李浩良， 潘剑南， 苏全， 刘子钊

(广州粤能电力科技开发有限公司， 广东 广州510075)

0 引言

金属氧化物避雷器是电力系统中重要的过电压保护设备。 在正常运行电压下， 金属氧化物电阻阀片呈高电阻状态， 流过阀片的泄漏电流仅为微安级。 当系统出现雷电过电压或者操作过电压时， 电阻阀片呈低电阻状态， 限制过电压幅值并将过电压能量向大地释放， 保护电力设备。 在能量释放后，电阻阀片又自行恢复到高电阻状态， 继续对电力系统提供可靠保护。 金属氧化物避雷器能否可靠运行直接影响电力系统运行的安全性和稳定性[1-3]。

受大气污染的影响， 自然污秽物和工业污秽物会在避雷器绝缘瓷套表面沉积形成污秽层， 在雾汽、 凝露、 下雨等潮湿气象条件下容易发生污闪现象， 严重时会导致避雷器绝缘击穿， 引起接地故障， 造成大面积停电事故。 为了防止污闪事故发生， 保证避雷器安全运行， 必须清洁避雷器外瓷套的污秽。 带电水冲洗作为防止污闪的有效措施， 是指在设备不停电的情况下， 通过净化处理装置使水的电阻率达到1×105Ω·cm 以上， 然后利用车载水泵对水进行高压控制， 再输入水枪中， 由冲洗人员操作水枪对设备瓷瓶污秽进行清洗， 以达到降低设备瓷瓶盐密值的目的。

正常情况下， 带电水冲洗作业不会影响密封良好的避雷器正常运行， 但受避雷器制造和组装工艺影响， 避雷器可能留下隐蔽的密封不良隐患， 在特定的条件下(如带电水冲洗)， 可能触发避雷器发生爆炸故障。

本文针对一起金属氧化物避雷器在带电水冲洗后发生的爆炸故障， 进行了避雷器解体和分析， 并针对性地提出了防范措施， 确保避雷器安全稳定运行。

1 故障概况

220 kV LZ 变电站内设备使用四枪组合冲洗法进行带电水冲洗作业， 即两枪为主， 两枪为辅， 分别在瓷套四侧由下往上冲洗的方法。 四枪以90°站位进行冲洗， 180°站位的两主枪将污秽冲起， 另两辅枪紧跟在主枪下部将污秽及时冲走， 避免形成污水连线[4]。 在2 号主变变高避雷器完成水冲洗3 min后， C 相避雷器发生爆炸故障， 2 号主变跳闸。

爆炸发生后， 对C 相避雷器进行外观检查的情况如下:

1) 避雷器上下两节瓷套伞裙边缘有一条被高温气流烧灼的痕迹。

2) 避雷器与放电计数器的连接导线烧灼断裂。

3) 避雷器下节顶部及上节顶部压力释放装置都已动作， 压力释放喷口挡板都已喷开散落在地面。

4) 避雷器顶端盖板被内部强大的气流冲开，形成一个裂口， 顶端盖板上一颗均压环的紧固螺栓脱落， 如图1 所示。

图1 爆炸避雷器高压端

2 爆炸原因分析

2 号主变变高避雷器是220 kV 无间隙金属氧化物避雷器， 于2003 年9 月投运， 运行时间为16年4 个月， 其基本技术参数见表1。

表1 避雷器参数

爆炸故障发生前， C 相避雷器刚刚进行了带电水冲洗作业， 并且在220 kV 的电网运行， 分析其爆炸的原因可能有: 操作过电压； 雷电过电压； 瓷套表面污闪放电； 电阻阀片故障[5-7]。

2.1 操作过电压

避雷器爆炸发生前， 变电站内220 kV 和110 kV电力系统没有进行任何操作， 故障录波也没有显示存在操作过电压， 排除操作过电压的原因。

2.2 雷电过电压

避雷器爆炸当天该地区天气晴朗， 雷电定位系统没有记录到雷电活动， 该变电站和相连的变电站以及线路上空不存在雷击的情况， 因此排除雷电过电压的原因。

2.3 瓷套表面污闪放电

避雷器瓷套表面的污秽物在潮湿条件下会发生污闪放电， 严重时会导致避雷器爆炸。 C 相避雷器完成带电水冲洗作业后， 瓷套表面光洁明亮， 无残留污迹、 污垢， 也没有出现污水滴落、 局部起弧现象， 可排除瓷套表面污闪放电的原因。

