10 kV 配電線路避雷器大面積故障原因分析

馬永福，包正紅，王生杰，楊洪易，曲全磊

（國網青海省電力公司電力科學研究院，青海 西寧 810008）

0 引言

電力系統在運行過程中，主設備易受各類內部過電壓或大氣過電壓侵害，為減少此類故障，必須在系統中安裝避雷器以保護主設備安全。金屬氧化物避雷器（metal oxide arrester，MOA）以其優(yōu)異的非線性伏安特性逐步成為電力系統重要的保護設備，它具有保護特性好、通流容量大、耐污性能好等特點[1-2]。但是由于避雷器長期承受工頻運行電壓，加上設備本身組部件質量、制造工藝、外部環(huán)境等的影響，易發(fā)生異常發(fā)熱或者爆炸事故，因此須科學認識、科學判斷、科學防范[3-5]。

本文針對某地區(qū)10 kV 配電避雷器大面積故障現象，通過多種手段進行原因分析，發(fā)現炸裂的10 kV 配電避雷器主要集中在某避雷器廠家生產的同一型號產品中，將拆解的該廠家同型號的3 支故障相和2 支正常相金屬氧化物避雷器在實驗室進行了一系列檢測分析，得出了原因分析結果并針對性提出了防范措施。

1 故障概況

故障避雷器分布在35 kV 某變電站所帶10 kV配電線路上，雷雨季節(jié)避雷器故障情況比較普遍，站內異常或故障記錄無法與故障相避雷器對應，本次抽取的5 支避雷器均無準確保護動作或故障錄波信息。雷電定位系統顯示，2020 年全年以該變電站為圓心半徑10 km 范圍內共有516 次落雷。

經查該工程避雷器設備現場安裝完成后曾開展過交接試驗，試驗項目包括絕緣電阻測試、直流1 mA 參考電壓測試和0.75 倍直流1 mA 參考電壓下的泄漏電流測試，試驗結果全部合格。

2 故障原因分析

對3 支故障相避雷器（1 號、2 號、3 號）開展了解體檢查，作為比對，對2 支正常相避雷器（4 號、5 號）進行了試驗檢測和解體檢查，分析避雷器大面積故障原因。

2.1 銘牌信息不完整

經檢查3 支故障相避雷器和2 支正常相避雷器的銘牌信息，發(fā)現其中4 支避雷器有出廠日期但無出廠編號，剩余1 支避雷器有出廠編號但無出廠日期，銘牌上的其余信息相對完整。

銘牌是運檢人員了解設備基本信息的重要依據，5 支避雷器中出廠日期或出廠編號的缺失，將直接影響設備出廠和運行年限計算以及質量調查追溯等，不利于設備集中缺陷的管理和整治。

2.2 閥片全部為碎片

1 號故障避雷器解體情況如圖1 所示，發(fā)現兩電極之間共有6 片閥片，表面均有燒損痕跡，部分閥片表面泛有白色粉末。6 片閥片除上下表面較平整外其他面均呈不規(guī)則形狀，無統一尺寸和排布方式，閥片厚度（上下平整面間高度）共有4 種：1片約為18 mm，1 片約為20 mm，2 片約為23 mm，2 片約為25 mm，如圖2 所示；其中3 片外邊沿呈較規(guī)則的外圓弧狀，如圖3 所示，表明此閥片來源于完整的圓餅型或圓環(huán)形閥片的外圓部分。其余2支故障相避雷器同樣存在此類問題。

圖1 1 號避雷器解體檢查情況

圖2 閥片碎塊高度不一致

圖3 部分碎塊外邊沿呈圓弧狀

對5 號正常避雷器在完好的前提下進行了解體，解體過程未對避雷器造成破壞，解體后情況如圖4所示。發(fā)現其內部共有5 片閥片和3 片金屬墊片，閥片除上下表面較平整外均呈不規(guī)則碎片形狀，閥片形狀與其他避雷器相似，其中3 片厚度約為22 mm，1 片約為20 mm，1 片約為17 mm。3 片外邊沿呈較規(guī)則的外圓弧狀，表明此閥片來源于完整的圓餅型或圓環(huán)形閥片的外圓部分；2 片內邊沿呈較規(guī)則的內圓弧狀，表明此閥片來源于完整的圓環(huán)形閥片的內圓部分。

圖4 5 號避雷器解體檢查情況

常規(guī)金屬氧化物避雷器閥片形狀應為規(guī)則的圓餅、圓環(huán)或圓柱狀，其直徑和厚度設計嚴格與壓比（殘壓/參考電壓）、電位梯度、通流能力以及原材料、燒制工藝等相關，且閥片芯組組裝前須逐片進行工頻、直流、大電流沖擊和方波等全套檢測試驗，全部合格后方可壓緊組裝使用。

從上述避雷器解體情況可以發(fā)現該避雷器閥片為非常規(guī)閥片，同型號避雷器內部閥片數量及金屬墊片數量不一致，閥片形狀不統一、不規(guī)則，厚度、外邊沿圓弧等尺寸不一致，判斷該避雷器閥片芯組由不同規(guī)格、不同電氣參數的常規(guī)閥片殘碎片拼組而成，而非經過嚴格試驗檢驗的10 kV 標準閥片，且從故障相與正常相的比對分析中可以看出這是產品出廠時的本身狀態(tài)，并非故障造成。此類閥片自身電氣性能無法滿足要求，加上閥片間接觸面積不一致，使得避雷器產品較常規(guī)產品承受過電壓能力和通流能力低、穩(wěn)定性差，極易在線路過電壓時出現擊穿故障。

