余 喆，藍(lán)道林，董樹禮，汪楨毅，王祝露

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司衢州供電公司，浙江 衢州 324000）

0 引言

MOA（氧化鋅避雷器）因具有非線性特性好、通流容量大和無(wú)間隙無(wú)續(xù)流等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)作為過(guò)電壓保護(hù)的重要電氣設(shè)備。為了判斷避雷器運(yùn)行情況，一般通過(guò)觀察運(yùn)行時(shí)泄漏電流值，或獲取帶電檢測(cè)的阻性電流值[1-2]。但阻性電流一般只占到泄漏電流的10%~20%，所以反應(yīng)到泄漏電流值時(shí)不一定能觀察出來(lái)。分析泄漏電流異常偏大時(shí)，應(yīng)排除泄漏表計(jì)顯示的問(wèn)題，某些高電壓等級(jí)帶有并聯(lián)電容的避雷器還可能是內(nèi)部容性電流發(fā)生變化[3-4]，所以對(duì)避雷器泄漏電流異常增大的情況應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行分析。

1 MOA結(jié)構(gòu)及特性

MOA的基本結(jié)構(gòu)是閥片。閥片主要成分是氧化鋅，占閥片總質(zhì)量的95%，并摻雜少量的Bi2O3，Co2O3，MnO2及Sb2O3等金屬氧化物添加劑[5]。氧化鋅含量決定了避雷器的阻值r，少量的金屬氧化物添加劑則決定了避雷器的電容量C[6]。在顯微鏡下觀察可發(fā)現(xiàn)閥片由氧化鋅晶粒和包圍晶粒的氧化物添加劑組成，而這層氧化物就是晶界層，它的表面會(huì)產(chǎn)生位壘，使閥片具有半導(dǎo)體性質(zhì)，為可變電阻R，并決定了閥片的非線性特性。所以閥片可近似認(rèn)為由晶界層可變的電阻R與其等效電容C并聯(lián)后再與晶粒的電阻r串聯(lián)而成的結(jié)構(gòu)[7]，如圖1所示。

圖1 閥片等效結(jié)構(gòu)

閥片處于低電位時(shí)呈絕緣狀態(tài)，晶粒間的晶界層形成位壘，阻擋了自由電子的移動(dòng)；隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增大，位壘受到電子的沖擊逐漸被突破并形成“隧道效應(yīng)”，泄漏電流開始迅速增大；當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度足夠大時(shí)，晶界層的位壘將被全部攻破，此時(shí)晶界層的電阻率驟降[8-9]。而一旦場(chǎng)強(qiáng)下降至動(dòng)作電壓以下，位壘將很快恢復(fù)原位堵住晶界層缺口，閥片絕緣迅速恢復(fù)。

2 泄漏電流異常增大的可能性

2.1 常規(guī)分析

在排除了表計(jì)顯示問(wèn)題后，根據(jù)MOA的結(jié)構(gòu)及非線性特性，一般認(rèn)為出現(xiàn)泄漏電流異常增大時(shí)與R表面，R，C有關(guān)，而晶粒r值是不變的。

（1）R表面為外表電阻，它跟外界環(huán)境相關(guān)，受到表面污穢和環(huán)境濕度的影響等會(huì)變小，表面泄漏電流相應(yīng)增大。該泄漏電流不影響內(nèi)部運(yùn)行，但會(huì)造成巡視誤判斷[10]。

（2）閥片內(nèi)部受潮時(shí)，高介電系數(shù)的水分子進(jìn)入晶界層將增大電容量C，容抗減小，泄漏電流也隨之變大。但該變化是可逆的，如果經(jīng)日曬或者風(fēng)干潮氣散去后，晶界層將恢復(fù)其原來(lái)的結(jié)構(gòu)[11-12]。

（3）晶界層電阻R則跟閥片劣化相關(guān)。當(dāng)閥片存在家族性制造缺陷或者老化時(shí)，晶界層變薄變窄，R也就變小。若閥片制造過(guò)程中出現(xiàn)燒制時(shí)間不夠、燒結(jié)溫度偏低或者配方不合理等情況，將導(dǎo)致氧化鋅晶粒未能有效被添加劑充分填充包裹，也將使晶界層未能有效形成或強(qiáng)度不夠[13]；同時(shí)，避雷器在長(zhǎng)期的高電壓作用下其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生老化，閥片性能下降，晶界層會(huì)變薄變窄，泄漏電流也相應(yīng)會(huì)增大[14]。

