110 kV复合外套金属氧化锌避雷器爆炸故障分析

司文荣，王逊峰，莫颖涛，王昭夏，沈东明，张锦秀

（1.国网上海电科院，上海200437；2.国网上海嘉定供电公司，上海201800；3.国网上海市北供电公司，上海200072；4.国网上海金山供电公司，上海200540；5.国网上海市公司，上海200122）

0 引言

具有密封好、轻便、耐污和防爆性能强的110kV复合外套金属氧化锌避雷器（MOA）[1]，以其优异的电气性能逐渐取代了其它类型的MOA，在电网建设中得到了广泛使用。MOA在运行中长期直接承受电网运行电压、工频过电压、各种操作过电压以及外部过电压（大气过电压），由于自身或外部因素，均有可能导致MOA发生故障[2-3]，主要因素有：

1）内部受潮[4-6]。密封圈老化、电阻片烘干不彻底、绝缘件受潮、装配过程中潮气进入等都会造成MOA内部由于水分的存在引发故障。据统计，MOA故障原因中内部受潮占比可达60%。特别是密封失效，在外部环境冷热循环的变化下，内部空气膨胀或者收缩形成呼吸，潮气侵入MOA内部，进而引发高电压作用下的放电故障导致设备本体爆炸或烧毁。

2）内部放电[7-8]。①组装过程中工艺质量如果控制不良，硅胶液体封装、绝缘件缠绕或浇注等内部存在气泡、杂质或水分，运行电压下电场分布不均会产生局部放电现象，从而破坏内绝缘，并逐步扩大形成贯穿性放电通道，致使MOA在短路电流作用下发生爆炸或烧毁。②多个氧化锌（ZnO）电阻片串联常使用绝缘筒、绝缘棒或绝缘拉杆等绝缘件固定电阻片组，用于避免电阻片错位，若绝缘件老化、本体缺陷或设计不合理，则容易造成沿电阻片组与绝缘件间隙间的沿面放电，同样会逐步扩大形成贯穿性沿面闪络，致使MOA在短路电流作用下发生爆炸或烧毁。

3）电阻片老化[9-11]。MOA长期运行于高电压作用下，由于电阻片的个体差异，其老化程度也不尽相同，使得电阻片电位分布不均匀，造成MOA泄漏电流和功率损耗的增加。以下几种工况会加速MOA电阻片的老化：①参数选择不合理，MOA持续运行电压偏低，使电阻片一直运行在高荷电率的状态下；②中性点不接地系统，发生单相接地故障，健全相电压随之升高，加重MOA的负担；③大气过电压、系统过电压、谐波也是影响电阻片寿命的重要因素。由于目前采用的MOA大多不带间隙，这样电阻片长期承受工频电压，运行期间总有电流流过电阻片，另外再加上局部放电、内部受潮等因素的作用，加剧MOA电阻片老化，阻性泄漏电流增加，导致MOA电阻片温度升高直至发生热崩馈，从而引发电网事故。

4）外绝缘等问题[12-14]。MOA外绝缘问题与其他高压设备外绝缘问题相似，在污秽、局部缺陷、外伤等因素影响下，会出现外绝缘闪络等现象。MOA在运输过程中受过大的冲击振动使内部相关元件受损或电阻片错位等引发相关故障。此外，MOA若安装不当或其他原因引起应力过大，会导致MOA的倾倒、基座开裂、断裂等问题。

笔者对一起首次发生在上海电网电缆出线的110 kV复合外套MOA爆炸故障进行诊断分析，通对该型号MOA进行外观检查、电气试验和解体拆卸，结合故障时刻天气、电网运行工况等因素，确定该MOA是自身制造缺陷存在内部放电，最终发展形成贯穿性绝缘击穿致使MOA在短路接地电流作用下发生爆炸故障。最后，根据目前现行规程和技术手段，提出结合定期巡视、带电检测和停电例行试验，对MOA运行状态进行把控，尽量避免故障的发生。

