李浩良， 潘劍南， 蘇全， 劉子釗

(廣州粵能電力科技開發(fā)有限公司， 廣東 廣州510075)

0 引言

金屬氧化物避雷器是電力系統(tǒng)中重要的過電壓保護(hù)設(shè)備。 在正常運(yùn)行電壓下， 金屬氧化物電阻閥片呈高電阻狀態(tài)， 流過閥片的泄漏電流僅為微安級。 當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)雷電過電壓或者操作過電壓時， 電阻閥片呈低電阻狀態(tài)， 限制過電壓幅值并將過電壓能量向大地釋放， 保護(hù)電力設(shè)備。 在能量釋放后，電阻閥片又自行恢復(fù)到高電阻狀態(tài)， 繼續(xù)對電力系統(tǒng)提供可靠保護(hù)。 金屬氧化物避雷器能否可靠運(yùn)行直接影響電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性[1-3]。

受大氣污染的影響， 自然污穢物和工業(yè)污穢物會在避雷器絕緣瓷套表面沉積形成污穢層， 在霧汽、 凝露、 下雨等潮濕氣象條件下容易發(fā)生污閃現(xiàn)象， 嚴(yán)重時會導(dǎo)致避雷器絕緣擊穿， 引起接地故障， 造成大面積停電事故。 為了防止污閃事故發(fā)生， 保證避雷器安全運(yùn)行， 必須清潔避雷器外瓷套的污穢。 帶電水沖洗作為防止污閃的有效措施， 是指在設(shè)備不停電的情況下， 通過凈化處理裝置使水的電阻率達(dá)到1×105Ω·cm 以上， 然后利用車載水泵對水進(jìn)行高壓控制， 再輸入水槍中， 由沖洗人員操作水槍對設(shè)備瓷瓶污穢進(jìn)行清洗， 以達(dá)到降低設(shè)備瓷瓶鹽密值的目的。

正常情況下， 帶電水沖洗作業(yè)不會影響密封良好的避雷器正常運(yùn)行， 但受避雷器制造和組裝工藝影響， 避雷器可能留下隱蔽的密封不良隱患， 在特定的條件下(如帶電水沖洗)， 可能觸發(fā)避雷器發(fā)生爆炸故障。

本文針對一起金屬氧化物避雷器在帶電水沖洗后發(fā)生的爆炸故障， 進(jìn)行了避雷器解體和分析， 并針對性地提出了防范措施， 確保避雷器安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 故障概況

220 kV LZ 變電站內(nèi)設(shè)備使用四槍組合沖洗法進(jìn)行帶電水沖洗作業(yè)， 即兩槍為主， 兩槍為輔， 分別在瓷套四側(cè)由下往上沖洗的方法。 四槍以90°站位進(jìn)行沖洗， 180°站位的兩主槍將污穢沖起， 另兩輔槍緊跟在主槍下部將污穢及時沖走， 避免形成污水連線[4]。 在2 號主變變高避雷器完成水沖洗3 min后， C 相避雷器發(fā)生爆炸故障， 2 號主變跳閘。

爆炸發(fā)生后， 對C 相避雷器進(jìn)行外觀檢查的情況如下:

1) 避雷器上下兩節(jié)瓷套傘裙邊緣有一條被高溫氣流燒灼的痕跡。

2) 避雷器與放電計數(shù)器的連接導(dǎo)線燒灼斷裂。

3) 避雷器下節(jié)頂部及上節(jié)頂部壓力釋放裝置都已動作， 壓力釋放噴口擋板都已噴開散落在地面。

4) 避雷器頂端蓋板被內(nèi)部強(qiáng)大的氣流沖開，形成一個裂口， 頂端蓋板上一顆均壓環(huán)的緊固螺栓脫落， 如圖1 所示。

圖1 爆炸避雷器高壓端

2 爆炸原因分析

2 號主變變高避雷器是220 kV 無間隙金屬氧化物避雷器， 于2003 年9 月投運(yùn)， 運(yùn)行時間為16年4 個月， 其基本技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 避雷器參數(shù)

爆炸故障發(fā)生前， C 相避雷器剛剛進(jìn)行了帶電水沖洗作業(yè)， 并且在220 kV 的電網(wǎng)運(yùn)行， 分析其爆炸的原因可能有: 操作過電壓； 雷電過電壓； 瓷套表面污閃放電； 電阻閥片故障[5-7]。

2.1 操作過電壓

避雷器爆炸發(fā)生前， 變電站內(nèi)220 kV 和110 kV電力系統(tǒng)沒有進(jìn)行任何操作， 故障錄波也沒有顯示存在操作過電壓， 排除操作過電壓的原因。

