220 kV氧化锌避雷器单相接地故障后的性能研究

黄成才 王 巍

（国网江苏省电力有限公司盐城供电分公司，江苏 盐城 224000）

0 引言

避雷器作为输变电设备过电压保护的核心设备，在电网安全稳定运行中有举足轻重的作用[1-3]。氧化锌避雷器因其伏安特性好、性能稳定等优点在电力系统中得到广泛应用[4-6]。然而，氧化锌避雷器因外部因素和自身结构导致的缺陷也屡见不鲜。

目前，对220 kV及以上电压等级氧化锌避雷器故障的研究工作大多集中在氧化锌电阻片老化、受潮以及发热等自身缺陷引发的故障方面，对避雷器因外物干扰导致的单相接地故障后的性能还缺少研究工作。运行经验表明，随着氧化锌避雷器带电测试等预防性试验的开展，因氧化锌避雷器本身缺陷导致的设备跳闸故障正大幅减少，雷击和外力因素是导致220kV避雷器动作主要成因[7-8]，因此研究避雷器因外物短接导致的单相接地故障后性能具有一定的实际意义。

该文结合220kV金东变电站实际发生的避雷器单相接地故障处理工作，对故障避雷器进行试验，采用适合现场快速判别避雷器性能的整体绝缘测试法，通过直流试验分析了故障避雷器氧化锌电阻片的性能以及故障避雷器防爆膜动作情况。

1 故障情况及分析

1.1 保护动作情况

10时31分，金东变220 kV金双2W30线两套主保护动作，A相故障，重合成功，两套保护测距系统分别显示故障为近端故障，故障电流9.039kA。对侧500 kV变电站220 kV双金2W30线两套主保护动作，A相故障，重合成功，故障电流4.68 kA，两套保护测距系统分别显示故障32 km、39 km，线路全长36.64 km，双草变内运行值班人员立刻对站内一、二次设备进行检查，均无无异常，现场天气晴朗。

11时00分，220 kV双金2W30线两侧变电站主保护均再次动作，A相故障，重合成功。金东变侧：两套保护测距系统分别显示故障为近端故障，保护测距0.2 km，故障电流10.6 kA。

1.2 故障分析

故障变电站位于蔬菜种植区，变电站外农业大棚数量较多，经过现场勘察，导致本次单相接地故障的丝带为大棚驱鸟用品，其内部含有大量金属丝，具有导电性质。大风将零散金属丝带吹至变电站并悬挂于避雷器上。

丝带原长度约为10 m，短路前一头缠绕于220 kV金双线路避雷器上C相上，中间部分搭落在围墙防护网上，尾部随风在避雷器A相周围飘动。10时31分，因丝带飘动距离过近造成A相避雷器接地短路，在风力下丝带又瞬间飘离，A相避雷器绝缘恢复，重合闸成功。

11时00分，丝带尾部因飘动短接A相避雷器均压环与中间部位，A相避雷器上节绝缘因短接失效，运行电压施加在下节绝缘和围墙电子防护网上，造成绝缘的瞬间击穿，造成单相接地短路产生10kA的短路电流，短路电流弧光烧毁丝带及围墙电子防护网，并造成避雷器下节外绝缘瓷套烧损严重。丝带因短路电流弧光瞬间烧损后，避雷器上节绝缘恢复，重合闸成功。

1.3 现场巡视情况

故障变电站为无人值守变电站，故障发生后运行人员检查发现220kV金双线路避雷器上C相有丝带缠绕，A相避雷器下节外表面烧伤严重，A相避雷器中部防水板剥离，瓷套泄漏电流屏蔽线松脱，避雷器计数器已动作，如图1所示。