1 故障概况

2016年8月4日3点08分110 kV联发站110 kV出线联牵1S009线零流I段、过流I段保护动作，开关跳闸，重合不成功。通过SCADA系统查询电压电流情况如下：故障前电流为13.61 A，电压为113.48 kV。110 kV联发站部分电气接线、故障录波以及故障现场如下图1至图3所示。

图1 联发站部分电气接线图Fig.1 Partial electrical wiring diagram of Lianfa substation

图2 联发站110 kV出线联牵1S009线故障录波图Fig.2 Fault recording of the 110 kV line Lianqian 1S009 of Lianfa substation

经勘查发现联牵1S009线A相MOA爆炸，从而引发跳闸事故，安排抢修更换三相MOA后，送电正常。该MOA出厂日期为2011年11月，投运于2012年6月25日，运行至今约4年，编号为300。型号为YH10W-108/281，额定电压108 kV，持续运行电压84 kV，标称放电电流10 kA，直流1 mA参考电压≥148 kV，雷电冲击电流残压≤266 kV，2 mS方波冲击耐受电流600 A。运维单位按上级单位要求，将故障MOA及另2相非故障MOA一起送往电科院设备状态评价中心开展故障原因分析。

图3 110 kV联牵1S009线故障现场Fig 3 The fault onsite of the 110 kV line Lianqian 1S009

2 诊断分析

2.1 故障相观察

图4对该故障MOA不同部位进行了观察和照片拍摄，该MOA已爆炸成两节和多个碎块（图4（a）至图（b）），硅橡胶伞裙外套和环氧玻璃纤维缠绕布在大电流致使电阻片爆炸产生的冲击下断裂并部分烧毁，所有电阻片均受力发生破裂或存在裂纹，即无完整的穿心式ZnO电阻片（图4（c）至图（e））。与图5所示结构剖面图进行对比可得出：该复合外套MOA采用环氧玻璃纤维缠绕布和环氧玻璃纤维引拔棒，将穿心式ZnO电阻片定位于上下金具电极间，构成一完整无空腔环氧玻璃纤维缠绕芯体；并在其外采用注射成型工艺制成一体化硫化成型硅橡胶伞裙外套。即它将带有ZnO电阻片的环氧玻璃纤维缠绕芯体用硅橡胶伞裙外套整体包裹成一密封整体，用于杜绝外部潮气的侵入。并在环氧玻璃纤维缠绕芯体外表面涂有偶离剂，保证环氧玻璃纤维缠绕芯体与硅橡胶伞裙外套间粘结牢靠，用于防止介面存在气泡或微小缝隙。

从图2上可看出：A相电压不到5 ms内跌落到0 V，电流也随之上升，此时避雷器内部绝缘已形成贯穿性击穿通道致使A相短路接地，在保护动作范围时间内短路接地电流稳定燃烧约2个工频周期后，发生爆炸，故障录波图上电流波形成非正弦不规则状。依据图4所示故障避雷器照片，该故障避雷器从约3/4处发生爆炸至底部约1/8处，避雷器上部金具和底部金具联接处均完好（见图4（b）、图（f）），推断该避雷器金具联接部分密封良好，无潮气进入可排除由避雷器上部金具和底部金具联接处潮气进入引发高电压作用下的放电故障导致设备本体爆炸，但不能排除避雷器整体密封完好，也可能是中间部分出现密封问题（工艺缺陷）。而根据爆炸部位以及图4（a）所示环氧玻璃纤维缠绕布和环氧玻璃纤维引拔棒的烧毁情况，可初步推断为该MOA是自身制造缺陷存在内部放电，最终发展形成贯穿性绝缘击穿致使MOA在短路接地电流作用下发生爆炸故障。此外，从图4（c）和图4（e）可以看出，电阻片是从中间击穿的，也可能是个别电阻片质量缺陷或通流容量不够，劣化，逐步发展贯穿性击穿。

图4 故障避雷器多个部位观察Fig.4 Inspection of multiple parts of the fault MOA

图5 故障避雷器剖面结构示意图Fig.5 Diagrammatic cross-section of the fault MOA

2.2 正常相电气试验

将图6所示送至电科院设备状态评价中心的另两相非故障、同厂家和安装批次的MOA（编号为301和302）在高压大厅内进行了直流1 mA参考电压、0.75倍直流1 mA参考电压下泄漏电流、持续运行电压下泄漏全电流和阻性电流、交流参考电压诊断试验。