2.2 雷電過電壓

避雷器爆炸當(dāng)天該地區(qū)天氣晴朗， 雷電定位系統(tǒng)沒有記錄到雷電活動， 該變電站和相連的變電站以及線路上空不存在雷擊的情況， 因此排除雷電過電壓的原因。

2.3 瓷套表面污閃放電

避雷器瓷套表面的污穢物在潮濕條件下會發(fā)生污閃放電， 嚴(yán)重時會導(dǎo)致避雷器爆炸。 C 相避雷器完成帶電水沖洗作業(yè)后， 瓷套表面光潔明亮， 無殘留污跡、 污垢， 也沒有出現(xiàn)污水滴落、 局部起弧現(xiàn)象， 可排除瓷套表面污閃放電的原因。

2.4 運(yùn)維情況分析

近年2 號主變變高避雷器組運(yùn)行電壓下的交流泄漏電流試驗數(shù)據(jù)見表2， 三相避雷器的全電流及阻性電流逐年變化不大， 阻性電流沒有顯著增加，且相間電流平衡， 符合標(biāo)準(zhǔn)要求。 三相避雷器運(yùn)行狀態(tài)下的紅外熱成像圖譜顯示避雷器各部位溫度正常， 沒有局部過熱點[8-11]。 另外， 近一年來該組避雷器并未發(fā)生動作。

表2 避雷器運(yùn)行電壓下的交流泄漏電流試驗結(jié)果 mA

2.5 驗證性試驗

為了驗證帶電水沖洗是否對其他避雷器的電氣性能造成影響， 對2 號主變變高A 相避雷器上下節(jié)分別進(jìn)行直流1 mA 參考電壓(U1mA) 及0.75 U1mA下的泄漏電流試驗， 試驗結(jié)果見表3。 由表3可知， A 相避雷器直流1mA 參考電壓及泄漏電流均在規(guī)定范圍內(nèi)， 試驗結(jié)果合格[12-14]。 試驗結(jié)果表明， A 相避雷器電氣性能良好， 現(xiàn)場的帶電水沖洗作業(yè)沒有對密封性能良好的避雷器造成影響。

表3 A 相避雷器直流參考電壓及泄漏電流試驗結(jié)果

3 解體情況

上述運(yùn)維情況及A 相避雷器試驗結(jié)果表明，該組避雷器日常運(yùn)行的電氣性能正常。 初步分析避雷器發(fā)生爆炸的原因是金屬氧化物電阻閥片故障，并且具有突發(fā)性。 為了進(jìn)一步查明C 相避雷器爆炸原因， 對避雷器進(jìn)行解體， 檢查內(nèi)部各元件狀況。

3.1 完好避雷器解體

為了解該型號避雷器壓力釋放裝置的結(jié)構(gòu)， 與爆炸避雷器設(shè)置對照組， 首先對電氣性能良好的A相避雷器上節(jié)頂部防爆閥進(jìn)行解體。 壓力釋放裝置結(jié)構(gòu)主要由4 個部分組成， 從上到下依次是鋼壓環(huán)、 環(huán)氧玻璃纖維防爆膜、 金屬導(dǎo)電板和密封膠圈， 如圖2 所示。 從解體情況可知， 完好的導(dǎo)電板表面平整光滑； 密封膠圈壓緊， 沒有變形、 裂紋等缺陷。 拆出其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查， 金屬氧化物電阻閥片柱表面及瓷套內(nèi)表面都干燥， 無進(jìn)水或者受潮跡象[15-17]。

圖2 A 相避雷器上節(jié)頂部壓力釋放裝置

3.2 爆炸避雷器解體

對C 相避雷器上節(jié)頂部壓力釋放裝置進(jìn)行解體， 情況如下: 1) 導(dǎo)電板中間被氣流沖破形成大孔， 導(dǎo)電板剩余部分平整光滑。 2) 密封膠圈各圓周位置壓緊， 沒有明顯松動、 拱起、 壓接不到位的情況。 膠圈具有較好彈性， 無變形、 裂紋或者褶皺等缺陷。

再對C 相避雷器下節(jié)頂部壓力釋放裝置進(jìn)行解體， 情況如下: 1) 導(dǎo)電板中間被氣流沖破形成大孔， 而且金屬導(dǎo)電板表面不平整， 有一處貫通了整個密封面的褶皺， 如圖3 所示。 2) 密封膠圈在壓環(huán)的開口位置沒有壓緊， 有松動和拱起的情況。膠圈表面有一道貫通痕跡， 在貫通痕跡上有一處凹陷變形， 如圖4 所示。 3) 在貫通痕跡旁邊發(fā)現(xiàn)了水的侵入痕跡， 呈灰白色片狀和線狀分布。

