500 kV电站用瓷外套老旧避雷器性能老化分析与评估

2023-10-30王陆璐黄佳瑞吴成成左中秋钱青春

电瓷避雷器 2023年5期

王陆璐,黄佳瑞,吴成成,左中秋,钱青春,万克,陈立

(中国电力科学研究院有限公司,武汉 430074)

0 引言

避雷器作为电力系统绝缘配合的基础,是重要的过电压保护装置,其自身的安全可靠性对系统的稳定运行具有十分重要的作用。近年来,时有变电站避雷器爆炸事故发生,给电网安全稳定运行带来了极大风险。随着避雷器投运年限的增长,其承受过电压的频次增加,加之正常运行时也存在性能老化问题,避雷器的故障风险增高[1-7]。

2020年8月27日500 kV HP线纵联差动保护动作,500 kV线路P站两项开关跳闸。经线路及站内故障巡视发现,HP线线路218号杆塔B相发生雷击故障,导致P站线路侧B相避雷器击穿燃烧。P站线路侧避雷器于1998年正式投运,至事故发生时已运行22年。事故发生后,该站线路侧同组A、C两相避雷器也退出运行,对这2支避雷器采用整体试验和解体试验的方式分析其性能老化程度。整支避雷器性能试验包括:直流1 mA参考电压、0.75倍直流参考电压下漏电流试验、局部放电试验、工频参考电压、持续电流、密封、机械负荷试验共7项。解体电阻片试验包括:伏安特性曲线(覆盖10 μA～40 kA)、残压试验、老化特性、大电流冲击、方波冲击、动作负载、工频电压耐受时间特性试验共7项。

长期运行的避雷器存在性能老化问题,但对于运行超过20年的避雷器的老化性能定量分析较少报道。目前的研究主要集中在通过例行试验、停电检修等方式测量避雷器的参考电压和阻性电流等参数来判断避雷器的运行状态;通过密封性能、能量耐受能力两方面来分析避雷器的故障原因。定量分析老旧避雷器的电气老化性能有助于系统运维人员了解避雷器性能的老化规律,对保障变电站内避雷器的正常运维是非常必要的[8-12]。

笔者以P站线路侧退出运行的A、C相避雷器为研究对象,以另一变电站中正常运行了3年额定电压相同的避雷器作为对照组,通过整体电气试验方式横向对比不同运行时长的避雷器性能老化情况;将A、C相避雷器入网试验、2017年停电检修试验时的相关数据与本次试验数据对比,纵向分析两支避雷器的性能老化情况。解体A、C相避雷器,取用其核心元件电阻片进行试验,分析经长期运行后电阻片性能老化情况。最后结合试验数据对老旧避雷器进行整体老化性能评估,为电网中同类避雷器的老化性能分析提供技术支撑。

1 整支避雷器电气性能试验

1.1 避雷器试品信息

试品共3支500 kV交流系统电站用无间隙金属氧化物避雷器。2支为P站线路侧退出运行的A、C相避雷器,型号为Y20W1-444/1050,文中简称为001A、001C号试品,每支避雷器由3节元件组成;另1支为某500 kV变电站中正常运行3年的同类型避雷器,型号为Y20W2-444/1106B1,同样由3节避雷器元件组成, 文中简称为002号试品。两种试品均为瓷外套避雷器,且额定电压相同,002号避雷器作为001A及001C的对照组进行试验。3支避雷器退运前均运行正常、无损坏现象,全部试验在试验室环境下完成。

1.2 试验数据及分析

表1中列举了3支试品的直流1 mA参考电压、0.75倍直流参考电压下漏电流试验、工频参考电压、持续电流、功耗、局部放电共6项试验数据。按照GB/T 11032标准规定额定电压444 kV的避雷的器直流参考电压应不小于597 kV,参考电压越高反应避雷器自身耐受短时工频过电压的能力越好,其自身的安全稳定性越高。泄漏电流反应了避雷器用电阻片的受潮及老化情况,泄漏电流值越大,说明可能存在电阻片受潮或性能老化问题越严重,GB/T 11032标准规定避雷器的泄漏电流不应超过50 μA。避雷器的老化和受潮问题也体现在持续电流及功耗数据增长上。