图6 B、C相非故障避雷器Fig 6 B and C phases non fault MOAs

现场试验图如下图7所示，1 mA直流参考电压U1mA和75%U1mA下泄漏电流试验用仪器为ZGS系列智能型直流高压试验器（见图7（a）和图（c）），运行电压下电流、交流参考电压试验用仪器为RCM2500型MOA阻性电流测试仪（见图7（b）和图（d））。试验结果如表1所示，Ix为泄漏全电流有效值，Ixp为泄漏全电流峰值，Irp为泄漏阻性电流峰值。根据GB 11032-2000《交流无间隙金属氧化物避雷器》国家标准中表6典型的电站和配电用避雷器参数，避雷器额定电压（有效值）108 kV、持续运行电压（有效值）84 kV的参数要求：直流1 mA参考电压≥157 kV、0.75倍直流1mA参考电压下泄漏电流≤50 μA、持续运行电压下泄漏全电流和阻性电流应不超过规定值（该值由制造厂规定和提供）、工频参考电压（在制造厂选定的参考电流下由制造厂测量），表1所示的试验结果表明标另两相编号为301和302非故障、同厂家和安装批次的MOA试验参数都符合相关要求。

此外，进行交流和直流电参考压在1 mA工况的换算如下：编号301，1 mA交流参考电压116.8kV*1.414=165.1kV（1mA直流参考电压试验值为165kV）；编号302，1 mA交流参考电压115.4 kV*1.414=163.8 kV（1 mA直流参考电压试验值为164 kV）。即阻性电流1mA直流参考电压值为交流参考电压值的倍。

图7 避雷器直流/交流诊断电气试验Fig.7 Diagnosis electrical tests for MOA under DC/AC

2.3 正常相解体

图8对编号301的非故障避雷器进行了简单解体，对避雷器本体上下电极连接的金具和底座进行了拆卸，结果表明该两个部分密封完好、干燥，无潮气进入的迹象；对本体外绝缘进行了材料剥离，实施切割时非常困难，仅查看了随机选定部分，结果表明该环氧玻璃纤维缠绕芯体与硅橡胶伞裙外套间粘结非常牢靠、无缝隙。

2.4 其他因素考虑

根据气象部门资料，MOA爆炸故障发生时上海地区天气为晴天，因而该变电站和相连的变电站以及该线路上空不存在雷击的情况。基于上海电网雷电定位系统查询（见图9），设置条件：时间浮动3 600 s（前后1小时）、距离浮动500 m（线路走廊宽度半径500 m），系统没有查询到落雷点。图9中黄色园点所示为2016年度至该MOA爆炸当天联牵1S009线附近的落雷点分布情况，表明该MOA在运行过程中可能承受过一定次数的大气过电压，但由于没有安装计数器，无法统计数次。

此外，根据图2所示故障录波图，可以判定爆炸前系统没有进行操作，处于无操作的平静状态，因此爆炸初因也不是由操作过电压引发，而仅是在运行电压下的绝缘击穿。

表1 编号301和302避雷器电气诊断性试验结果Table 1 Diagnosis electrical test results of MOA 301 and 302

