220 kV SF6罐式避雷器局部放電異常案例分析及改進提升

王江偉，郭晨瑞，張丕沛，李 杰，汪 鵬

（國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

氧化鋅避雷器是電力系統中重要的過電壓防護設備，利用氧化鋅電阻片在低電壓下呈現高電阻、過電壓下呈現低電阻的非線性伏安特性，將過電壓的能量以大電流的形式通過電阻片迅速釋放，從而起到保護其他設備的作用。氧化鋅避雷器通常為敞開式布置，利用瓷外套或復合絕緣材料外套將避雷器芯組密封在內部，同時起到支撐和外絕緣的作用，但長期運行過程中會受到污穢、雨水等的侵蝕，導致外絕緣劣化或破損，從而使內部電阻片性能下降，甚至發生故障。而用于組合電器的SF6罐式避雷器具有體積小、絕緣性能好、運行可靠性高等優點，同時也能有效保護組合電器設備不受外部過電壓的侵害［1-5］。然而由于密封在金屬殼體內部，無法直接觀察內部電阻芯片、絕緣件、屏蔽罩等的運行狀態，因此需要通過帶電檢測的手段定期巡檢，診斷避雷器的運行狀態，及時發現內部缺陷［6-10］。

文獻［11-15］介紹了幾起敞開式避雷器的故障或異常的診斷處理案例，對避雷器常見缺陷的種類及部位進行了總結，包括瓷外套或復合外套破損導致內部受潮、電阻片質量缺陷引起絕緣劣化擊穿、外套表面污穢閃絡等，然而由于結構形式的不同，罐式避雷器與敞開式避雷器的診斷分析有一定的區別。文獻［16-19］診斷了SF6罐式避雷器出現的各類局部放電異常信號，包括絕緣件內部氣隙放電、電阻片沿面放電、氣室內部殘留金屬異物放電等，并通過特高頻與超聲波等檢測手段對局部放電信號的類型與位置進行了判斷，但都缺少解體檢查及理論計算的驗證過程。

針對一起220 kV SF6罐式避雷器內部產生的異常局部放電，通過現場診斷、返廠檢查、仿真驗證，對產生異常的原因進行分析，并提出針對性的改進措施。

1 異常概況

2021年10月25日，對某新建變電站啟動送電完成后，帶電檢測發現220 kV 組合電器3 號主變壓器間隔避雷器B 相氣室存在異常局部放電信號，且人耳能聽到明顯異常聲響。

該避雷器氣室內結構主要包括閥片芯組、絕緣桿、屏蔽罩、導電桿等，如圖1 所示。其中閥片芯組由75 片圓柱形氧化鋅電阻片串聯而成，從而滿足持續運行電壓和參考電壓設計值的要求。芯組周圍由4根高度相同的絕緣桿固定，以保證電阻片在安裝及運行過程中不發生相對位移。芯組頂部通過屏蔽座、滑塊與導電桿保持電連接，從而使整個芯組位于高電位（導電桿、屏蔽座）與地電位（殼體）之間，起到過電壓保護的作用。芯組與屏蔽座連接部位外部設置有鐘罩形的鋁制屏蔽罩，屏蔽罩表面打磨及倒圓角處理，以獲得較大的曲率半徑及較小的表面電場，避免內部連接螺栓等細小尖端部件引發電暈放電。導電桿穿過盆式絕緣子與相鄰氣室（通常為出線分支氣室或套管氣室）相連，盆式絕緣子為不通型，從而保證避雷器為單獨一個氣室，便于日常運維及日后的檢修、更換等工作。SF6罐式避雷器同樣配備有在線監測儀，用于24 h 監測流過避雷器芯組的阻性電流及全電流大小，從而可以實時掌握避雷器的運行狀況，且在線監測儀布置在殼體外側，僅通過一根饋線伸入氣室內部與芯組底部相連，保證了內部電場分布不受影響的同時，也方便了在線監測儀表的日常巡視、維護和檢修。

圖1 避雷器氣室結構

2 現場檢查情況

2.1 氣體組分檢測

經現場檢查，組合電器設備外觀未見燒蝕、開裂、固定不牢等異常，從而首先排除殼體安裝質量問題，局部放電應存在于氣室內部。利用SF6組分分析儀，對避雷器B 相氣室開展氣體組分檢測，發現該氣室SO2氣體的含量為28.6 μL/L，大于Q/GDW 1168—2013《輸變電設備狀態檢修試驗規程》中規定的注意值1 μL/L，如圖2 所示，從而判定該氣室內部確實存在異常局部放電現象。而對其他相鄰氣室及另外兩相進行的氣體組分檢測未見明顯異常。

圖2 氣體組分檢測結果

2.2 局部放電檢測

采用手持式局部放電檢測儀對該氣室進行超聲波及特高頻局部放電監測，發現該避雷器氣室存在異常特高頻及超聲波信號。其中特高頻信號從盆式絕緣子處采集，其波形呈現典型懸浮電位特征，每個周期兩簇，幅值較高為58 dB 且變化不大，放電次數少，放電相位比較固定，如圖3 所示。超聲波信號從罐體四周采集（豎直方向每隔20 cm 在0°～360°方向采集4 個數據），測點數據如表1 所示。其中最大值為11.7 mV，位于罐體側面的中部偏上位置，具備明顯100 Hz 相關性（即圖4 中頻率成分2），如圖4 所示。特高頻及超聲波信號均呈現明顯的懸浮電位放電特征。

