測儀巡檢記錄

設(shè)備運行中普遍采用全電流作為避雷器運行狀態(tài)監(jiān)測參量. 避雷器受潮、劣化時, 阻性電流出現(xiàn)大幅變化, 但由于阻性電流所占全電流比重較小, 全電流的變化量不明顯, 所以對避雷器泄漏電流監(jiān)測儀的全電流輕微變化量都要引起高度重視. 該避雷器型號為Y10W5-200/520W, 生產(chǎn)廠家為西安西電高壓電瓷有限責(zé)任公司, 2005年2月投入運行. 數(shù)據(jù)顯示該組避雷器的A相全電流從2月29日開始就有增長趨勢, 截止3月25日已達同組避雷器的1.58倍, 增長迅速. 檢查系統(tǒng)三相運行電壓無明顯差異, 按照輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修規(guī)程規(guī)定, 將歷史數(shù)據(jù)與同類設(shè)備數(shù)據(jù)比較可知, 全電流不應(yīng)出現(xiàn)明顯變化, 初步懷疑A相避雷器存在缺陷. 試驗人員立即對該組避雷器進行了紅外線測溫及帶電運行下阻性電流測試.

2.2 現(xiàn)場缺陷檢查

2.2.1 運行狀況下紅外測溫情況

2012年3月25日, 試驗人員對該組避雷器進行了紅外線測溫, 220 kV相A避雷器紅外測溫成像圖譜如圖3所示.

避雷器是電壓致熱型設(shè)備, 產(chǎn)生過熱缺陷后, 因熱量有限, 且由于絕緣層熱傳導(dǎo)系數(shù)的影響, 反應(yīng)到設(shè)備外部的溫度變化量較小, 可能沒有特征顯著的過熱點, 而只是整體溫度微量上升, 不利于缺陷的發(fā)現(xiàn)[2]. 所以避雷器需要精確紅外測溫, 并仔細分析, 從同組不同相別及同相不同節(jié)多角度分析. 從紅外圖譜(圖3)中數(shù)據(jù)分析, 避雷器的上、下節(jié)并沒有明顯局部的過溫點, 但仔細分析同相的上、下節(jié)避雷器, 下節(jié)溫度最大值為26.4 ℃, 上節(jié)最大值為24.4 ℃, 下節(jié)避雷器溫度要高于上節(jié)避雷器溫度, 表現(xiàn)為整體發(fā)熱故障特征, 同時下節(jié)溫差為2.5 ℃, 達到判定缺陷的溫差等級, 因此, 紅外測溫結(jié)果表明A相避雷器的下節(jié)存在故障.

圖3 避雷器紅外測溫圖譜

2.2.2 運行電壓下全電流、阻性電流、容性電流帶電測試

為了和以前的測試數(shù)據(jù)進行比較, 2012年3月25日, 再次對該組避雷器進行了一次運行電壓下的全電流、阻性電流、容性電流帶電測試, 測量結(jié)果如表2所示.

表2 2011—2012年運行電壓下全電流、阻性電流帶電測試數(shù)據(jù)

交流電壓作用下金屬氧化鋅避雷器的總泄漏電流包含阻性電流(有功分量)和容型電流(無功分量). 在正常運行情況下, 流過金屬氧化鋅避雷器電流主要為容型電流, 阻性電流只占了很小一部分, 約為10%～20%, 而容性電流基本取決于電壓分布, 當(dāng)電阻片老化、避雷器受潮、內(nèi)部絕緣部件受損以及表面嚴重臟污時, 容性電流變化不大, 而阻性電流卻會顯著增加.

由表2可知, 2012年3月25日的數(shù)據(jù)較2011年的有較大的變化. A相容性電流c1p超出同組避雷器的0.35倍, 漲幅較小; 全電流超出同組避雷器的0.52倍, 有一定增長, 阻性電流r1p達0.597 mA, 占x全電流的比重達66%, 且與同組避雷器的差別為500%, 與交接及以往值比變化大于100%, 增長率十分顯著; 同時功率損耗1增加到600%, 增長也很明顯, 由此判定避雷器A相存在內(nèi)部嚴重絕緣缺陷.

2.2.3 停電檢查試驗

2012年3月31日, 將該組避雷器退出運行, 停電進行檢查. 避雷器A相上節(jié)絕緣電阻為100 000 ΜΩ, 下節(jié)為300 ΜΩ, 下節(jié)避雷器絕緣電阻下降明顯. 再進行直流特性試驗, 測試數(shù)據(jù)如表3所示.