2.2 特殊狀況

以下這起避雷器泄漏電流異常增大的事件非常特殊。投運(yùn)3年的避雷器遭2次雷擊便出現(xiàn)了泄漏電流異常增大的情況，且該避雷器封裝在GIS筒體內(nèi)不受環(huán)境影響，也不存在內(nèi)部受潮、家族型制造缺陷和老化等影響，無(wú)法通過(guò)常規(guī)分析進(jìn)行合理解釋。下面對(duì)這個(gè)案例展開詳細(xì)分析。

3 案例分析

2017年4月26日，在某110 kV GIS變電站內(nèi)運(yùn)行人員巡視時(shí)發(fā)現(xiàn)GIS筒體內(nèi)某110 kV線路避雷器B相泄漏電流增加明顯，由前一次巡視（2017年4月12日）時(shí)的0.59 mA增加至0.69 mA，同時(shí)放電計(jì)數(shù)變?yōu)?次，A相、B相為5次（2017年4月12日巡視時(shí)三相均為5次），說(shuō)明在這期間該相避雷器經(jīng)受了2次雷擊。2017年5月10日跟蹤巡視時(shí)發(fā)現(xiàn)B相避雷器泄漏電流已經(jīng)增長(zhǎng)至0.9 mA，超過(guò)1.4倍告警值0.84 mA，而同一個(gè)筒體內(nèi)的A相、C相避雷器電流則穩(wěn)定在0.6 mA左右。該組避雷器為2014年1月產(chǎn)品，2014年6月投產(chǎn)，才運(yùn)行3年。

3.1 阻性電流及全電流帶電檢測(cè)

為了驗(yàn)證泄漏電流真實(shí)性，排除泄漏表計(jì)顯示問(wèn)題，2017年5月11日上午，電氣試驗(yàn)人員對(duì)該組避雷器進(jìn)行了阻性電流及全電流帶電檢測(cè)，并對(duì)比了該組避雷器近幾年帶電測(cè)試結(jié)果，如表1所示。

通過(guò)帶電測(cè)試發(fā)現(xiàn)，B相避雷器前幾年數(shù)據(jù)很穩(wěn)定，2017年全電流則異常增大，數(shù)值為0.861 mA，與表計(jì)顯示數(shù)值0.9 mA很接近，說(shuō)明表計(jì)本身沒(méi)有問(wèn)題。阻性電流激增為315 μA，幾乎是A相、C相的6倍，比2016年增長(zhǎng)了1倍，角度也明顯偏小，只有68.91°。根據(jù)國(guó)網(wǎng)公司最新發(fā)布的《國(guó)家電網(wǎng)公司變電檢測(cè)管理規(guī)定（試行）》要求，運(yùn)行中的避雷器阻性電流初值差不超過(guò)50%，且全電流初值差不超過(guò)20%，而B相避雷器的2項(xiàng)初值差均已遠(yuǎn)超規(guī)程要求。

3.2 表面臟污和內(nèi)部受潮可能性排查

由于該組3只避雷器封裝在同一GIS筒體內(nèi)，不受外界臟污和環(huán)境影響，所以可斷定該異常增大泄漏電流并非來(lái)自表面泄漏電流?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)該氣室進(jìn)行了SF6濕度測(cè)試，測(cè)試時(shí)天氣晴，環(huán)境溫度25℃，濕度60%，結(jié)果見(jiàn)表2。測(cè)量結(jié)果表明避雷器氣室濕度并無(wú)異常，排除了里面存在受潮引起避雷器閥片劣化導(dǎo)致泄漏電流異常的可能。

3.3 家族性缺陷可能性排查

為了排查該組避雷器是否存在家族性質(zhì)量問(wèn)題，衢州供電公司變電運(yùn)檢室技術(shù)人員對(duì)該氣室進(jìn)行了停電解體，并同浙江省電科院高壓絕緣專家一起前往杭州永德避雷器廠對(duì)該組避雷器進(jìn)行了相關(guān)出廠試驗(yàn)。

