一起避雷器泄漏电流异常增大特殊案例分析

余 喆，蓝道林，董树礼，汪桢毅，王祝露

（国网浙江省电力有限公司衢州供电公司，浙江 衢州 324000）

0 引言

MOA（氧化锌避雷器）因具有非线性特性好、通流容量大和无间隙无续流等特点，被广泛应用于电力系统作为过电压保护的重要电气设备。为了判断避雷器运行情况，一般通过观察运行时泄漏电流值，或获取带电检测的阻性电流值[1-2]。但阻性电流一般只占到泄漏电流的10%~20%，所以反应到泄漏电流值时不一定能观察出来。分析泄漏电流异常偏大时，应排除泄漏表计显示的问题，某些高电压等级带有并联电容的避雷器还可能是内部容性电流发生变化[3-4]，所以对避雷器泄漏电流异常增大的情况应根据现场情况进行分析。

1 MOA结构及特性

MOA的基本结构是阀片。阀片主要成分是氧化锌，占阀片总质量的95%，并掺杂少量的Bi2O3，Co2O3，MnO2及Sb2O3等金属氧化物添加剂[5]。氧化锌含量决定了避雷器的阻值r，少量的金属氧化物添加剂则决定了避雷器的电容量C[6]。在显微镜下观察可发现阀片由氧化锌晶粒和包围晶粒的氧化物添加剂组成，而这层氧化物就是晶界层，它的表面会产生位垒，使阀片具有半导体性质，为可变电阻R，并决定了阀片的非线性特性。所以阀片可近似认为由晶界层可变的电阻R与其等效电容C并联后再与晶粒的电阻r串联而成的结构[7]，如图1所示。

图1 阀片等效结构

阀片处于低电位时呈绝缘状态，晶粒间的晶界层形成位垒，阻挡了自由电子的移动；随着电场强度的增大，位垒受到电子的冲击逐渐被突破并形成“隧道效应”，泄漏电流开始迅速增大；当电场强度足够大时，晶界层的位垒将被全部攻破，此时晶界层的电阻率骤降[8-9]。而一旦场强下降至动作电压以下，位垒将很快恢复原位堵住晶界层缺口，阀片绝缘迅速恢复。

2 泄漏电流异常增大的可能性

2.1 常规分析

在排除了表计显示问题后，根据MOA的结构及非线性特性，一般认为出现泄漏电流异常增大时与R表面，R，C有关，而晶粒r值是不变的。

（1）R表面为外表电阻，它跟外界环境相关，受到表面污秽和环境湿度的影响等会变小，表面泄漏电流相应增大。该泄漏电流不影响内部运行，但会造成巡视误判断[10]。

（2）阀片内部受潮时，高介电系数的水分子进入晶界层将增大电容量C，容抗减小，泄漏电流也随之变大。但该变化是可逆的，如果经日晒或者风干潮气散去后，晶界层将恢复其原来的结构[11-12]。

（3）晶界层电阻R则跟阀片劣化相关。当阀片存在家族性制造缺陷或者老化时，晶界层变薄变窄，R也就变小。若阀片制造过程中出现烧制时间不够、烧结温度偏低或者配方不合理等情况，将导致氧化锌晶粒未能有效被添加剂充分填充包裹，也将使晶界层未能有效形成或强度不够[13]；同时，避雷器在长期的高电压作用下其内部结构发生老化，阀片性能下降，晶界层会变薄变窄，泄漏电流也相应会增大[14]。

2.2 特殊状况

以下这起避雷器泄漏电流异常增大的事件非常特殊。投运3年的避雷器遭2次雷击便出现了泄漏电流异常增大的情况，且该避雷器封装在GIS筒体内不受环境影响，也不存在内部受潮、家族型制造缺陷和老化等影响，无法通过常规分析进行合理解释。下面对这个案例展开详细分析。

3 案例分析

2017年4月26日，在某110 kV GIS变电站内运行人员巡视时发现GIS筒体内某110 kV线路避雷器B相泄漏电流增加明显，由前一次巡视（2017年4月12日）时的0.59 mA增加至0.69 mA，同时放电计数变为7次，A相、B相为5次（2017年4月12日巡视时三相均为5次），说明在这期间该相避雷器经受了2次雷击。2017年5月10日跟踪巡视时发现B相避雷器泄漏电流已经增长至0.9 mA，超过1.4倍告警值0.84 mA，而同一个筒体内的A相、C相避雷器电流则稳定在0.6 mA左右。该组避雷器为2014年1月产品，2014年6月投产，才运行3年。

3.1 阻性电流及全电流带电检测

为了验证泄漏电流真实性，排除泄漏表计显示问题，2017年5月11日上午，电气试验人员对该组避雷器进行了阻性电流及全电流带电检测，并对比了该组避雷器近几年带电测试结果，如表1所示。

通过带电测试发现，B相避雷器前几年数据很稳定，2017年全电流则异常增大，数值为0.861 mA，与表计显示数值0.9 mA很接近，说明表计本身没有问题。阻性电流激增为315 μA，几乎是A相、C相的6倍，比2016年增长了1倍，角度也明显偏小，只有68.91°。根据国网公司最新发布的《国家电网公司变电检测管理规定（试行）》要求，运行中的避雷器阻性电流初值差不超过50%，且全电流初值差不超过20%，而B相避雷器的2项初值差均已远超规程要求。