表1 整支避雷器的电气性能试验数据Table 1 Electrical properties test data of the arresters

分析表1中的数据可知,002号试品的直流参考电压值较001A和001C分别高3.27%、4.15%; 001A、001C的泄漏电流值较002高出一个数量级,且已接近标准规定的50 μA上限值;001A、001C的全电流有效值为002的4.4倍,阻性电流峰值和功耗是002的3倍左右;3只试品的局部放电量都在标准规定的10 pC以内。通过上述分析可以发现,运行时间超过22年的避雷器001A、001C相较于同型号的002号避雷器有直流参考电压降低、泄漏电流增加、持续电流增大、功耗增大的情况,说明老旧避雷器确有明显的性能老化趋势,但各项参数还在标准规定的运行范围内。

为明确老旧避雷器的密封性能,对3只避雷器进行了密封试验,采用GB/T 11032-2020标准第8.13节中规定的热水浸泡法进行试验,数据见表2。在30 min浸泡过程中试品001A和001C的瓷套与顶部、底部法兰连接处均有连续小气泡逸出。试品002无连续性气泡逸出。热水浸泡后将试品取出自然冷却干燥至环境温度,复测直流参考电压及泄漏电流,验证试品的密封性能。由表2的数据可以看出,热水浸泡后试品001A、001C的泄漏电流都有明显增加,超过了标准规定的50 μA,与热水浸泡前相比增量超过标准规定的20 μA。其中001C经热水浸泡后直流参考电压跌落至标准规定的597 kV以下。试品002通过热水浸泡后的验证试验,直流参考电压和泄漏电流变化都在标准规定的范围内,且变化微小。基于以上数据分析,经过长时间运行的避雷器001A、001C的密封性能存在一定程度的劣化,无法通过标准规定的试验,而运行了3年的避雷器002的密封性能依旧良好。

表2 整支避雷器的密封试验数据Table 2 The sealing test data of the arresters

将运行22年后001A及001C号试品与其自身投运前入网试验、2017年停电检修试验中直流参考电压、泄漏电流数据进行纵向对比。相较于投运初期,本次试验中001A、001C的直流参考电压跌落明显,最大偏差值达到-4.75%,接近标准规定的5%偏差范围;泄漏电流也接近50 μA的上限值,较投运初期增加34 μA及40 μA。2017年检修试验中,相较于投运初期A、B、C三相避雷器的直流参考电压跌落最高达-2.63%,泄漏电流最大增长了29 μA。试验数据对比见表3。

表3 A、C相避雷器入网试验、2017年检修试验及本次试验数据对比Table 3 Comparison of three test data of A and C-phase arresters

以上数据分析可以说明,投运初期该站的三相避雷器性能良好,随着运行年限增加,在2017年的停电检修试验中三相避雷器已出现性能劣化趋势,但仍在可正常使用范围。直至本次试验,退运的001A、001C避雷器直流参考电压、泄漏电流等电气性能已接近标准的最低要求值,存在一定的运行隐患。

2 避雷器用电阻片试验

试品为001A、001C避雷器解体后取出的电阻片,这些电阻片已随整支避雷器一起运行了22年,部分电阻片表面有少许电弧灼伤痕迹,电阻片尺寸为Ф105 mm/42 mm×22 mm。其中随机选择外观完好的电阻片19片,编号301～319;外观有缺陷的电阻片10片,编号101～110,完成以下试验。

