一起220 kV金屬氧化物避雷器異常發熱故障分析

許家響，張祥帥，范小輝

(國網江蘇省電力有限公司蘇州供電分公司，江蘇 蘇州 215000)

0 引言

金屬氧化物避雷器(metal oxide arrester，MOA)是保護輸變電設備免受過電壓侵害的關鍵設備，當系統遭受雷擊過電壓、工頻暫態過電壓或系統操作過電壓時，MOA內部金屬氧化物閥片將過電壓引入大地[1]。由于輸變電系統MOA內部閥片常采用無間隙串聯方式，因長期承受系統運行電壓，其絕緣能力受到直接影響，嚴重時可導致MOA本體損壞甚至爆炸，造成停電事故。

1 金屬氧化物避雷器特性

1.1 伏安特性

MOA按結構可劃分為兩大類：瓷外套和硅橡膠復合外套，按結構性能可分為無間隙(W)、帶串聯間隙(C)、帶并聯間隙(B)三類，110 kV通常為單節結構，220 kV及以上通常采用兩節及以上串接形式。

MOA的伏安特性如圖1所示，可分為線性區、預擊穿區、擊穿區，正常運行中MOA處于線性區，泄漏電流很小。由于MOA長期在外界環境中運行受到各種因素的影響，導致其密封性下降，水分進入內部而受潮，導致閥片電阻值急劇減小、泄漏電流增大，造成避雷器閥片劣化，甚至炸裂。

圖1 金屬氧化物避雷器伏安特性

1.2 等值電路

MOA的簡化等值電路及主泄漏電流向量關系如圖2所示，由閥片的非線性電阻與閥片的固有電容組成并聯電路，其中分別表示總泄漏電流、全電流阻性分量、全電流容性分量。正常情況下，MOA的泄漏電流呈容性，阻性分量僅占全電流的10 %～20 %[2]。

圖2 MOA簡化等值電路及主泄漏電流向量關系

1.3 MOA帶電檢測技術

MOA閥片的主要成分是ZnO，在長期運行時由于閥片老化、受潮等因素，其絕緣性能逐步劣化，尤其當密封損壞時，劣化速度非常快。為減少事故發生及設備停電檢修次數，MOA運行中必須進行帶電檢測。目前，帶電檢測技術主要有全電流、阻性電流檢測、高頻局放檢測及紅外精確測溫[3]。當串接型避雷器發生劣化時，整體電位分布也將發生畸變，此時不同帶電檢測技術的有效性均難以保證。

下面以一起MOA絕緣早期受潮引起的發熱缺陷為例進行故障診斷分析。

2 故障簡述

2021-09-10，天氣多云，環境溫度25 ℃。運行人員在例行紅外精確測溫時發現某220 kV出線避雷器A相上節整體異常發熱，B、C相無異常，三相避雷器泄漏電流在線監測表計無明顯異常。

測溫結果顯示，A相上、下節溫度分別為41.6 ℃、38.6 ℃；B相上、下節溫度分別為38.4 ℃、38.1 ℃；C相上、下節溫度分別為38.3 ℃、38.1 ℃。根據DL/T 664—2016《帶電設備紅外診斷應用規范》附錄I.1電壓致熱型設備缺陷診斷判據，該避雷器A相上節本體發熱特征為明顯，上節熱點溫度41.6 ℃，與下節的最大溫差為3 ℃，判斷該缺陷屬于嚴重缺陷。而查閱歷史紅外測溫報告均無異常。

3 故障原因分析

3.1 現場帶電試驗

故障避雷器型號為YH10W-204/532W，2010年4月出廠，2011年6月投運，上次停電檢修試驗時間為2018年5月。

接到缺陷匯報后，人員立即到現場開展避雷器帶電測試，測試結果見表1。從帶電測試數據看出，故障相避雷器阻性電流占全電流的比值相較非故障相并不明顯，也符合規程要求。

表1 避雷器帶電測試結果

查閱故障避雷器歷史帶電測試數據(見表2)，故障相避雷器帶電測試數據同樣沒有明顯的劣化趨勢，故障避雷器需要立即進行停電檢修及診斷試驗。

表2 避雷器歷史帶電測試數據

3.2 停電診斷試驗數據

現場申請停電后，現場人員對故障相避雷器進行診斷試驗，包括直流1 mA參考電壓、75 %直流1 mA參考電壓下泄漏電流值及最大運行電壓下的泄漏電流測試。上次A相停電診斷試驗數據見表3，本次A相診斷試驗數據見表4。

表3 上次A相停電診斷試驗數據

表4 本次A相停電診斷試驗數據

由表3、4可知，兩次故障避雷器上節直流試驗數據有明顯異常，直流1 mA電壓相較歷史數據無明顯變化，但75 %直流1 mA電壓下的泄漏電流相較歷史初值增長了61.2 %，超過國家電網公司Q/GDW 1168—2013《輸變電設備狀態檢修試驗規程》要求值。最大運行電壓下交流泄漏電流試驗中，故障避雷器上節的基波阻性電流分量相較下節明顯增大，基波阻性電流占全電流有效值百分比達到32.97 %，也不滿足規程要求，由此推斷故障避雷器上節內部存在受潮缺陷。

4 解體檢查分析

診斷試驗后對故障避雷器進行解體檢查，發現避雷器上節頂部有白色氧化物粉末，判斷為頂部密封不良引起了內部閥片受潮。

根據現場停電診斷試驗情況，220 kV ZnO避雷器單節受潮時，無法依據泄漏電流全電流、阻性分量檢測判斷標準有效發現缺陷。結合解體檢查情況，判斷可能是避雷器投運時間較長，受運行電壓、大氣環境、沖擊過電壓等電熱應力綜合影響，其頂部硅橡膠密封老化產生間隙；此外，故障避雷器地處常年濕度較高并伴有梅雨季強降水的地帶，避雷器上節頂部受潮，在持續運行電壓下上節避雷器泄漏電流阻性分量增大，從而產生發熱現象。

5 結束語

MOA閥片受潮時，劣化速度較快，因此，在帶電測試中發現數據異常時應及時進行多種方式測試，必要時通過停電診斷試驗綜合判斷設備狀況。

當MOA發生受潮時，其受潮單元的電壓承擔率明顯下降，正常單元節的電壓承擔率明顯上升[4]，造成多節串接避雷器部分早期受潮時總的泄漏電流及阻性分量變化不明顯，采用常規帶電測試方式無法有效發現早期受潮缺陷。因此，對同型號、同批次設備應增加紅外精確測溫檢測頻次，發現異常及時進行停電檢修，從而有效預防事故的發生。