2.3 復合外套密封不良

對3 號故障避雷器解體檢查，在取下兩電極處金屬蓋板后，發(fā)現復合外套與電極柱其中一端密封良好，如圖5 所示；另一端復合外套未澆注密封，電極和隔弧筒間僅靠少量密封膠密封，但密封膠不足以起到密封保護作用，電極和隔弧筒間存在縫隙，導致電極外表面嚴重生銹，如圖6 所示。從解體情況可以看出，電極一端密封不良并非由故障造成，而是生產階段澆注不到位。

圖5 一端密封良好

圖6 對端無密封

復合外套在隔弧筒其中一側未澆注密封，電極塊螺紋表面嚴重生銹的現象表明即使涂有密封膠，潮氣仍可以通過螺紋間隙進入到隔弧筒內，潮氣附著在運行狀態(tài)下的閥片芯組表面會導致芯組泄漏電流增大、阻性分量偏高，并伴隨嚴重發(fā)熱，長期運行會造成隔弧筒內溫度升高、筒壁燒融爆破，導致避雷器運行質量逐步下降。

對4 號避雷器檢查時發(fā)現其中一側電極端部存在復合外套厚度不均的情況，用千分尺測量最厚處厚度為4.985 mm，最薄處厚度僅為0.275 mm，如圖7 所示，從圖中也可以看到外套中心電極柱穿孔并非為標準圓形，表明此處的密封狀況也較差。

圖7 復合外套厚度不均

復合外套的主要成分是硅橡膠，其厚度不均是由于硅橡膠在生產環(huán)節(jié)硫化時工藝控制不良偏心造成，常規(guī)10 kV 避雷器復合外套厚度為3～5 mm 且厚度均勻，過薄的硅橡膠耐老化性能差、易破裂，極易造成潮氣進入并吸附在絕緣筒表面導致受潮故障，同時也可能對設備外絕緣造成影響，是影響產品質量的另一重要因素。

2.4 常規(guī)試驗合格但特殊試驗不合格

對5 號正常避雷器開展了直流電壓相關試驗，試驗結果如表1 所示。

表1 常規(guī)試驗結果

為判斷其承受過電流能力，對4 號正常避雷器進行大電流沖擊試驗，發(fā)現避雷器在試驗沖擊電流遠低于標準規(guī)定值的情況下發(fā)生擊穿碎裂，試驗不合格，試驗結果如表2 所示。

表2 特殊試驗結果

3 建議

在避雷器設備尤其是配網避雷器招標采購過程中，應明確供貨方資質及招標技術規(guī)范要求，盡量選擇生產工藝成熟、供貨業(yè)績較好的供貨方，警惕價格明顯低于市場價的產品。

配網避雷器在到貨驗收時，各建管單位和運維單位應嚴格按照“五通”或本單位其他驗收規(guī)范，逐設備逐項目進行規(guī)范驗收，留存設備出廠試驗報告等關鍵資料，確保設備驗收合格率。

利用省級物資質量檢測中心避雷器試驗平臺及試驗能力，開展10 kV 避雷器常規(guī)交直流試驗、大電流沖擊試驗、密封試驗等全套等抽檢工作，杜絕不合格產品掛網運行。

在設備安裝完成之后投運之前，應嚴格按照GB 50150—2016《電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》[6]等技術規(guī)范開展現場交接試驗，規(guī)范出具試驗報告并按公司要求存檔，做到每一臺設備在生產→運輸→驗收→交接試驗→投運的全過程資料管理。

設備投運后，應加強巡視和記錄，尤其在雷雨季節(jié)時建議結合紅外成像技術進行巡視，如有異常發(fā)熱等現象時應及時停電更換，避免電網故障擴大。

4 結束語

由于廠家生產的避雷器產品銘牌信息及閥片生產檢驗信息不全，無法追溯產品質量管控細節(jié)，不符合電網設備出廠要求。

避雷器核心部件所用閥片為形狀、尺寸均不統一的不規(guī)則碎閥片，部分碎片邊沿有外圓弧狀或內圓弧狀，明顯為其他不同電壓等級、不同形狀完整閥片碎裂后收集、拼接而成，此類閥片及芯組壓比性能差、方波沖擊和大電流沖擊耐受能力低，加上形狀不規(guī)則造成的芯組閥片間接觸面積不一致、通流通道極小，會導致避雷器整體電氣參數不滿足要求，極易在受到大電流沖擊時發(fā)生擊穿崩潰。

該避雷器復合外套澆注工藝控制不良，存在硫化偏心現象，電極柱處密封情況較普遍較差，極易引起避雷器在戶外環(huán)境下長期運行時芯組受潮異常發(fā)熱甚至熱崩潰現象。

閥片碎片組成的芯組可以通過直流電壓試驗但無法通過大電流沖擊耐壓試驗，可以解釋現場安裝后交接試驗時直流試驗合格的現象，實際產品電氣性能不符合要求，不能承受過電壓侵襲。

綜上所述，此次配電線路避雷器大面積故障的原因是：廠家生產工藝不嚴謹、產品質量不合格，產品未經嚴格試驗檢測后流入市場，交接試驗合格但特殊試驗無法通過，投運后在雷電流和過電壓沖擊、內部受潮等因素綜合影響下發(fā)生擊穿故障。