图8 301号非故障避雷器拆卸Fig.8 Disassembly of the 301 non fault MOA

3 结论与探讨

根据投运时间至今仅4年，在排除外绝缘、大气过电压和操作过电压等因素，结合故障相避雷器外检查、正常相电气试验和解体拆卸结果，可判定：根据爆炸部位以及环氧玻璃纤维缠绕布和环氧玻璃纤维引拔棒的烧毁情况，该MOA是自身制造缺陷存在内部放电，最终发展形成贯穿性绝缘击穿致使MOA在短路接地电流作用下发生爆炸故障。即爆炸故障由内部放电发展引起。而内部放电逐步引发的贯穿性绝缘击穿，可能是该避雷器成型过程中工艺质量控制不良，环氧玻璃纤维缠绕电阻片柱时或硅橡胶伞裙外套浇注时内部存在气泡、杂质或水分，运行电压下电场分布不均生产局部放电现象，逐步扩大并绝缘击穿形成贯穿性放电通道，致使MOA在短路接地电流下发生爆炸故障；也有可能该是MOA使用的环氧玻璃纤维引拔棒有制造缺陷，运行电压下与穿心电阻片组内表面发生沿面放电，最终发展成沿环氧玻璃纤维引拔棒及电阻片组内表面的贯穿性沿面闪络。此外，也可能是个别电阻片质量缺陷或通流容量不够，劣化，逐步发展贯穿性击穿。

图9 故障避雷器线路走廊落雷情况Fig.9 Lightning distribution of the line corridor with the fault MOA

目前，上海电网运行中的110kV复合外套MOA另一种结构如图10所示[15-17]，主要由硅橡胶复合外套、绝缘筒和电阻片组成，将电阻片组串联叠加封装于绝缘筒内，采用一次压制工艺将其密封于硅橡胶体内，形成完整的MOA。两种结构的主要区别在于故障避雷器是用环氧玻璃纤维引拔棒固定穿心式电阻片，再由环氧玻璃纤维缠绕布包裹成芯体，而图10所示仅用绝缘筒封装放置非穿心式电阻片形成芯体。

图10 非穿心式典型复合外套金属氧化物避雷器结构Fig.10 Non cross-core typical polymer-housed MOA structure

这两种结构110 kV复合外套MOA可归纳为：复合外套、电阻片固定部件和电阻片这三个主要部分。而每个部分的工艺和质量都将对MOA质量及寿命造成影响。MOA的复合外套一般由硫化硅橡胶材料一次成型，制作过程采用了芯体与硅橡胶的粘结工艺。根据目前上海电网运行实际经验表明，无外套电性能和老化性能降低的情况或问题发生。电阻片固定部件即芯体，其密封性能决定了MOA是否会受潮，两种结构都采用密封结构阻止水分进入，但在生产过程中如果工艺质量控制不良，使得内部存在气泡、杂质或水分，进而影响整个MOA的质量。此外，电阻片制作对生产环境、原料选用和工艺等均有较高的要求，很多MOA厂家采用外包方式采购电阻片，如果选用的电阻片老化特性不良或均一性较差，均会引发运行电位分布不均导致局部发热等故障，影响MOA使用寿命。

总之，文中所示110 kV复合外套MOA爆炸故障事件在上海电网为首次发生，该型号由于其特殊结构在今后运维检修中应重点关注，也需引起各运维单位的注意。

4 建议

为了避免MOA发生故障：一方面应加强设备选型和订货的监督，在物资采购阶段严格把控；另一方面加强运行维护，MOA发生故障需要一个发展过程，特别是运行多年的MOA，应加强运行监控[17]，可采取的手段主要有：

1）定期巡视。将MOA计数器的泄漏电流数据进行记录，绘制曲线进行每月分析。对泄漏电流突然增大应召开专题讨论，根据结论开展带电测试或停电试验。注：110 kV及以上电缆出线MOA无计数器和泄漏电流监测仪的应申请技术改造。

2）带电检测。开展红外测温工作[18]，对MOA进行红外诊断。当发现热像异常或相间温差超过规定值，应采用其他试验手段确定缺陷性质及处理意见。每年雷雨季节前，应加强MOA的阻性电流带电测试[19]，当带电测试阻性电流超过初始值的1.5倍时，应缩短检测周期，并进行红外检测诊断；当阻性电流超过初始值2倍时，应立即停电检查。有条件的可引入脉冲电流局部放电检测[20]，以便及时了解MOA的受潮或内部放电发展情况，当有明显局部放电信号且有数值增大趋势，则同样需立即停电检查。

3）电气试验。结合停电周期，按照规程对MOA开展直流1mA参考电压、0.75倍直流1mA参考电压下泄漏电流、持续运行电压下泄漏全电流和阻性电流、工频参考电压等电气试验，注意试验结果的对比和分析。

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