2.1 长期稳定性试验

GB/T 11032-2020标准中规定,避雷器电阻片需要通过长期稳定性试验程序来验证其老化性能。将电阻片加热到115 ℃±4 K,在施加最大持续运行电压Uct后的3 h±15 min测量电阻片的功耗Pstart,在这个电压持续1 000 h期间控制电阻片表面温度稳定在115 ℃±4 K,其间每100 h测量一次电阻片功耗。在长期稳定性试验期间,测量的所有功耗应不大于1.1Pstart,且从测量的最小功率损耗Pmin点开始到试验结束期间,测量的最大功率损耗应不超过1.3Pmin。

试验施加电压Uct按两种算法:①按照95%荷电率对电阻片施加电压,这是目前国内惯用的试验方法。②按照1.15倍单片持续运行电压Uc施加老化试验电压,这种电压计算方法来自IEC标准,系数1.15包含了避雷器最大电压分布不均匀系数的影响。使用荷电率折算的老化试验电压通常高于考虑电压分布系数换算的试验电压。也就是说,国内采用荷电率的方法来考核电阻片老化性能更为严格,预留的老化性能裕度也更大。

表4、表5为001A、001C用电阻片采用95%荷电率和1.15倍持续运行电压进行老化试验的数据。由于Pmax2/ 1.3Pmin小于1,且Pmax1/1.1Pstart小于1,说明电阻片耐老化性能良好,满足GB/T 11032规定的长期稳定性试验要求。根据阿仑纽斯(Arrhenius)定律,通过上述的长期稳定性试验意味着在环境温度40 ℃的条件下,电阻片预测最小使用寿命为110年;在环境温度为65 ℃的条件下,电阻片预测最小使用寿命为22年。说明经过长年运行后的电阻片仍然具有较好的耐老化性能,老化曲线见图1,图2。

图1 化试验曲线(Ф105 mm/42 mm×22 mm,95%荷电率)Fig.1 Aging test curve(95% charge rate)

图2 老化试验曲线(Ф105 mm/42 mm×22 mm,1.15Uc)Fig.2 Aging test curve (1.15Uc)

表4 按95%荷电率施加电压的电阻片老化试验Table 4 Aging test of resistors with applied voltage according to 95% charge rate

表5 按1.15Uc施加电压的电阻片老化试验Table 5 Aging test of resistors with 1.15Uc applied voltage

2.2 伏安特性曲线及残压试验

对001A和001C中取出的电阻片进行伏安特性试验,并绘制折算到整支避雷器的伏安特性曲线(覆盖10 μA～40 kA),见图3,避雷器用电阻片的非线性特征明显,能起到有效限制过电压的作用。电阻片残压及折算成整支避雷器的残压试验数据见表6。

图3 001A、001C避雷器的伏安特性曲线Fig.3 The U-I characteristic curve of 001A and 001C arrester

表6 残压试验数据Table 6 Test data of the residual voltage test kV

目前500 kV等级变电站无间隙避雷器用电阻片的U20kAp/U1mADC压比通常在1.60～1.65之间,表6中标称放电电流下电阻片的压比在1.8左右,较常规值高10%左右。其原因主要有两方面:第一,001A和001C避雷器投运时间非常早,当时的电阻片制造水平有限,生产的电阻片压比偏高;第二,经过长期运行电阻片存在一定的老化,参考电压降低,导致压比增高。表6中折算至整支避雷器的雷电冲击残压1 102.4 kV超出制造厂宣称的要求值1 050 kV约5%,但满足GB/T 11032规定不大于1 106 kV的要求,操作冲击残压和陡波冲击残压都满足要求。

2.3 电流冲击耐受试验

对001A和001C避雷器中取出的电阻片进行大电流冲击耐受试验和方波冲击电流耐受试验。为了充分检验经过长期运行的电阻片电流耐受能力,分别在外观完好和有缺陷的电阻片上进行试验,试验数据见表7。电阻片外观缺陷主要为釉面放电损坏痕迹,以图4为例。外观完好和外观缺陷的电阻片试品各5片,均通过4/10 μs ,100 kA大电流冲击耐受试验,两次冲击电流后试品无击穿、闪络或开裂现象。试验前后电阻片参考电压变化率不超过5%,残压变化率也不超过5%,满足GB/T 11032要求。