图1 A相避雷器表面烧损

2 避雷器性能检查性试验

故障避雷器型号为Y10W-204/532W，额定电压204kV。为研究该故障避雷器经过单相短路电流冲击后的性能情况，该文进行一系列试验研究工作。

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2.1 故障前阻性电流测试

故障前2个月，电气试验人员对该变电站避雷器进行阻性电流测试，该组避雷器的试验数据见表1。

表1 金双2W30线路避雷器阻性电流测试结果

阻性电流测试结果显示，阻性电流与初值（50mA）相比变化≤30%，全电流与初值（500 mA（相比变化≤20%，相角均大于85o，符合避雷器带电检测标准要求，试验结果说明避雷器在故障前性能良好、运行可靠。

2.2 直流参考电压（U1mA）及在0.75U1mA泄漏电流试验

本次故障导致避雷器中部防水板剥离，防水板为避雷器泄压外通道的一部分。考虑避雷器流经大电流时可能导致内部氧化锌电阻片受损，产生大量气体，泄压防爆膜破裂，气压冲击使防水板剥离。为考察故障后避雷器氧化锌电阻片的性能，试验人员对避雷器进行了直流参考电压（U1mA（及在0.75U1mA下泄漏电流试验。试验结果见表2。

表2 U1mA及在0.75U1mA下泄漏电流试验结果

根据表2可知，每相避雷器的直流1mA参考电压均大于300kV，符合GB11032规定值296kV的要求，同时与初值差均不超过5%；每节避雷器的泄漏电流均小于50uA，试验数据合格。直流试验结果说明，避雷器内部氧化锌电阻片状态良好，A相避雷器经过10kA大电流冲击后直流特性几乎没有下降迹象，避雷器工作特性较好。而避雷器中部防水板剥离的原因，则有待于进一步研究。

同时，结合该避雷器10kA的额定标称放电电流可知，10kA的短路电流不会对氧化锌电阻片及避雷器的性能造成大的影响，直流试验结果符合客观规律。

2.3 绝缘试验

2.3.1 整体绝缘电阻试验

避雷器整体绝缘实际测得值为底座与上、下节总绝缘的并联值，通过三相数据横向对比，从而判断故障避雷器能否继续运行。绝缘电阻测试数据见表3。

表3 整体性绝缘电阻测试结果

2.3.2 分解后绝缘电阻试验

将故障避雷器运至试验大厅并拆解为上节、下节、底座。对拆解部件分别进行绝缘电阻试验、外观检查和绝缘分析。绝缘电阻试验中，为避免测试偶然性，分别进行，3次测量，取平均值，试验结果见表4。

表4 分节绝缘电阻测试结果

根据表4可知，避雷器上节绝缘、下节绝缘电阻数值均均合格。下节绝缘电阻仅为2650MΩ，绝缘电阻数值绝对值过小，仅是上节绝缘的5%左右，绝缘性能严重劣化。如果在潮湿等环境中运行，故障相下节外绝缘几乎丧失。

2.4 外绝缘爬距核验

220 kV金东变地处Ⅱ级污秽地区，海拔高度小于1000 m，根据《GB/T 5222—2005导体及设备选择》的要求，爬电比距应大于2.5 cm/kV。故障相避雷器原外绝缘爬电比距3.1 cm/kV，符合国家电网公司对设备外绝缘配置“绝缘到位、留有裕度”的指导原则[9]。为探究故障后避雷器外绝缘爬距是否满足要求，本节进行了校核工作，爬电比距按公式（1）进行校核。

式中：λ为爬电比距，L为设备外绝缘爬电距离；k为修正系数，一般取1；Ue为设备额定运行电压，对变电站和发电厂设备按设备最高运行电压选取。

故障相避雷器下节因短路电流共烧损外绝缘伞裙15片，形成了明显的放电通道，上节尾部烧损1片。经过校核，外绝缘爬电距离测量为2851.64 mm，爬电比距为1.96 cm/kV，已不满足运行条件。

2.5 防爆膜检查

避雷器防爆膜用于防止避雷器在过电压、过电流冲击下内部压力过大而导致设备爆炸造成设备损毁及人身伤害事故，对避雷器稳定运行具有重要的保护作用。本次故障导致避雷器中部防水板剥离，如图2所示。防水板为避雷器泄压外通道的一部分，因此须对避雷器防爆膜进行检查，考量短路故障时内部是否发生泄压行为。将避雷器上下节拆解，取下避雷器顶盖、底板，检查防爆膜状况，泄压防爆膜如图3所示。

