10kV避雷器失效原因分析及建議措施

賀吉昌

（中廣核陸豐核電有限公司，廣東汕尾516600）

1 工程概述

某220kV開關站正常運行期間，運行人員發現繼保室出現報警，主變低壓側保護動作跳開主變進線開關及聯跳主變高壓側開關。經檢查故障錄波波形發現10kVⅠ段母線C相有放電閃絡約400A的電流持續70ms后，A、B、C發生三相短路故障。現場人員進入配電室檢查，確定10kVⅠ段母線有短路故障造成開關保護動作跳閘，Ⅰ段母線PT柜后室內有明顯的放電痕跡，PT柜內C相避雷器已損壞，A、B兩相避雷器外絕緣正常，未發現開裂變形痕跡，本體無損壞現象。

2 事件原因分析

2.1 根據故障錄波器波形進行事件過程分析

事件發生后，調取事故過程中的故障波形進行分析，該事故過程中10kV電壓電流波形如圖1所示。

根據故障波形圖，判斷故障發生時序如下：

1）故障自00:59:31左右開始，至變壓器保護動作跳開變壓器高低壓側斷路器結束，持續時間約1.5s；

2）故障前160ms電壓、電流二次值數據：UA=61.241 7V、UB=60.168 19V、UC=61.466 23V、IA=0.000 26A、IB=0.000 41A、IC=0.000 47A。此時，三相電壓基本平衡、電流基本為0A，設備正常運行。

3）故障開始時電壓、電流二次值數據：UA=86.783 69V、UB=87.993 15V、UC=21.331 93V、IA=0.000 41A、IB=0.000 96A、IC=0.107 85A。此時，C相電壓明顯降低，同時A/B兩相電壓升高，因此，分析出此時C相出現接地故障。

4）故障發展為三相短路時的電壓、電流二次數據：UA=2.921 00V、UB=3.12702V、UC=5.17871V、IA=5.10376A、IB=5.56128A、IC=4.862 27A。此時，三相電壓很低，電流約為額定電流7～8倍，且三相基本平衡，折算一次電流大約在12 000～13 000A，此時，已發展為三相接地短路故障。

圖1 故障過程中電壓電流波形圖

5）事故大約在00:59:33.0801時變壓器保護過流二段動作，變壓器高低壓側斷路器跳開，故障切除。

2.2 事件可能原因分析

經與廠家及現場技術人員討論分析，認為造成此次事故的可能原因有：

1）基于C相避雷器絕緣外殼出現破裂的現象，推測由于避雷器安裝后在長期不運行，潮濕水汽經由硅橡膠層滲透到內部。而在投運前，避雷器沒有經過泄漏電流試驗就送電。在送電后，由于避雷器內部泄漏電流過大，發熱開裂，導致避雷器絕緣破壞，避雷器連接導體經由受破壞的避雷器外表對地放電，最終發展形成柜內的三相弧光短路。

2）在對避雷器進行檢查的過程，發現其他未發生故障柜內元器件上有明顯積灰塵現象，在設備長期不運行的過程中，避雷器外絕緣層由于灰塵和潮濕的作用，外絕緣層絕緣較低，在送電后避雷器外表層出現對地閃烙放電現象，進一步演變避雷器外殼破裂并導致柜內相間的弧光短路。

3）技術人員現場檢查時，發現柜體后門板下沿邊的緊固螺絲沒有鎖上，存在5個螺孔，因此，不排除有體積較小的動物（如壁虎）進入柜內，從而引起相間絕緣隔離縮短，造成相間弧光短路。

為了對損壞的C相避雷器做進一步分析，將損壞的避雷器以及現場更換下來的試驗不合格避雷器，送至避雷器廠家進行解體測試和分析。

2.3 C相避雷器根本原因分析

避雷器廠家將現場更換下來的24支避雷器進行檢測，除C相爆炸的避雷器已嚴重損壞，內部存在短路無法進行測試，其相鄰的A、B相2支及其他更換下來的21支同型號同批次的避雷器均符合U1mA≥24kV，0.75U1mA參考電壓下的泄漏電流≤15μA的電氣性能要求，各項測試結果均滿足GB 11032—2016《金屬氧化鋅避雷器》要求，表明避雷器的質量問題可以排除。

將C相避雷器硅膠面進行解剖，發現其內部芯體表面絕緣層已經損壞，避雷器內部電阻片上有1條明顯的放電通道，如圖2所示，因此，可以推斷該避雷器電阻片表面應有大電流通過。

根據廠家對C相避雷器解體測試和分析，推斷出造成可能該避雷器損壞的因素：

1）過電壓：系統操作過電壓超出避雷器額定值或現場工頻耐壓實驗通電前存在工頻過電壓風險，導致避雷器經受過電壓后，其內部電阻片出現加速老化。

2）過電流：操作波電流在400A及以上時，次數達到20次時，避雷器電阻片將出現老化現象。廠家在內部破壞性抽驗中，在400A時耐受沖擊18次，耐受后的避雷器電阻片均不能正常使用。

3）機械外力或安裝導致：設備在安裝過程中，可能出現過程摔落或安裝緊固時過于松動的現象，這樣將導致避雷器因接觸不良而出現間隙放電現象，可能導致避雷器本體受損，長時間的工頻耐受電壓，導致電阻片受損。

4）運行環境影響：該項目靠近沿海，空氣鹽分及空氣濕度較大，容易受潮。由于硅橡膠本身具有一定的憎水性，但同時也具有透氣性，短期內水分是不能進入避雷器內部芯體表面，當避雷器長期處于潮濕的環境中，有可能外界潮氣入侵避雷器內部芯體，當內、外濕度達到平衡時，潮氣無法排出，在此情況下避雷器通電運行很可能發生閃絡，擊穿事故。

由此廠家認為該避雷器損壞的根本原因為避雷器受污穢、潮濕等運行環境因素影響導致絕緣閃絡，造成避雷器的損壞。

圖2 C相避雷器內部電阻片放電通道圖

3 結論

綜合以上分析，廠家認為避雷器電氣性能是滿足相關法規要求，不存在質量問題。避雷器在系統過電壓、過電流、外力受損或安裝接觸不良、運行環境較差（污穢與潮濕）等不利因素作用下，使避雷器投運前已處于一種受損狀態。隨后在超過避雷器耐受電壓，內部短路，溫度驟增的情況下，產生高溫電弧破壞避雷器芯體及電阻片外絕緣層，引起避雷器電阻片側面閃絡，大量的熱量使氣體急劇膨脹，巨大的能量來不及釋放，促使其內部結構遭到破壞，引起避雷器損壞。

4 防止避雷器損壞的建議

為了有效預防此類事件的再次發生，因此，從工程建設及運維方面制訂了相應的檢查措施，相關的建議行動如下：

1）對于現場已安裝運行的同一批次其他避雷器，日常檢測其運行的全電流狀況。停盤檢修時對避雷器進行清潔檢查處理，條件允許時拆下來進行泄漏電流以及直流電壓值檢測，消除設備外沿面放電的隱患。

2）若設備較長時間停運未運行，在計劃送電運行前，先打開柜門進行換氣排潮處理。同時檢查柜內或配電室內的通風系統，確保運行環境干燥。對于較潮濕的環境下，避雷器安裝前、后及送電投運前應進行檢測試驗。