（1）直流1 mA下電壓及0.75U1mA泄漏電流試驗(yàn)。對(duì)該組避雷器進(jìn)行整體外觀檢查、絕緣及直流1 mA試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表1 阻性電流及全電流測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 避雷器氣室SF6濕度測(cè)試結(jié)果

表3 直流1 mA試驗(yàn)情況

由表3可知，B相避雷器直流1 mA動(dòng)作電壓明顯低于A相、C相，且符合銘牌標(biāo)示低于148 kV的要求，0.75U1mA泄漏電流為72 μA，超過(guò)五通中要求值50 μA，說(shuō)明閥片劣化明顯。

（2）避雷器解體檢查、絕緣及殘壓試驗(yàn)。為了進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)A相、B相避雷器進(jìn)行了解體，從上至下對(duì)閥片進(jìn)行一一編號(hào)，其中A相避雷器有閥片35片，B相34片。對(duì)每塊閥片進(jìn)行觀察以及絕緣、標(biāo)稱電流下殘壓試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)A相閥片外表無(wú)異常，絕緣電阻均大于2 000 MΩ，殘壓基本穩(wěn)定在7.9 kV左右，而B相有11片閥片存在黑斑，絕緣電阻和殘壓普遍偏低，結(jié)果見(jiàn)表4。

仔細(xì)觀察B相避雷器11片閥片黑斑位置發(fā)現(xiàn)呈對(duì)稱和連續(xù)性：相鄰閥片的黑斑位置重疊，雙面黑斑閥片連續(xù)出現(xiàn)，單面的黑斑則在雙面黑斑的上下收尾，黑斑貫穿首尾形成3條兩孔的通道，見(jiàn)圖2。

圖2 對(duì)稱狀黑斑及整體位置示意

絕緣和殘壓試驗(yàn)顯示有黑斑的閥片絕緣已經(jīng)很低，殘壓試驗(yàn)時(shí)多數(shù)炸裂，雙面黑斑的閥片絕緣基本為0，根據(jù)其對(duì)稱和連續(xù)性可以判定黑斑為閥片融穿的痕跡。剩下外表正常的閥片絕緣及殘壓值也普遍偏低。

（3）2 ms方波600 A通流試驗(yàn)。根據(jù)廠家出廠要求，為驗(yàn)證閥片的通流性能，抽取1%的閥片進(jìn)行2 ms方波通流試驗(yàn)。本次試驗(yàn)從A相中隨意抽取4片，B相則從之前試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)較好的閥片中選取2片。最后選定試驗(yàn)閥片為A3，A11，A18，A30，B3，B20。 試驗(yàn)后 A 相閥片與B20號(hào)閥片未發(fā)現(xiàn)明顯異常，B3號(hào)閥片出現(xiàn)了細(xì)小的黑斑和裂紋，如圖3所示圓圈處。

圖3 試驗(yàn)后閥片出現(xiàn)了細(xì)小黑斑和裂紋

（4）4/10 μs 100 kA 大電流沖擊試驗(yàn)。 根據(jù)廠家出廠要求，還應(yīng)對(duì)抽取的閥片進(jìn)行大電流沖擊試驗(yàn)，以驗(yàn)證其耐受大電流沖擊能力。試驗(yàn)時(shí)將2片疊加進(jìn)行，A3和A11一組，A18和A30一組，B相閥片更換成B1和B2。試驗(yàn)結(jié)束后A相4片閥片均無(wú)異常，B1和B2沖擊時(shí)直接炸碎。

3.4 解體和試驗(yàn)小結(jié)

從解體試驗(yàn)情況來(lái)看，B相避雷器部分閥片直接被擊穿，并在表面留下了對(duì)稱和連續(xù)性的黑斑，將黑斑位置相連可形成3條通道；其他閥片由于承受電壓變高，性能變差，也出現(xiàn)了不同程度的劣化，已不能滿足各項(xiàng)出廠試驗(yàn)要求。A相避雷器所有閥片均滿足試驗(yàn)要求，數(shù)據(jù)合格，產(chǎn)品無(wú)質(zhì)量問(wèn)題。結(jié)合2只避雷器試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以判斷B相避雷器缺陷應(yīng)為個(gè)體性問(wèn)題。

