李浩良, 潘劍南, 蘇全, 劉子釗
(廣州粵能電力科技開發(fā)有限公司, 廣東 廣州510075)
金屬氧化物避雷器是電力系統(tǒng)中重要的過電壓保護(hù)設(shè)備。 在正常運(yùn)行電壓下, 金屬氧化物電阻閥片呈高電阻狀態(tài), 流過閥片的泄漏電流僅為微安級(jí)。 當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)雷電過電壓或者操作過電壓時(shí), 電阻閥片呈低電阻狀態(tài), 限制過電壓幅值并將過電壓能量向大地釋放, 保護(hù)電力設(shè)備。 在能量釋放后,電阻閥片又自行恢復(fù)到高電阻狀態(tài), 繼續(xù)對(duì)電力系統(tǒng)提供可靠保護(hù)。 金屬氧化物避雷器能否可靠運(yùn)行直接影響電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性[1-3]。
受大氣污染的影響, 自然污穢物和工業(yè)污穢物會(huì)在避雷器絕緣瓷套表面沉積形成污穢層, 在霧汽、 凝露、 下雨等潮濕氣象條件下容易發(fā)生污閃現(xiàn)象, 嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致避雷器絕緣擊穿, 引起接地故障, 造成大面積停電事故。 為了防止污閃事故發(fā)生, 保證避雷器安全運(yùn)行, 必須清潔避雷器外瓷套的污穢。 帶電水沖洗作為防止污閃的有效措施, 是指在設(shè)備不停電的情況下, 通過凈化處理裝置使水的電阻率達(dá)到1×105Ω·cm 以上, 然后利用車載水泵對(duì)水進(jìn)行高壓控制, 再輸入水槍中, 由沖洗人員操作水槍對(duì)設(shè)備瓷瓶污穢進(jìn)行清洗, 以達(dá)到降低設(shè)備瓷瓶鹽密值的目的。
正常情況下, 帶電水沖洗作業(yè)不會(huì)影響密封良好的避雷器正常運(yùn)行, 但受避雷器制造和組裝工藝影響, 避雷器可能留下隱蔽的密封不良隱患, 在特定的條件下(如帶電水沖洗), 可能觸發(fā)避雷器發(fā)生爆炸故障。
本文針對(duì)一起金屬氧化物避雷器在帶電水沖洗后發(fā)生的爆炸故障, 進(jìn)行了避雷器解體和分析, 并針對(duì)性地提出了防范措施, 確保避雷器安全穩(wěn)定運(yùn)行。
220 kV LZ 變電站內(nèi)設(shè)備使用四槍組合沖洗法進(jìn)行帶電水沖洗作業(yè), 即兩槍為主, 兩槍為輔, 分別在瓷套四側(cè)由下往上沖洗的方法。 四槍以90°站位進(jìn)行沖洗, 180°站位的兩主槍將污穢沖起, 另兩輔槍緊跟在主槍下部將污穢及時(shí)沖走, 避免形成污水連線[4]。 在2 號(hào)主變變高避雷器完成水沖洗3 min后, C 相避雷器發(fā)生爆炸故障, 2 號(hào)主變跳閘。
爆炸發(fā)生后, 對(duì)C 相避雷器進(jìn)行外觀檢查的情況如下:
1) 避雷器上下兩節(jié)瓷套傘裙邊緣有一條被高溫氣流燒灼的痕跡。
2) 避雷器與放電計(jì)數(shù)器的連接導(dǎo)線燒灼斷裂。
3) 避雷器下節(jié)頂部及上節(jié)頂部壓力釋放裝置都已動(dòng)作, 壓力釋放噴口擋板都已噴開散落在地面。
4) 避雷器頂端蓋板被內(nèi)部強(qiáng)大的氣流沖開,形成一個(gè)裂口, 頂端蓋板上一顆均壓環(huán)的緊固螺栓脫落, 如圖1 所示。
圖1 爆炸避雷器高壓端
2 號(hào)主變變高避雷器是220 kV 無間隙金屬氧化物避雷器, 于2003 年9 月投運(yùn), 運(yùn)行時(shí)間為16年4 個(gè)月, 其基本技術(shù)參數(shù)見表1。
表1 避雷器參數(shù)
爆炸故障發(fā)生前, C 相避雷器剛剛進(jìn)行了帶電水沖洗作業(yè), 并且在220 kV 的電網(wǎng)運(yùn)行, 分析其爆炸的原因可能有: 操作過電壓; 雷電過電壓; 瓷套表面污閃放電; 電阻閥片故障[5-7]。
避雷器爆炸發(fā)生前, 變電站內(nèi)220 kV 和110 kV電力系統(tǒng)沒有進(jìn)行任何操作, 故障錄波也沒有顯示存在操作過電壓, 排除操作過電壓的原因。