圖3 導(dǎo)電板褶皺

圖4 密封膠圈的凹陷變形

3.3 解體情況分析

對比三個解體的壓力釋放裝置， 只有C 相避雷器下節(jié)頂部壓力釋放裝置的導(dǎo)電板存在褶皺缺陷， 并且密封膠圈有凹陷變形。 這是因為避雷器的密封膠圈在壓環(huán)的開口位置沒有壓緊， 膠圈受力不均勻， 導(dǎo)致緊壓在密封膠圈上面的金屬導(dǎo)電板被擠壓拱起褶皺， 褶皺擠壓密封膠圈形成凹陷變形。 由于導(dǎo)電板位于防爆膜和密封膠圈之間， 防爆膜與導(dǎo)電板的密封界面、 導(dǎo)電板與密封膠圈的密封界面在褶皺位置就會形成間隙， 造成密封不良隱患。 該隱患是造成220 kV 2 號主變變高C 相避雷器爆炸的根本原因。

從運(yùn)維情況來看， 該隱患不影響正常運(yùn)行條件下避雷器的密封性能。 因為在日常運(yùn)行中尤其是陰雨天氣， 水汽不能進(jìn)入或者只有少量汽水進(jìn)入壓力釋放裝置的密封界面， 少量水汽并不能突破該處密封， 避雷器內(nèi)部密封性能不受影響。 在帶電水沖洗時， 水的沖擊力、 沖洗角度、 水量與陰雨天氣不同， 條件更為極端， 部分水汽就從間隙突破防爆膜與導(dǎo)電板的密封界面、 導(dǎo)電板與密封膠圈的密封界面， 并最終滲入避雷器內(nèi)部。

水汽使電阻閥片受潮， 電阻閥片的交流泄漏電流中的阻性電流就會增大， 有功損耗也增大， 電阻閥片溫度急劇上升， 進(jìn)入惡性循環(huán)， 最終下節(jié)避雷器電阻閥片熱崩潰。 避雷器通過放電計數(shù)器形成對地放電通道， 故障電流燒斷放電計數(shù)器的連接導(dǎo)線。 在熱崩潰的同時， 避雷器內(nèi)部氣體受熱迅速膨脹， 沖破防爆膜， 沖開噴口擋板， 高溫高壓氣流噴出后燒灼瓷套傘裙。

下節(jié)避雷器對地形成貫穿通道后， 上節(jié)避雷器承受了運(yùn)行全電壓。 金屬氧化物電阻閥片的非線性迅速減小， 交流泄漏電流中的阻性電流增大， 最終上節(jié)避雷器電阻閥片也發(fā)生熱崩潰。 避雷器內(nèi)部高溫高壓氣體相繼沖開防爆膜、 噴口擋板和頂端蓋板， 均壓環(huán)的緊固螺栓受強(qiáng)大的沖擊力影響而脫落。

4 預(yù)防措施

1) 生產(chǎn)廠家應(yīng)加強(qiáng)避雷器組裝過程的質(zhì)量管控， 避免避雷器在生產(chǎn)組裝過程中留下密封不良隱患。 運(yùn)行單位有必要時應(yīng)對產(chǎn)品進(jìn)行抽檢， 避免留下密封不良的隱患[18-20]。

2) 生產(chǎn)廠家應(yīng)完善該型號避雷器壓力釋放裝置的設(shè)計。 例如在防爆膜表面涂刷導(dǎo)電材料代替容易產(chǎn)生褶皺的金屬導(dǎo)電板； 將開口壓環(huán)更換為閉合圓形壓環(huán)， 保證密封膠圈在各個圓周位置受力均勻、 壓緊。

3) 對避雷器進(jìn)行帶電水沖洗時， 主要針對瓷柱表面進(jìn)行， 應(yīng)避免水柱直接沖洗避雷器法蘭位置， 尤其是壓力釋放裝置。 對于運(yùn)行時間較長的老舊型號避雷器， 更加需要注意沖洗方式。

4) 按規(guī)范要求對避雷器進(jìn)行帶電測試、 紅外熱成像檢測及停電試驗， 確保避雷器的性能滿足安全穩(wěn)定運(yùn)行要求。

5 結(jié)論

造成220 kV 2 號主變變高C 相避雷器爆炸故障的根本原因是下節(jié)避雷器頂部壓力釋放裝置存在密封不良隱患， 觸發(fā)條件是極端的外部條件， 例如帶電水沖洗。 采用閉合圓形壓環(huán)的設(shè)計和使用導(dǎo)電材料代替金屬導(dǎo)電板等改進(jìn)措施， 可以有效地防止此類爆炸故障發(fā)生。