4 原因分析

綜合各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)、解體狀況和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境信息可初步判斷，B相避雷器遭受2次雷擊后部分閥片被擊穿導(dǎo)致泄漏電流增大，其他閥片因此承受了更高的電壓，持續(xù)運(yùn)行下出現(xiàn)不同程度的劣化，使得泄漏電流持續(xù)增大。以下對(duì)故障原因進(jìn)行深入分析。

4.1 落雷查詢

通過(guò)浙江電網(wǎng)雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)查詢到，2017年4月12—26日（泄漏電流異常增大時(shí)間段）變電站所在區(qū)域一共有43個(gè)雷擊發(fā)生，其中41個(gè)雷擊出現(xiàn)在2017年4月16日，平均電流值達(dá)到了30 kA，則可以基本判定避雷器遭受的2次雷擊出現(xiàn)在2017年4月16日，查詢結(jié)果見(jiàn)圖4。

繼續(xù)查找2017年4月16日當(dāng)天落雷情況，發(fā)現(xiàn)雷擊發(fā)生非常密集，集中在12∶19—12∶39這20 min內(nèi)，且1 min內(nèi)會(huì)出現(xiàn)多次雷擊，見(jiàn)圖5?？梢耘袛郆相避雷器所遭的2次雷擊相隔時(shí)間非常短，極有可能就相隔了幾分鐘。

4.2 過(guò)程分析

表4 B相閥片外觀檢查、絕緣電阻及殘壓試驗(yàn)情況

圖4 落雷區(qū)域查詢情況

圖5 4月16日落雷查詢結(jié)果

第一次雷電流泄入避雷器使得B相閥片處于高電位區(qū)，晶界層完全被沖垮，此時(shí)閥片整體阻值基本由晶粒電阻r決定，而閥片內(nèi)晶粒密度不一，存在一定的集中效應(yīng)，使雷電流主要往閥片中低電阻通道流過(guò)（從黑斑數(shù)量看閥片上有2條低阻通道），產(chǎn)生的大量熱量堆積在低阻通道中。一般自然雷擊的殘壓持續(xù)時(shí)間約為300 μs，殘壓作用期間熱量基本無(wú)法耗散，所以在第二次雷擊來(lái)臨之前，熱量耗散時(shí)間非常有限[15]。雷電流第二次泄入使閥片再次處于高電位區(qū)，原先低阻通道上的熱量來(lái)不及釋放反而堆積更多，于是直接將其融穿，并留下黑斑，產(chǎn)生的大量熱量也將鄰近通道的閥片表面燒出了黑斑，所以出現(xiàn)了3片單面黑斑閥片。閥片被擊穿后絕緣幾乎為0，剩下的閥片因此承受了極高的荷電率并逐漸劣化，泄漏電流持續(xù)增大[16]，在2017年5月11日達(dá)到0.9 mA。如果任由泄漏電流持續(xù)偏大，功率損耗產(chǎn)生的熱量持續(xù)積累，或者再承受一次雷擊，則避雷器將因?yàn)闊岜罎⒍ā?/p>

4.3 沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證4.2小節(jié)分析，A相A18和A30閥片在第一次大電流沖擊試驗(yàn)5 min后緊接著再進(jìn)行一次沖擊，模擬避雷器在短時(shí)間內(nèi)承受2次雷電流的實(shí)際情況。在進(jìn)行第二次沖擊時(shí)，電流升到峰值時(shí)2塊閥片直接炸碎（見(jiàn)圖6），說(shuō)明熱量堆積超過(guò)了閥片承受范圍，破壞了內(nèi)部結(jié)構(gòu)，直接炸碎釋放了能量，驗(yàn)證了相隔很短的2次大電流產(chǎn)生的熱量足以將閥片破壞。雖然現(xiàn)場(chǎng)雷電流比沖擊試驗(yàn)電流小，但在筒體和避雷器內(nèi)散熱條件很差，閥片被融穿也就成為了可能。