避雷器爆炸當(dāng)天該地區(qū)天氣晴朗, 雷電定位系統(tǒng)沒有記錄到雷電活動(dòng), 該變電站和相連的變電站以及線路上空不存在雷擊的情況, 因此排除雷電過電壓的原因。
避雷器瓷套表面的污穢物在潮濕條件下會(huì)發(fā)生污閃放電, 嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致避雷器爆炸。 C 相避雷器完成帶電水沖洗作業(yè)后, 瓷套表面光潔明亮, 無殘留污跡、 污垢, 也沒有出現(xiàn)污水滴落、 局部起弧現(xiàn)象, 可排除瓷套表面污閃放電的原因。
近年2 號(hào)主變變高避雷器組運(yùn)行電壓下的交流泄漏電流試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2, 三相避雷器的全電流及阻性電流逐年變化不大, 阻性電流沒有顯著增加,且相間電流平衡, 符合標(biāo)準(zhǔn)要求。 三相避雷器運(yùn)行狀態(tài)下的紅外熱成像圖譜顯示避雷器各部位溫度正常, 沒有局部過熱點(diǎn)[8-11]。 另外, 近一年來該組避雷器并未發(fā)生動(dòng)作。
表2 避雷器運(yùn)行電壓下的交流泄漏電流試驗(yàn)結(jié)果 mA
為了驗(yàn)證帶電水沖洗是否對(duì)其他避雷器的電氣性能造成影響, 對(duì)2 號(hào)主變變高A 相避雷器上下節(jié)分別進(jìn)行直流1 mA 參考電壓(U1mA) 及0.75 U1mA下的泄漏電流試驗(yàn), 試驗(yàn)結(jié)果見表3。 由表3可知, A 相避雷器直流1mA 參考電壓及泄漏電流均在規(guī)定范圍內(nèi), 試驗(yàn)結(jié)果合格[12-14]。 試驗(yàn)結(jié)果表明, A 相避雷器電氣性能良好, 現(xiàn)場(chǎng)的帶電水沖洗作業(yè)沒有對(duì)密封性能良好的避雷器造成影響。
表3 A 相避雷器直流參考電壓及泄漏電流試驗(yàn)結(jié)果
上述運(yùn)維情況及A 相避雷器試驗(yàn)結(jié)果表明,該組避雷器日常運(yùn)行的電氣性能正常。 初步分析避雷器發(fā)生爆炸的原因是金屬氧化物電阻閥片故障,并且具有突發(fā)性。 為了進(jìn)一步查明C 相避雷器爆炸原因, 對(duì)避雷器進(jìn)行解體, 檢查內(nèi)部各元件狀況。
為了解該型號(hào)避雷器壓力釋放裝置的結(jié)構(gòu), 與爆炸避雷器設(shè)置對(duì)照組, 首先對(duì)電氣性能良好的A相避雷器上節(jié)頂部防爆閥進(jìn)行解體。 壓力釋放裝置結(jié)構(gòu)主要由4 個(gè)部分組成, 從上到下依次是鋼壓環(huán)、 環(huán)氧玻璃纖維防爆膜、 金屬導(dǎo)電板和密封膠圈, 如圖2 所示。 從解體情況可知, 完好的導(dǎo)電板表面平整光滑; 密封膠圈壓緊, 沒有變形、 裂紋等缺陷。 拆出其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查, 金屬氧化物電阻閥片柱表面及瓷套內(nèi)表面都干燥, 無進(jìn)水或者受潮跡象[15-17]。
圖2 A 相避雷器上節(jié)頂部壓力釋放裝置
對(duì)C 相避雷器上節(jié)頂部壓力釋放裝置進(jìn)行解體, 情況如下: 1) 導(dǎo)電板中間被氣流沖破形成大孔, 導(dǎo)電板剩余部分平整光滑。 2) 密封膠圈各圓周位置壓緊, 沒有明顯松動(dòng)、 拱起、 壓接不到位的情況。 膠圈具有較好彈性, 無變形、 裂紋或者褶皺等缺陷。
再對(duì)C 相避雷器下節(jié)頂部壓力釋放裝置進(jìn)行解體, 情況如下: 1) 導(dǎo)電板中間被氣流沖破形成大孔, 而且金屬導(dǎo)電板表面不平整, 有一處貫通了整個(gè)密封面的褶皺, 如圖3 所示。 2) 密封膠圈在壓環(huán)的開口位置沒有壓緊, 有松動(dòng)和拱起的情況。膠圈表面有一道貫通痕跡, 在貫通痕跡上有一處凹陷變形, 如圖4 所示。 3) 在貫通痕跡旁邊發(fā)現(xiàn)了水的侵入痕跡, 呈灰白色片狀和線狀分布。