3.2 表面脏污和内部受潮可能性排查

由于该组3只避雷器封装在同一GIS筒体内，不受外界脏污和环境影响，所以可断定该异常增大泄漏电流并非来自表面泄漏电流。现场对该气室进行了SF6湿度测试，测试时天气晴，环境温度25℃，湿度60%，结果见表2。测量结果表明避雷器气室湿度并无异常，排除了里面存在受潮引起避雷器阀片劣化导致泄漏电流异常的可能。

3.3 家族性缺陷可能性排查

为了排查该组避雷器是否存在家族性质量问题，衢州供电公司变电运检室技术人员对该气室进行了停电解体，并同浙江省电科院高压绝缘专家一起前往杭州永德避雷器厂对该组避雷器进行了相关出厂试验。

（1）直流1 mA下电压及0.75U1mA泄漏电流试验。对该组避雷器进行整体外观检查、绝缘及直流1 mA试验，结果见表3。

表1 阻性电流及全电流测试数据

表2 避雷器气室SF6湿度测试结果

表3 直流1 mA试验情况

由表3可知，B相避雷器直流1 mA动作电压明显低于A相、C相，且符合铭牌标示低于148 kV的要求，0.75U1mA泄漏电流为72 μA，超过五通中要求值50 μA，说明阀片劣化明显。

（2）避雷器解体检查、绝缘及残压试验。为了进行对比分析，对A相、B相避雷器进行了解体，从上至下对阀片进行一一编号，其中A相避雷器有阀片35片，B相34片。对每块阀片进行观察以及绝缘、标称电流下残压试验，结果发现A相阀片外表无异常，绝缘电阻均大于2 000 MΩ，残压基本稳定在7.9 kV左右，而B相有11片阀片存在黑斑，绝缘电阻和残压普遍偏低，结果见表4。

仔细观察B相避雷器11片阀片黑斑位置发现呈对称和连续性：相邻阀片的黑斑位置重叠，双面黑斑阀片连续出现，单面的黑斑则在双面黑斑的上下收尾，黑斑贯穿首尾形成3条两孔的通道，见图2。

图2 对称状黑斑及整体位置示意

绝缘和残压试验显示有黑斑的阀片绝缘已经很低，残压试验时多数炸裂，双面黑斑的阀片绝缘基本为0，根据其对称和连续性可以判定黑斑为阀片融穿的痕迹。剩下外表正常的阀片绝缘及残压值也普遍偏低。

（3）2 ms方波600 A通流试验。根据厂家出厂要求，为验证阀片的通流性能，抽取1%的阀片进行2 ms方波通流试验。本次试验从A相中随意抽取4片，B相则从之前试验数据相对较好的阀片中选取2片。最后选定试验阀片为A3，A11，A18，A30，B3，B20。 试验后 A 相阀片与B20号阀片未发现明显异常，B3号阀片出现了细小的黑斑和裂纹，如图3所示圆圈处。

图3 试验后阀片出现了细小黑斑和裂纹

（4）4/10 μs 100 kA 大电流冲击试验。 根据厂家出厂要求，还应对抽取的阀片进行大电流冲击试验，以验证其耐受大电流冲击能力。试验时将2片叠加进行，A3和A11一组，A18和A30一组，B相阀片更换成B1和B2。试验结束后A相4片阀片均无异常，B1和B2冲击时直接炸碎。

3.4 解体和试验小结

从解体试验情况来看，B相避雷器部分阀片直接被击穿，并在表面留下了对称和连续性的黑斑，将黑斑位置相连可形成3条通道；其他阀片由于承受电压变高，性能变差，也出现了不同程度的劣化，已不能满足各项出厂试验要求。A相避雷器所有阀片均满足试验要求，数据合格，产品无质量问题。结合2只避雷器试验数据可以判断B相避雷器缺陷应为个体性问题。

4 原因分析

综合各项试验数据、解体状况和现场环境信息可初步判断，B相避雷器遭受2次雷击后部分阀片被击穿导致泄漏电流增大，其他阀片因此承受了更高的电压，持续运行下出现不同程度的劣化，使得泄漏电流持续增大。以下对故障原因进行深入分析。

4.1 落雷查询

通过浙江电网雷电监测系统查询到，2017年4月12—26日（泄漏电流异常增大时间段）变电站所在区域一共有43个雷击发生，其中41个雷击出现在2017年4月16日，平均电流值达到了30 kA，则可以基本判定避雷器遭受的2次雷击出现在2017年4月16日，查询结果见图4。

继续查找2017年4月16日当天落雷情况，发现雷击发生非常密集，集中在12∶19—12∶39这20 min内，且1 min内会出现多次雷击，见图5。可以判断B相避雷器所遭的2次雷击相隔时间非常短，极有可能就相隔了几分钟。