图2 剥离的避雷器中部防水板

根据图3可知，故障避雷器上、下节防爆膜均完好，无任何泄压冲破痕迹，说明该故障避雷器在经历短路故障时，其内部并有发生泄压行为。防爆膜完好一定程度上反证了避雷器内部结构及氧化锌电阻片的工作性能没有受到大的破坏，与2.2节直流试验结果相互映证。对中部防水板的剥离，应为故障避雷器在单相接地故障时，产生较大的短路电动力，引起设备瞬间震动所致。

图3 故障避雷器4只防爆膜

3 讨论与探究

3.1 故障至计数器动作机理探究

变电站故障录播系统显示共发生2次单相接地故障，相隔25 min，经现场检查，故障相避雷器计数器只动作1次（25min～26min），且故障后试验证明计数器功能完好，说明短路电流只有一次流经避雷器内部且导致避雷器有效动作，该文对计数器动作成因进行讨论。

该文认为避雷器计数器动作在第一次的可能性较大。第一次单相接地时，丝带在避雷器四周飘动瞬间短接避雷器外绝缘某一段，此时外绝缘仍可承受运行电压，但运行电压超过避雷器有效工作氧化锌阀片的动作电压，避雷器动作释放短路电流，计数器计数，系统报单相接地故障，此次故障并没有发生丝带燃烧及避雷器外绝缘烧损。第二次单相接地时，丝带缠绕避雷器均压环并短接避雷器上节，因避雷器下节及电子围墙护栏绝缘不能承受运行电压而导致外绝缘击穿，大电流接地弧光导致燃烧，丝带及电子围栏被烧毁，避雷器下节被烧损。

该文第2节的研究表明，本次单相接地短路故障主要导致避雷器下节外绝缘严重受损，避雷器内部结构及氧化锌阀片并未受到大的破坏，性能几乎完好，第二次单相接地时，短路电流经过避雷器内部的可能性不大。

3.2 避雷器防水密封性能研究

根据故障避雷器防爆膜检查结果可发现，避雷器上口防爆膜及接口锈蚀严重，上节避雷器的防爆膜的锈蚀程度大于下节避雷器上口的锈蚀程度，上、下节避雷器下口防爆波保存均完好。

避雷器的防水密封性直接决定避雷器的运行性能，进水受潮将导致氧化锌阀片功能丧失，全电流及阻性电流加大，使用寿命大大缩短。故障避雷器上节上口接线板打开后，内部锈蚀严重，说明上口在过去13年的运行中已经轻度进水受潮。下节上口防爆膜边缘腐蚀较为严重，说明避雷器中部也已经适度进水受潮，腐蚀程度低于上节上口，符合现场运行规律。如果该避雷器继续长期运行下去，雨水和潮气必将从密封薄弱处进入避雷器内部，导致运行性能下降。

4 结论

该文结合变电站现场单相接地故障实际情况，对避雷器单相接地故障后的性能进行研究，重点研究了避雷器的特性性能和外绝缘强度变化，得出以下4点结论：1）避雷器经过单相接地短路电流冲击后，氧化锌电阻片性能不会出现明显下降，避雷器工作特性较好。2）短路电流导致故障避雷器的外绝缘损坏严重，整体绝缘电阻明显下降，烧损严重的下节绝缘电阻值下降90%以上，绝缘性能大幅降低。同时，经过外绝缘爬电比距校核，故障避雷器的外绝缘已不能满足现场运行需求。3）故障避雷器上、下节4处防爆膜完好，其内部未发生泄压行为，防水板脱落应为短路电流电动力所致。4）避雷器的防水密封性严重影响避雷器的使用寿命，在运行中应重点关注220 kV避雷器顶部及中间连接部位的防水密封性。