某500 kV 避雷器故障原因分析

马 磊

（国网山东省电力公司超高压公司，山东济南 250000）

0 引言

某500 kV 避雷器先后发生雷击跳闸故障和避雷器损坏故障。经现场检查，该500 kV 避雷器上、中、下3 节的压力释放喷口均烧黑。试验发现：500 kV 避雷器绝缘电阻为0 MΩ，底座绝缘电阻0.13 MΩ，其他两相试验正常。该避雷器如图1 所示。500 kV 避雷器放电计数器外观已严重烧黑、引线头烧断，无法读取动作次数。现场核查故障避雷器设备信息：产品型号Y20W5-444/1063-W，直流1 mA，参考电压597 kV，持续运行电压324 kV，压力释放额定大电流63 kA，标称放电电流20 kA，2 ms 方波通流容量2 kA、18 次，0.4 s 大电流冲击耐受100 kA、2次，能量吸收能力16 kJ/kV，线路放电等级5 级，持续电流（阻性）600 μA，元件节数3 节（每节48 个电阻片），内部气体压力0.035～0.05 MPa，充N2微增压。

图1 500 kV 避雷器外观

该避雷器按照GB 50150—2006《电气装置安装工程—电气设备交接试验标准》的试验要求，完成交接试验。故障当日，完成500 kV 避雷器检查性试验，发现B 相绝缘电阻为0，底座绝缘电阻0.13 MΩ，A、C 两相试验正常。该500 kV 避雷器投运累计开展2 次避雷器带电测试。并且开展了在线红外测温，测试结果均满足运行要求。故障前预防性试验及带电测试没有检出500 kV 避雷器存在明显缺陷，故障后也没有检出其他两相避雷器存在缺陷。

1 解体试验分析

通过对500 kV 避雷器进行解体检查，重点检查避雷器密封系统、绝缘件，以及查找放电路径。

（1）上节：瓷套外表面清洁，内表面大面积发黑。密封系统上、下法兰双密封胶圈完好，没有变形、错位，弹性良好；气阀和盖子表面清洁。均压电容2 柱均压电容上、下端部螺栓连接未发现松动、脱离现象，电容柱绝缘管外部被电弧熏黑。挡弧筒外表面上端和下端发黑，内表面部分位置可见明显鼓包且大面积发黑现象。电阻片全部绝缘电阻为0；27%完全破裂、脱落或部分开裂；35.5%发生击穿，击穿形态为孔洞状。支撑杆绝缘支撑杆表面有碳化痕迹。

（2）中节：瓷套外表面清洁，内表面大面积发黑。密封系统上下法兰双密封胶圈完好，没有变形、错位，弹性良好；气阀和盖子表面清洁。均压电容1 柱均压电容上、下端部螺栓连接未发现松动、脱离现象，电容柱绝缘管外部被电弧熏黑。挡弧筒外表面中部至上端发黑，内表面玻璃丝翘起、发黑。电阻片全部绝缘电阻为0；33.3%完全破裂、脱落或部分开裂；41.7%发生击穿，击穿形态：孔洞状。支撑杆绝缘支撑杆表面有碳化、过热痕迹。

（3）下节：瓷套外表面清洁，内表面大面积发黑。密封系统上、下法兰双密封胶圈完好，没有变形、错位，弹性良好；气阀和盖子表面清洁。挡弧筒外表面上端和中部发黑，有两条裂纹，内表面玻璃丝翘起。电阻片全部绝缘电阻为0；93.75%完全破裂、脱落或部分开裂。支撑杆绝缘支撑杆表面有多条放电碳化通道。

经现场解体检查：故障避雷器密封结构系统良好且运行时间不长，可初步排除外部潮气侵入引起内部故障的可能[1-2]；电阻片电流击穿损坏明显，3 节避雷器电阻片存在明显的上、下贯穿性击穿现象，下节电阻片损坏最严重、较多的电阻片呈环状破裂或脱落，中、上节电阻片损坏程度稍轻；下节绝缘支撑杆表面被电弧烧灼后表层环氧材料分解玻璃纤维裸露，形成多条由下法兰向上法兰不断发展的碳化通道[3-5]。

2 故障过程

该站某500 kV 线路主一保护、主二保护、5042 断控保护、5043 断控保护动作，5043 开关B 相单跳重合成功，5042 开关单跳重合成功，故障电流10 500 A。保护动作时序为：主一保护差动电流2.016 A，满足动作条件，12 ms 保护动作。主二保护差动电流2.234 A，满足动作条件，13 ms 保护动作。保护动作后，5043 开关988 ms 重合闸动作，5042 开关1490 ms 重合闸动作。