4.2 过程分析

表4 B相阀片外观检查、绝缘电阻及残压试验情况

图4 落雷区域查询情况

图5 4月16日落雷查询结果

第一次雷电流泄入避雷器使得B相阀片处于高电位区，晶界层完全被冲垮，此时阀片整体阻值基本由晶粒电阻r决定，而阀片内晶粒密度不一，存在一定的集中效应，使雷电流主要往阀片中低电阻通道流过（从黑斑数量看阀片上有2条低阻通道），产生的大量热量堆积在低阻通道中。一般自然雷击的残压持续时间约为300 μs，残压作用期间热量基本无法耗散，所以在第二次雷击来临之前，热量耗散时间非常有限[15]。雷电流第二次泄入使阀片再次处于高电位区，原先低阻通道上的热量来不及释放反而堆积更多，于是直接将其融穿，并留下黑斑，产生的大量热量也将邻近通道的阀片表面烧出了黑斑，所以出现了3片单面黑斑阀片。阀片被击穿后绝缘几乎为0，剩下的阀片因此承受了极高的荷电率并逐渐劣化，泄漏电流持续增大[16]，在2017年5月11日达到0.9 mA。如果任由泄漏电流持续偏大，功率损耗产生的热量持续积累，或者再承受一次雷击，则避雷器将因为热崩溃而爆炸。

4.3 冲击试验验证

为了验证4.2小节分析，A相A18和A30阀片在第一次大电流冲击试验5 min后紧接着再进行一次冲击，模拟避雷器在短时间内承受2次雷电流的实际情况。在进行第二次冲击时，电流升到峰值时2块阀片直接炸碎（见图6），说明热量堆积超过了阀片承受范围，破坏了内部结构，直接炸碎释放了能量，验证了相隔很短的2次大电流产生的热量足以将阀片破坏。虽然现场雷电流比冲击试验电流小，但在筒体和避雷器内散热条件很差，阀片被融穿也就成为了可能。

图6 第二次冲击时A相阀片直接炸碎

5 结语

通过分析发现，该案例为相隔很短的2次雷电流泄入同一只避雷器，造成阀片内低阻通道堆积大量热量以致阀片融穿，最终导致泄漏电流异常增大。分析中对该组避雷器进行了各类带电检测、停电试验。出厂试验表明，泄漏表计显示准确，外表电阻不受外部环境影响，内部未受潮，避雷器也不存在家族性质量问题。短时间内2次大电流的泄入对正常避雷器都会造成严重破坏。由于短时间内2个雷击同时落在一个避雷器的概率微乎其微，所以这是一起非常特殊的避雷器泄漏电流异常增大事件。在现场中应及时完成雷雨季节前避雷器阻性电流带电检测，并加强设备巡视，及时发现避雷器异常状况，减少问题避雷器带病运行的可能。

[1]刘安文，许甜田，张少成.带电检测发现金属氧化物避雷器阻性电流异常的案例分析[J].浙江电力，2015，34（6）∶13-15.

[2]马丽军，赖靖胤，金鑫磊.一起110 kV氧化锌避雷器运行故障的分析及对策[J].浙江电力，2012，31（5）∶82-84.

[3]杨仲江，陈琳，杜志航，等.氧化锌压敏电阻劣化过程中电容量变化的分析应用[J].高电压技术，2010，36（9）∶2167-2172.

[4]杨仲江，李强，张枨，等.MOV在交直流电压下耐受能力的试验研究[J].电瓷避雷器，2013，55（6）∶42-47.

[5]陈化钢.电力设备预防性试验方法及诊断技术[M].北京：中国水利水电出版社，2009.

[6]任文娥，于钦学.氧化锌压敏陶瓷电阻片的电容对冲击破坏机理影响的研究探讨[J].电瓷避雷器，2000，42（1）∶39-41.

[7]陈新岗，李凡，桑建平.氧化锌压敏陶瓷伏安特性的微观解析[J].高电压技术，2007，33（4）∶33-37.

[8]姜聿涵，谢维成，李建明.利用避雷器电阻阀片特性分析过电压[J].电测与仪表，2015，52（15）∶62-66.

[9]何金良，屠幼萍.氧化锌非线性电阻等效计算模型[J].高压电器，1998，40（6）∶58-54.

[10]罗茂嘉，钱珏臻，于军，等.220 kV氧化锌避雷器泄漏电流异常的原因分析和处理[J].浙江电力，2017，36（2）∶30-33.

[11]高峰，郭洁，徐欣，等.交流金属氧化物避雷器受潮与阻性电流的关系[J].高电压技术，2009，35（11）∶2629-2633.

[12]范敏，谢佳，姜方财，等.基于带电检测技术的金属氧化物避雷器缺陷分析[J].电瓷避雷器，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]林楚标，廖永力，李锐海，等.110 kV整只氧化锌避雷器雷电冲击老化特性究[J].南方电网技术，2015，9（7）∶40-45.

[15]颜旭，陈绍东，江润志，等.自然雷电下氧化锌避雷器残压特征分析[J].中国电力，2013，46（7）∶72-76.

[16]张红莲.一起110 kV GIS内置避雷器的故障诊断及原因分析[J].电瓷避雷器，2012，54（3）∶82-85.