從表3數(shù)據(jù)可知, 避雷器A相下節(jié)1mA下降較為明顯, 且75%1mA下的泄漏電流達630 μA, 是交接值的63倍, 基本肯定此節(jié)避雷器已嚴重損壞, 停電試驗結(jié)果驗證了在線測量結(jié)果的正確性.

表3 直流1 mA參考電壓及0.75倍直流參考電壓下泄漏電流

2.3 故障點查找

對故障避雷器進行拆解, 拆解前上、下防爆膜均完好無損. 首先打開金屬氧化鋅避雷器上法蘭的金屬頂蓋, 發(fā)現(xiàn)密封蓋內(nèi)表面有水珠, 避雷器上端法蘭側(cè)充氣預(yù)留孔及密封螺絲銹蝕嚴重(圖4(a)). 檢查密封螺絲, 發(fā)現(xiàn)螺絲未緊固到位, 螺絲與密封錐形橡膠墊之間有間隙. 再拆開上下電極面, 發(fā)現(xiàn)電極銹蝕痕跡明顯(圖4(b)), 同時避雷器底部留存有大量水分(圖4(c)). 取下閥片外環(huán)氧筒, 筒內(nèi)外壁有長達50 cm的水銹痕跡(圖4(d)). 最后, 依次取出避雷器閥片, 發(fā)現(xiàn)少數(shù)閥片間的金屬片存在銹蝕(圖4(e)).

將避雷器氧化鋅閥片擦拭干凈, 進行絕緣電阻、直流1 mA參考電壓及0.75倍直流參考電壓下泄漏電流檢測, 檢測數(shù)據(jù)基本合格, 因此可知避雷器氧化鋅閥片并沒有劣化. 綜合拆解情況可以判定, 避雷器是因密封不良, 內(nèi)部進水受潮而導(dǎo)致缺陷的.

圖4 避雷器拆解后情況

3 金屬氧化物避雷器受潮原因分析

通常避雷器受潮的主要原因是呼吸作用. 瓷套式氧化鋅避雷器內(nèi)部空腔約占整個避雷器內(nèi)空間的50%, 在環(huán)境溫度冷熱循環(huán)變化下, 內(nèi)空氣膨脹或收縮形成呼吸作用, 使制造過程中遺留的微小漏孔擴大. 該避雷器于2011年3月在線檢測后, 到2012年3月再次檢測期間, 經(jīng)歷了冬季降溫和夏季升溫的過程, 溫度的變化造成了避雷器的密封破壞, 潮氣進入避雷器內(nèi)部.

避雷器拆解后可見其頂部金屬法蘭預(yù)留有一個氮氣加注氣孔, 但此避雷器為2005年的老產(chǎn)品, 內(nèi)部沒有充裝氮氣. 預(yù)留的充氣孔設(shè)計為內(nèi)小外大的錐形結(jié)構(gòu). 氣孔密封結(jié)構(gòu)如圖5—7所示, 其密封是靠錐形橡膠墊放置在充氣孔內(nèi), 外用螺絲擰緊頂住實現(xiàn)的. 此種設(shè)計結(jié)構(gòu), 如果組裝時螺絲沒有緊固到位, 加上運行過程中金屬熱脹冷縮的作用, 易造成膠墊密封不到位, 使得潮氣侵入. 另外, 密封件本身的設(shè)計與封裝工藝不良及密封件的老化等都可使積水及濕氣從上下兩法蘭面浸入避雷器內(nèi)部, 導(dǎo)致絕緣降低, 阻性電流增加.

圖5 充氣孔形狀

圖6 充氣孔位置

圖7 充氣孔密封螺絲結(jié)構(gòu)

4 金屬氧化物避雷器故障檢測

金屬氧化物避雷器在電力系統(tǒng)各廠站應(yīng)用較多, 為了掌握該類型設(shè)備的運行狀況, 首先應(yīng)每月記錄一次氧化鋅避雷器泄漏電流監(jiān)測儀全電流數(shù)據(jù), 在雷雨季節(jié)應(yīng)加密巡檢至每周一次, 當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生變化時應(yīng)通知試驗人員進行紅外測溫和帶電測量. 分析數(shù)據(jù)時應(yīng)注意同類比較, 避雷器泄漏電流監(jiān)測儀數(shù)據(jù)受避雷器外部環(huán)境影響較大, 同組避雷器同時出現(xiàn)缺陷的幾率較低.