圖3 特高頻檢測圖譜

圖4 超聲波檢測圖譜

表1 超聲波周期最大值測量結果

懸浮電位是指設備內部一部分導體與地電位或高壓電極失去了可靠的電氣連接，這些導體上既沒有運行電壓，也沒有運行電流。然而在設備內部電場作用下，懸浮導體表面會累積形成一部分感應電荷，從而使導體產生懸浮電位，電位值位于地電位與運行電壓之間。懸浮電位通常由于接觸不良引起，因此懸浮導體與高壓電極（或地電位）間一般存在微小間隙，當感應電荷積累到一定程度，使微小間隙內的局部場強超過設備絕緣可以耐受的場強值時，就會發生間隙擊穿，引發懸浮電位放電。放電產生的脈沖電流會激發一定幅值的特高頻信號與超聲波信號，可以采用相應的傳感器在盆式絕緣子或殼體表面對這些信號進行捕捉采集，從而實現了局部放電帶電檢測。懸浮電位的形成與電壓的正負極性無關，從而在工頻周期的正負半軸都會產生放電信號，且具有一定的對稱性，抑或稱之為具有100 Hz的頻率成分，從而呈現出圖3和圖4中所測得的信號圖譜特征。

2.3 開蓋檢查

為初步檢查局部放電發生的嚴重程度及原因，在變電站現場打開異常避雷器氣室頂蓋板，發現屏蔽座與導電桿存在偏心現象（正常應為對中狀態），盆式絕緣子、殼體四周等其他部位未見明顯放電痕跡，如圖5 所示。由于視線遮擋，無法觀察電阻片芯組及絕緣桿的具體狀況，因此需要將局部放電異常的避雷器氣室返回設備廠內做進一步拆解，從而對產生局部放電的原因進行分析。

圖5 導電桿偏心

3 返廠檢查情況

為進一步分析異常原因，將異常避雷器氣室密封充氣后返回制造廠內，進行局部放電試驗以及逐件解體檢查工作。

3.1 局部放電試驗

將異常避雷器氣室對接到廠內耐壓局部放電試驗裝置上，逐步升高試驗電壓。加壓至58.8 kV 時出現局部放電信號，加壓至60 kV 時測得放電量超過20 000 pC，一個周期內存在兩簇放電信號且對稱，放電幅值高、次數低，呈懸浮放電特征，局部放電橢圓相位如圖6 所示。圖6 中一個圓周與一個工頻周期內的0°～360°相對應，能夠判斷該氣室內存在嚴重局部放電。

圖6 60 kV下的局部放電圖譜

3.2 芯組垂直度檢查

上方導電桿與盆式絕緣子中心嵌件相連接，結構簡單，便于安裝，大概率不會出現傾斜，因此主要懷疑為芯組傾斜導致了屏蔽座與導電桿的偏心現象。

局部放電試驗結束后，打開氣室頂蓋，測量芯組四個方向的垂直度，如圖7所示。測量結果如表2所示，芯組垂直度最大偏差值為3.2 mm。

表2 垂直度測量結果 單位：mm

圖7 芯組垂直度測量

按照廠內罐式避雷器裝配工藝流程，芯組由若干閥片串聯，固定在4 根絕緣桿內，連接緊固均壓屏蔽罩、屏蔽座后，再把緊固在盆式絕緣子中心導體上的導電桿插入屏蔽座內孔。若芯組垂直度偏差過大，則無法保證導電桿和芯組的同軸度，因此初步分析導電桿偏心為芯組垂直度偏差較大所致。

3.3 各組件檢查

對避雷器氣室進行逐件解體檢查。發現插入屏蔽座內孔的導電桿底部與芯組過渡滑塊的接觸面存在放電痕跡，如圖8 所示。罐體內壁和屏蔽罩表面光滑無磨損，電阻片芯組和絕緣桿表面無爬電痕跡、裂紋等缺陷，屏蔽罩緊固螺栓、盆式絕緣子與導體連接處等部位也未見異常松動、脫落現象，從而可以判定產生局部放電的位置為導電桿底部與屏蔽座滑塊之間，這與超聲波局部放電信號最大值出現的位置相符。

圖8 導電桿與滑塊放電點

正常情況下，導電桿與滑塊應為緊密接觸，從而確保兩者的電氣連接，即導電桿、滑塊、屏蔽罩均為運行電壓。導電桿與滑塊的接觸面存在放電痕跡，且現場測得的信號特征為懸浮類型的放電，從而可以判斷導電桿與滑塊在運行過程中產生了間隙，使兩者之間失去了電氣連接，滑塊、屏蔽罩成為懸浮定位，從而引發了避雷器氣室內部的局部放電異常。