然后，主一保护、主二保护、5042 断控保护、5043 断控保护动作，5043 开关单跳重合失败三跳，5042 开关三跳，峰值故障电流21 976 A。故障发生时该站内并无操作和其他设备故障跳闸，对侧站也无操作和其他设备故障跳闸。经检查，保护动作正确，录波完好。

该500 kV 线路继电保护装置采用GPS 时钟，因此结合线路保护动作时间和雷电定位系统，可对该线路B 相先后两次故障跳闸时段线路和该站的雷电活动情况进行有效探测查询。结合雷电幅值大小，巡线判断是线路烧击故障。经现场检查，该线路避雷器B 相上、中、下3 节的压力释放喷口均烧黑。

3 故障原因分析

本次500 kV 避雷器3 节故障形态如图2 所示，其中弧形曲线为电弧烧蚀通道。填充黑色部分为环氧绝缘件，填充灰色部分为铝垫块，填充斜线部分为有开裂损坏的电阻片。从图2 可以看出：电阻片的损坏程度自上节往下节依次变得更加严重，损坏率依次为27%、33%、93%，说明下节承受了最大的短路电流，并且3 节避雷器击穿通道主要以电阻片体击穿为主。从放电烧蚀通道推测：可能是下节避雷器首先发生放电短路，接着中、上节避雷器相继发生放电故障，下节避雷器因为遭受电弧作用时间最长因而损坏最严重。由于避雷器最严重损坏情况是在避雷器承受正常运行相电压下发生的，因此，故障前避雷器内部（尤其是下节）很可能就已存在局部薄弱环节，如电阻片非正常老化缺陷，或绝缘件的局部绝缘缺陷。

图2 避雷器内部放电状态

从故障录波图3 可以看出：该相第一次遭受雷击跳闸，在线路等待重合闸期间，线路又遭受到了重复雷击，持续线路开关已断开，雷电过电压在开关断开处发生全反射，过电压会较高，由于CVT 特性原因，具体电压升高幅值无法测量。但是，从雷电定位系统的数据分析，最大雷电幅值为-24.9 kA。雷电流幅值并不大，加之经过10 km 长的线路传播衰减，正常运行的避雷器应该能够承受。并且，据有关文献的计算经验：在两端悬空的情况下，雷电波的多次反射使避雷器绝缘受到多次冲击。因此，在线路双端悬空的条件下，雷电波对避雷器的威胁较为严重，估算得到本次重复雷电入侵在避雷器上产生的热量不超过1 MJ，明显小于核算的同型号避雷器通流容量7 MJ。

图3 故障录波

所以，在本次故障案例中，线路连续落雷造成避雷器吸收了大于其耐受能力的雷电冲击过电压能力直接引起热崩溃故障的可能性很小。换言之，比较合理的解释是，线路第一次雷击并不是形成避雷器内部局部薄弱环节的主要因素，而仅仅是加速了已存在的局部薄弱环节的进一步劣化，也即线路连续落雷只是诱发因素。

避雷器内部局部薄弱环节主要存在两种可能：①部分电阻片存在质量问题，线路连续落雷加速了这些电阻片发生击穿，之后避雷器在工频运行电压下，剩余电阻片承受的电压超过其允许值时，避雷器电阻片发生热击穿，最终导致故障发生；②绝缘支撑杆（尤其是下节）存在局部薄弱点，比如局部破损、装配时烘干不充分等。避雷器投运后，绝缘支撑杆局部绝缘薄弱点产生沿面局部放电现象。线路连续落雷加速了绝缘支撑杆表面局部放电向表面爬电阶段发展。之后避雷器在工频运行电压下，绝缘支撑杆表面形成短接上、下法兰的电弧放电通道。由于剩余电阻片电压承受能力已超过其允许值，避雷器电阻片发生热击穿，最终导致故障发生。

4 结束语

通过本次500 kV 避雷器故障分析，建议避雷器开展局部放电试验，以及阀片加速老化试验，以检验电阻片是否存在非正常老化；开展避雷器阻性电流及全电流带电测试、红外检测；重点开展直流1 mA 及0.75 倍U1 mA 下的泄漏电流试验。同时，积极开展避雷器各项状态监测新技术的现场应用，开展基于多传感器阵列天线的电容型设备局部放电带电检测技术应用，以及脉冲电流法的带电检测，提前发现避雷器缺陷，从而有效避免避雷器故障跳闸。