图4 电阻片外观缺陷照片Fig.4 The photo of appearance defects of resistors

表7 大电流冲击耐受试验数据Table 7 High current impulse withstand test data

对外观有/无缺陷的电阻片试品(各5片)进行2 ms, 1 200 A方波电流冲击18次,冲击电流后试品无击穿、闪络或开裂现象。试验前后电阻片参考电压变化率、残压变化率均不超过5%,满足GB/T 11032要求,试验数据见表8。为进一步检验电阻片的通流能力提升方波电流至1 500 A,另外选择外观有/无缺陷的电阻片试品(各3片)再次进行试验,外观完好的电阻片全部通过,外观有缺陷的电阻片中有1片在第3次方波冲击时发生击穿破裂,其余两片试品通过试验。

表8 方波冲击电流耐受试验数据Table 8 Long-duration current impulses withstand test data

长期运行过程中避雷器可能多次承受过电压冲击,导致其内部电阻片出现外观缺陷痕迹和性能劣化,这会导致电阻片通流能力减弱。试验中外观完好的电阻片全部通过大电流冲击及方波冲击电流耐受试验,而外观有放电痕迹的电阻片在1 500 A的方波电流冲击时存在击穿损坏现象也证明了这一问题。

3 避雷器老化性能评估

避雷器的性能老化主要与运行时间、耐受过电压的频次、环境条件对密封性能的影响等因素有关,是综合作用的结果。可能存在避雷器虽运行时间长,但耐受过电压次数较少,运行环境温湿度变化范围窄,避雷器性能劣化趋势缓慢,运行多年依然具有良好的保护特性;也会遇到避雷器运行时间不长,但由于线路设计的绝缘配合裕度不足,导致避雷器频繁动作提前出现性能老化的现象。因此对于避雷器性能是否老化的评估不可单从运行年限考虑,而应通过监测关键参量来评估避雷器的性能老化程度[13-19]。

笔者研究的经22年长期运行的500 kV交流电站避雷器用电阻片性能良好,仍可满足标准要求,尤其老化试验结果,依据阿仑纽斯(Arrhenius)定律电阻片可继续长期使用,能够满足国网避雷器招标要求的30年使用寿命。但避雷器的整体性能不仅与电阻片性能有关,还与避雷器的密封性能密切相关。从第1节避雷器的电气性能试验发现,其直流参考电压、泄漏电流、阻性电流及功耗已表现出明显的性能劣化趋势,且密封试验中存在气泡连续不断的逸出现象,热水浸泡后的验证试验也表明密封性能有不足,继续运行必然导致避雷器自身安全性能劣化,当需要耐受较大的过电压时,避雷器容易发生损坏、炸裂。

因此,从电阻片自身的性能分析,运行20年以上的避雷器仍然具有良好的老化性能,但考虑运行过程中的避雷器元件密封性能持续缓慢劣化,会导致避雷器元件电气性能缓慢劣化,直至无法承担过电压冲击而损坏。根据本研究数据和经验,由于电阻片耐老化性能良好,如考虑整支避雷器的密封性能不劣化,500 kV电站用瓷外套避雷器可达到国网招标要求的总安全运行时间30年的要求[20-29]。

基于本研究给出如下建议:变电站例行运维试验中如避雷器的直流参考电压跌落在2%以内,泄漏电流不超过20 μA,表示避雷器运行性能良好,维持例行检查即可;当直流参考电压跌落在2%～4%范围内,泄漏电流不超过30 μA,表示避雷器性能已出现老化,需要增加监测频次,或通过在线监测手段结合其他参数判断避雷器的运行状态;当直流参考电压跌落超过4%,泄漏电流超过40 μA,表示避雷器运行存在安全隐患,再次承受较大的过电压时击穿损坏风险极大,安全起见考虑更换避雷器。