4 原因分析及驗證

4.1 局部放電原因

結合現場檢查與返廠檢查結果，插入屏蔽座內孔的導電桿位置存在偏心，與導電桿接觸的芯組過渡滑塊傾斜，導電桿與滑塊形成小間隙，產生懸浮電位，導致小間隙放電，如圖9 所示。在屏蔽座、罐體內壁的音響效應下，避雷器發出異常聲響。

圖9 滑塊傾斜出現小間隙

4.2 仿真驗證

為驗證芯組垂直度存在偏差時，導電桿與滑塊產生的間隙是否會產生局部放電，進一步建立避雷器氣室的三維仿真模型，模型中各組部件的形狀尺寸與實際相同，避雷器芯組的垂直度偏差值同樣按照返廠檢查測得的3.2 mm 進行設置。同時，由于仿真模型的建立旨在分析導電桿與滑塊間電場分布情況，因此可以忽略盆式絕緣子、橫向導電桿、壓力釋放裝置以及細小的螺栓等部件。

利用有限元仿真軟件建立的避雷器氣室三維電場仿真模型如圖10 所示。避雷器正常運行時，流過芯組、絕緣桿等電介質的泄漏電流可忽略不計，因此整個避雷器氣室可以視為靜電場進行分析計算，即各個部件內部僅存在電子極化過程，而不形成傳導電流。在靜電場中，各個物體間的電場、電位等分布只與介電常數相關，因此只需要對各部件的介電常數進行賦值。同時為簡化計算過程，認為各部件的相對介電常數值為常數，且具有各向同性，具體賦值如表3所示。

圖10 避雷器氣室仿真模型

表3 各組件的相對介電常數值

參數賦值后須進一步對各部件劃分有限元網格，從而將用于電場計算的非線性麥克斯韋方程組，轉化為各個網格節點上離散差分線性方程組的形式，便于計算機軟件生成相關矩陣進行求解。網格尺寸大小是影響求解結果準確度的關鍵因素，由于相鄰兩節點間的電場強度等計算結果會以線性差值的方式給出，因此網格太大會使得計算結果失準，而太小的網格勢必會增大計算矩陣的維數，從而拖慢計算過程。選擇性、針對性地設置網格大小可以既保證良好的計算精度，又獲得較快的計算速度。對殼體、屏蔽罩等表面光滑、場強分布較為均勻的部位，可以設置為大網格；對絕緣桿表面、導電桿與滑塊的間隙等電場不均勻、重點關注的部位，須設置為精細網格，從而更為準確地獲得電場分布情況。各個部件網格大小設置如表4所示。

表4 各組件的網格大小設置 單位：mm

網格劃分結束后，只需要再對相關邊界條件進行設置，便可進行仿真計算。此避雷器氣室模型中共涉及兩類邊界條件，狄利克雷邊界條件和交界面邊界條件。

狄利克雷邊界條件又稱為第一類邊界條件，當某個物體表面所有點的電位一致時適用，一般對處于高壓端或地電位的金屬部件賦予此類邊界條件，懸浮電位的電位雖然未知，但其表面電位處處相同，也需要賦予狄利克雷邊界條件。

交界面邊界條件又稱為連續性邊界條件，即在兩個電介質物體的交界面上，滿足交界面兩側的電位值相等，且電場切向分量也相等。在有限元分析軟件建立三維模型并進行網格劃分后，軟件自動對各交界面設置相應的連續性邊界條件，因此此模型不需要單獨賦予此類邊界條件。

對導電桿施加運行相電壓140 kV，殼體設置為地電位，導電桿與滑塊及屏蔽罩間已形成間隙，不存在電氣連接，因此將滑塊及屏蔽罩設置為懸浮電位。根據以上參數設置，仿真得到的導電桿與滑塊間隙處的場強最大值為30.431 7 kV/mm，如圖11所示。

圖11 電場強度仿真計算結果

而正常SF6氣體間隙的工程擊穿場強為

式中：Ebt為擊穿場強；p為SF6的氣體壓力［20］。該避雷器氣室的額定氣壓為0.40 MPa，則其在額定氣壓下的內部場強允許值為21.238 kV/mm，而導電桿與滑塊間隙處的場強超出了這一允許值，因此會導致兩者間的局部擊穿放電，從而驗證了上文中對局部放電異常原因的分析。

5 結語

介紹了一起220 kV SF6罐式避雷器局部放電異常的案例，通過解體檢查，判斷局部放電原因為芯組垂直度偏差較大，導致導電桿與屏蔽座位置存在偏心且產生小間隙，使屏蔽座形成懸浮電位進而產生局部放電。按照實際尺寸以及垂直度實際測量結果進行的避雷器氣室電場仿真計算也驗證了原因分析的正確性。

為避免此類異常再次出現，建議設備生產廠家嚴格控制和審核產品工藝流程，制定詳細工藝標準卡，保證裝配過程滿足工藝要求，尤其是要加強裝配過程中避雷器氣室芯組垂直度的管控，保證垂直度偏差不大于2 mm，同時做好記錄及復查，確保裝配正確，提高設備質量。