圖3 導(dǎo)電板褶皺
圖4 密封膠圈的凹陷變形
對(duì)比三個(gè)解體的壓力釋放裝置, 只有C 相避雷器下節(jié)頂部壓力釋放裝置的導(dǎo)電板存在褶皺缺陷, 并且密封膠圈有凹陷變形。 這是因?yàn)楸芾灼鞯拿芊饽z圈在壓環(huán)的開口位置沒有壓緊, 膠圈受力不均勻, 導(dǎo)致緊壓在密封膠圈上面的金屬導(dǎo)電板被擠壓拱起褶皺, 褶皺擠壓密封膠圈形成凹陷變形。 由于導(dǎo)電板位于防爆膜和密封膠圈之間, 防爆膜與導(dǎo)電板的密封界面、 導(dǎo)電板與密封膠圈的密封界面在褶皺位置就會(huì)形成間隙, 造成密封不良隱患。 該隱患是造成220 kV 2 號(hào)主變變高C 相避雷器爆炸的根本原因。
從運(yùn)維情況來看, 該隱患不影響正常運(yùn)行條件下避雷器的密封性能。 因?yàn)樵谌粘_\(yùn)行中尤其是陰雨天氣, 水汽不能進(jìn)入或者只有少量汽水進(jìn)入壓力釋放裝置的密封界面, 少量水汽并不能突破該處密封, 避雷器內(nèi)部密封性能不受影響。 在帶電水沖洗時(shí), 水的沖擊力、 沖洗角度、 水量與陰雨天氣不同, 條件更為極端, 部分水汽就從間隙突破防爆膜與導(dǎo)電板的密封界面、 導(dǎo)電板與密封膠圈的密封界面, 并最終滲入避雷器內(nèi)部。
水汽使電阻閥片受潮, 電阻閥片的交流泄漏電流中的阻性電流就會(huì)增大, 有功損耗也增大, 電阻閥片溫度急劇上升, 進(jìn)入惡性循環(huán), 最終下節(jié)避雷器電阻閥片熱崩潰。 避雷器通過放電計(jì)數(shù)器形成對(duì)地放電通道, 故障電流燒斷放電計(jì)數(shù)器的連接導(dǎo)線。 在熱崩潰的同時(shí), 避雷器內(nèi)部氣體受熱迅速膨脹, 沖破防爆膜, 沖開噴口擋板, 高溫高壓氣流噴出后燒灼瓷套傘裙。
下節(jié)避雷器對(duì)地形成貫穿通道后, 上節(jié)避雷器承受了運(yùn)行全電壓。 金屬氧化物電阻閥片的非線性迅速減小, 交流泄漏電流中的阻性電流增大, 最終上節(jié)避雷器電阻閥片也發(fā)生熱崩潰。 避雷器內(nèi)部高溫高壓氣體相繼沖開防爆膜、 噴口擋板和頂端蓋板, 均壓環(huán)的緊固螺栓受強(qiáng)大的沖擊力影響而脫落。
1) 生產(chǎn)廠家應(yīng)加強(qiáng)避雷器組裝過程的質(zhì)量管控, 避免避雷器在生產(chǎn)組裝過程中留下密封不良隱患。 運(yùn)行單位有必要時(shí)應(yīng)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行抽檢, 避免留下密封不良的隱患[18-20]。
2) 生產(chǎn)廠家應(yīng)完善該型號(hào)避雷器壓力釋放裝置的設(shè)計(jì)。 例如在防爆膜表面涂刷導(dǎo)電材料代替容易產(chǎn)生褶皺的金屬導(dǎo)電板; 將開口壓環(huán)更換為閉合圓形壓環(huán), 保證密封膠圈在各個(gè)圓周位置受力均勻、 壓緊。
3) 對(duì)避雷器進(jìn)行帶電水沖洗時(shí), 主要針對(duì)瓷柱表面進(jìn)行, 應(yīng)避免水柱直接沖洗避雷器法蘭位置, 尤其是壓力釋放裝置。 對(duì)于運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的老舊型號(hào)避雷器, 更加需要注意沖洗方式。
4) 按規(guī)范要求對(duì)避雷器進(jìn)行帶電測(cè)試、 紅外熱成像檢測(cè)及停電試驗(yàn), 確保避雷器的性能滿足安全穩(wěn)定運(yùn)行要求。
造成220 kV 2 號(hào)主變變高C 相避雷器爆炸故障的根本原因是下節(jié)避雷器頂部壓力釋放裝置存在密封不良隱患, 觸發(fā)條件是極端的外部條件, 例如帶電水沖洗。 采用閉合圓形壓環(huán)的設(shè)計(jì)和使用導(dǎo)電材料代替金屬導(dǎo)電板等改進(jìn)措施, 可以有效地防止此類爆炸故障發(fā)生。