圖6 第二次沖擊時(shí)A相閥片直接炸碎

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，該案例為相隔很短的2次雷電流泄入同一只避雷器，造成閥片內(nèi)低阻通道堆積大量熱量以致閥片融穿，最終導(dǎo)致泄漏電流異常增大。分析中對(duì)該組避雷器進(jìn)行了各類帶電檢測(cè)、停電試驗(yàn)。出廠試驗(yàn)表明，泄漏表計(jì)顯示準(zhǔn)確，外表電阻不受外部環(huán)境影響，內(nèi)部未受潮，避雷器也不存在家族性質(zhì)量問(wèn)題。短時(shí)間內(nèi)2次大電流的泄入對(duì)正常避雷器都會(huì)造成嚴(yán)重破壞。由于短時(shí)間內(nèi)2個(gè)雷擊同時(shí)落在一個(gè)避雷器的概率微乎其微，所以這是一起非常特殊的避雷器泄漏電流異常增大事件。在現(xiàn)場(chǎng)中應(yīng)及時(shí)完成雷雨季節(jié)前避雷器阻性電流帶電檢測(cè)，并加強(qiáng)設(shè)備巡視，及時(shí)發(fā)現(xiàn)避雷器異常狀況，減少問(wèn)題避雷器帶病運(yùn)行的可能。

[1]劉安文，許甜田，張少成.帶電檢測(cè)發(fā)現(xiàn)金屬氧化物避雷器阻性電流異常的案例分析[J].浙江電力，2015，34（6）∶13-15.

[2]馬麗軍，賴靖胤，金鑫磊.一起110 kV氧化鋅避雷器運(yùn)行故障的分析及對(duì)策[J].浙江電力，2012，31（5）∶82-84.

[3]楊仲江，陳琳，杜志航，等.氧化鋅壓敏電阻劣化過(guò)程中電容量變化的分析應(yīng)用[J].高電壓技術(shù)，2010，36（9）∶2167-2172.

[4]楊仲江，李強(qiáng)，張棖，等.MOV在交直流電壓下耐受能力的試驗(yàn)研究[J].電瓷避雷器，2013，55（6）∶42-47.

[5]陳化鋼.電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)方法及診斷技術(shù)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2009.

[6]任文娥，于欽學(xué).氧化鋅壓敏陶瓷電阻片的電容對(duì)沖擊破壞機(jī)理影響的研究探討[J].電瓷避雷器，2000，42（1）∶39-41.

[7]陳新崗，李凡，桑建平.氧化鋅壓敏陶瓷伏安特性的微觀解析[J].高電壓技術(shù)，2007，33（4）∶33-37.

[8]姜聿涵，謝維成，李建明.利用避雷器電阻閥片特性分析過(guò)電壓[J].電測(cè)與儀表，2015，52（15）∶62-66.

[9]何金良，屠幼萍.氧化鋅非線性電阻等效計(jì)算模型[J].高壓電器，1998，40（6）∶58-54.

[10]羅茂嘉，錢玨臻，于軍，等.220 kV氧化鋅避雷器泄漏電流異常的原因分析和處理[J].浙江電力，2017，36（2）∶30-33.

[11]高峰，郭潔，徐欣，等.交流金屬氧化物避雷器受潮與阻性電流的關(guān)系[J].高電壓技術(shù)，2009，35（11）∶2629-2633.

[12]范敏，謝佳，姜方財(cái)，等.基于帶電檢測(cè)技術(shù)的金屬氧化物避雷器缺陷分析[J].電瓷避雷器，2017，59（2）∶64-68.

[13]WEN YUANFANG，ZHOU CHENGKE.Experimental studies on the use of MOV in transformer windings inner pro tection[J].IEEE Trans on Power Delivery，2005，20（2）∶1441-1446.

[14]林楚標(biāo)，廖永力，李銳海，等.110 kV整只氧化鋅避雷器雷電沖擊老化特性究[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2015，9（7）∶40-45.

[15]顏旭，陳紹東，江潤(rùn)志，等.自然雷電下氧化鋅避雷器殘壓特征分析[J].中國(guó)電力，2013，46（7）∶72-76.

[16]張紅蓮.一起110 kV GIS內(nèi)置避雷器的故障診斷及原因分析[J].電瓷避雷器，2012，54（3）∶82-85.