帶電測量避雷器全電流、阻性電流是發(fā)現(xiàn)避雷器缺陷的有效方法, 特別是施行狀態(tài)檢修后, 由于檢修周期的延長, 在停電試驗周期未到時, 帶電檢測可有力保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行. 若避雷器內(nèi)部存在缺陷, 其全電流會隨運行電壓的改變出現(xiàn)增長, 同時, 應(yīng)注意在天氣良好狀況下避雷器泄漏電流在線監(jiān)測裝置讀數(shù)的變化, 若出現(xiàn)上午和下午有不同的讀數(shù), 需引起足夠的重視, 及時進行阻性電流帶電測試. 如果阻性電流有增長, 且占到全電流比重的25%以上時, 一般應(yīng)停電進行試驗.

另外, 紅外測溫也是帶電檢測的一種有效手段, 避雷器受潮后發(fā)熱量小, 溫差變化少, 紅外測試時最好在無風(fēng)的夜間進行. 對于220 kV以上多節(jié)避雷器, 應(yīng)使用帶廣角的鏡頭, 多節(jié)同時測量, 這樣對于整節(jié)發(fā)熱的避雷器, 發(fā)現(xiàn)的靈敏度要高得多. 避雷器測溫工作應(yīng)在投運初期就進行, 并定期檢測, 建立圖像數(shù)據(jù)庫, 便于問題分析. 有異常存在時, 應(yīng)結(jié)合帶電阻性電流測量結(jié)果綜合判斷.

確定避雷器存在缺陷, 則停電狀況下的檢查試驗是最終的檢查辦法. 實踐證明, 直流特性檢測對避雷器受潮、老化等缺陷反映最靈敏, 也是一種成熟的試驗方法[3]. 當(dāng)帶電測試或紅外線測量都發(fā)現(xiàn)異常后應(yīng)進行停電直流特性檢測. 避雷器在投運一年后通常要進行一次停電檢查.

5 結(jié)束語

氧化鋅避雷器是電力系統(tǒng)運行中的重要設(shè)備, 對保護電氣設(shè)備安全有著極其重要的作用. 在日常運行維護以及定期試驗中, 通過紅外測溫, 在線檢測及停電狀況下的直流特性試驗等手段可以準確地發(fā)現(xiàn)避雷器故障, 及時消缺, 以防故障進一步擴大, 甚至釀成事故. 在目前電力系統(tǒng)的狀態(tài)檢修決策中, 帶電測試方法為快速準確掌握氧化鋅避雷器的健康狀態(tài)提供了科學(xué)依據(jù), 檢測結(jié)果可作為設(shè)備能否繼續(xù)可靠運行的重要判據(jù).

[1] 李建明, 朱康. 高壓電氣試驗方法[M]. 2版. 北京: 中國電力出版社, 2001: 251—252.

[2] 魏梅芳, 王曉, 陽靖. 一起金屬氧化物避雷器故障分析[J]. 現(xiàn)代建筑電氣, 2010, 1(4): 58—60.

[3] 彭波涌, 范丙巍. 一起氧化物避雷器測試數(shù)據(jù)異常的分析及與處理[J]. 電力安全技術(shù), 2010, 12(10): 34—35.

Fault analysis and processing of moistened metal oxide surge arresters

YAN Gui-ling1, GONG Ning2, ZHANG Zhi-quan2, YANG Xing-hua2

(1. Test ＆ Research Institute, Hunan Electric Power, Changsha 415000, China; 2. Hunan Zhexi Hydro-electri Power Station, Yiyang 413508, China)

The working principle of metal oxide surge arresters was described, and some of its fault detection methods were outlined. For a power plant with a 220 kV metal oxide arrester defect due to abnormal discharge current, the preliminary determination of fault nature was taken followed by promptly quitting running by the diagnostic method of resistive current testing, infrared imaging detection combined with outages routine testing.According to the dismantling of the returned defective arrester, the defect caused by lightning arrester moisture was found out, and the moistened cause of the arrester was further analyzed with the structural component.

metal oxide surge arresters; charged test; resistive current; infrared imaging

10.3969/j.issn.1672-6146.2013.03.013

TU 856

1672-6146(2013)03-0056-05

email: yangui127000@163.com.

2013-09-22

(責(zé)任編校: 江 河)