一起110 kV氧化鋅避雷器泄露電流超標的原因分析

王湛鈞

（廣東電網有限公司韶關供電局，廣東 韶關512026）

0 引 言

氧化鋅避雷器作為維持電力系統安全運行的重要設備，受潮后絕緣水平會大大降低。不僅會失去對其他電氣設備的保護作用，而且容易引發重大電氣事故。氧化鋅避雷器投運前必須嚴格做好檢查測試工作，運行期間也要嚴格按照規程對其進行定期檢查和維護[1]。

1 氧化鋅避雷器受潮原因

氧化鋅避雷器受潮后會導致絕緣電阻下降，在電流監視器中可觀察到電流增加，在帶電測試數據中會發現阻性電流和有功損耗增加。導致以上現象的原因有：（1）密封不良或組裝過程中進入水分；（2）在運行電壓和環境溫度作用下，電阻閥片內的水分蒸發到閥片外側或瓷套管內壁[2]。

2 氧化鋅避雷器受潮故障實例

2017年10月，通過在線監測儀對110 kV線路避雷器進行監測。該線路型號為YH10W5 108/268 W的A相避雷器，結果顯示該避雷器運行中的全電流數據偏大。通過對比該避雷器歷史帶電測試數據發現，該相避雷器全電流較初始值增大14.3%，阻性電流較初始值增大12.5%，功率因數角φ為81°。另外，兩相數據較其初始值基本無變化。

對該避雷器進行停電試驗，試驗數據如表1所示。

表1 某線路避雷器A相停電數據

該避雷器在直流1 mA下的參考電壓為140.4 kV，而廠家規定值為157 kV，偏差超過±5%，數據不合格；0.75%U1mA電壓下的泄露電流為8 μA，遠小于規程限值50 μA，數據合格；本體絕緣電阻5 200 MΩ，大于規程要求2 500 MΩ，數據合格。由直流1 mA下的參考電壓不合格，即可判斷該避雷器存在的缺陷是由受潮或老化導致。一般情況下，受潮避雷器的阻性電流會嚴重偏高，如表2所示，而本次避雷器的阻性電流并未大幅增加。

表2 某變電站避雷器（Y10W5-204/532 W）帶電測試數據

表2中的避雷器為瓷絕緣外套，一旦受潮，往往會貫穿整個避雷器，整體的功率因數角φ會降低，大幅增加阻性電流。而本次出現缺陷的避雷器為有機復合外套，采用抽真空灌注硅凝膠工藝進行填充芯體與環氧絕緣筒之間的空氣間隙。硅凝膠從下樁頭抽氣孔流入，直至上樁頭抽氣孔流出硅凝膠后，表明整體空隙已被填滿[3]。可推斷，有機復合外套避雷器由于制造工藝的原因，不易出現嚴重的受潮現象，所以阻性電流并未大幅增加，功率因數角φ也接近正常值。因此，該避雷器可能只是出現部分受潮現象[3]。

3 氧化鋅避雷器受潮理論分析

氧化鋅避雷器由氧化鋅閥片疊裝而成，每個閥片可等效為一個電阻和一個電容的并聯，如圖1所示。閥片承受一定的交流電壓時，會流過一個阻性電流分量IR和一個容性電流分量IC，全電流IX為二者的向量和。全電流IX與其阻性分量IR間的夾角為功率因數角φ，φ的余角即為介質損耗角δ，IR=IXcosφ[4]。正常運行情況下，流過避雷器的電流主要為容性電流，阻性電流只占10～20%。出現缺陷時，容性電流變化不大，阻性電流大幅增大。避雷器的運行狀況可通過阻性電流的變化來判斷。規程規定：全電流、阻性電流或功率損耗的測試值與初始值不應有明顯變化；阻性電流增大50%時應分析其原因；阻性電流增大100%時應退出運行。阻性電流的大幅增加，往往是因為功率因數角φ大幅減小所致[5]。

圖1 氧化鋅閥片等效電路圖及向量圖

因避雷器閥片本體電容遠大于其對地電容，為方便計算，忽略閥片對地電容，將避雷器分為上下兩部分，模型簡化如圖2所示。上部分等效電阻和電容分別為C1和R1，下部分等效電容分別為C2和R2。

圖2 避雷器簡化模型

由圖2可得綜合絕緣電阻為：

綜合阻抗為：

由圖1可得：

由式（2）和式（3）可得綜合介損為：

下面按照受潮是否貫穿整個避雷器兩種情況來分析。

（1）受潮貫穿整個避雷器。當受潮貫穿這個避雷器時，可認為每節閥片的絕緣電阻均大幅減小，假設R1=R2=0；每節閥片的電容值大致相等，可假設C1≈C2；每節閥片的介質損耗因數tanδx均較大，可假設 tanδ1=tanδ2=tanδx。因此，總的絕緣電阻 R=R1+R2≈0不合格，總的tanδ=tanδx數值較大，即φ較小。而上述避雷器絕緣電阻合格，功率因數角φ為81°。結果與試驗數據不符，故排除。

（2）受潮未貫穿整個避雷器，且只有少部分閥片受潮。假設上部分為受潮閥片，且僅僅占整體的極少部分，下部分為良好閥片。R1≈0，R2合格；假設C1≈8C2，φ1=60°（tanδ=0.577），φ2=83°（tanδ=0.123），則總的絕緣電阻R=R2合格，總的tanδ=0.162，即φ=80.7°。與上述避雷器試驗數據吻合，假設成立。

4 氧化鋅避雷器解體測試驗證分析

為進一步驗證理論假設，對該避雷器進行解體檢查試驗，發現頂部金屬蓋子的螺絲是松動的，頂部已被氧化，金屬部件有銹跡和白色的粉末，且部分氧化鋅閥片的周邊出現鼓包現象，如圖3所示。

圖3 內部氧化鋅閥片

對閥片進行單個試驗，測得數據如表3所示。

該避雷器共有36個閥片，根據規程35 kV及以上電壓等級的避雷器絕緣電阻不小于2 500 MΩ，分到每個閥片上約是69 MΩ；廠家規定給參考電壓157 kV，分到每個閥片約為4.4 kV。試驗測得頂部五個閥片的絕緣電阻R、U1mA及0.75%U1mA的泄漏電流均不滿足規定，因此頂部五個閥片已受潮損壞，底部閥片狀態良好。

借助試驗變壓器模擬正常情況下的各閥片承受的交流電壓，用避雷器帶電測試儀對單個閥片進行帶電測試，測得頂部損壞閥片的功率因數角為63°，底部未受潮的閥片的功率因數角為83°。對比整個避雷器未解體之前的功率因數角（81°），解體的試驗數據與僅小部分閥片受潮的理論推測完全符合。

表3 單個閥片的停電試驗數據

5 結 論

對于有機復合外套金屬氧化物避雷器，避雷器部分閥片受潮損壞時，由于澆注制造工藝的影響，受潮并未貫穿到底部，大部分底部閥片狀態仍然良好。因此，避雷器整體運行電壓下的阻性泄露電流可能不會出現嚴重增長現象，達不到預試規程判斷的標準，但可以通過觀測運行電壓下的全電流增長趨勢判斷避雷器的運行狀況，從而及時發現異常情況并停電進行檢查。