2.4 运维情况分析

近年2 号主变变高避雷器组运行电压下的交流泄漏电流试验数据见表2， 三相避雷器的全电流及阻性电流逐年变化不大， 阻性电流没有显著增加，且相间电流平衡， 符合标准要求。 三相避雷器运行状态下的红外热成像图谱显示避雷器各部位温度正常， 没有局部过热点[8-11]。 另外， 近一年来该组避雷器并未发生动作。

表2 避雷器运行电压下的交流泄漏电流试验结果 mA

2.5 验证性试验

为了验证带电水冲洗是否对其他避雷器的电气性能造成影响， 对2 号主变变高A 相避雷器上下节分别进行直流1 mA 参考电压(U1mA) 及0.75 U1mA下的泄漏电流试验， 试验结果见表3。 由表3可知， A 相避雷器直流1mA 参考电压及泄漏电流均在规定范围内， 试验结果合格[12-14]。 试验结果表明， A 相避雷器电气性能良好， 现场的带电水冲洗作业没有对密封性能良好的避雷器造成影响。

表3 A 相避雷器直流参考电压及泄漏电流试验结果

3 解体情况

上述运维情况及A 相避雷器试验结果表明，该组避雷器日常运行的电气性能正常。 初步分析避雷器发生爆炸的原因是金属氧化物电阻阀片故障，并且具有突发性。 为了进一步查明C 相避雷器爆炸原因， 对避雷器进行解体， 检查内部各元件状况。

3.1 完好避雷器解体

为了解该型号避雷器压力释放装置的结构， 与爆炸避雷器设置对照组， 首先对电气性能良好的A相避雷器上节顶部防爆阀进行解体。 压力释放装置结构主要由4 个部分组成， 从上到下依次是钢压环、 环氧玻璃纤维防爆膜、 金属导电板和密封胶圈， 如图2 所示。 从解体情况可知， 完好的导电板表面平整光滑； 密封胶圈压紧， 没有变形、 裂纹等缺陷。 拆出其内部结构进行检查， 金属氧化物电阻阀片柱表面及瓷套内表面都干燥， 无进水或者受潮迹象[15-17]。

图2 A 相避雷器上节顶部压力释放装置

3.2 爆炸避雷器解体

对C 相避雷器上节顶部压力释放装置进行解体， 情况如下: 1) 导电板中间被气流冲破形成大孔， 导电板剩余部分平整光滑。 2) 密封胶圈各圆周位置压紧， 没有明显松动、 拱起、 压接不到位的情况。 胶圈具有较好弹性， 无变形、 裂纹或者褶皱等缺陷。

再对C 相避雷器下节顶部压力释放装置进行解体， 情况如下: 1) 导电板中间被气流冲破形成大孔， 而且金属导电板表面不平整， 有一处贯通了整个密封面的褶皱， 如图3 所示。 2) 密封胶圈在压环的开口位置没有压紧， 有松动和拱起的情况。胶圈表面有一道贯通痕迹， 在贯通痕迹上有一处凹陷变形， 如图4 所示。 3) 在贯通痕迹旁边发现了水的侵入痕迹， 呈灰白色片状和线状分布。

图3 导电板褶皱

图4 密封胶圈的凹陷变形

3.3 解体情况分析

对比三个解体的压力释放装置， 只有C 相避雷器下节顶部压力释放装置的导电板存在褶皱缺陷， 并且密封胶圈有凹陷变形。 这是因为避雷器的密封胶圈在压环的开口位置没有压紧， 胶圈受力不均匀， 导致紧压在密封胶圈上面的金属导电板被挤压拱起褶皱， 褶皱挤压密封胶圈形成凹陷变形。 由于导电板位于防爆膜和密封胶圈之间， 防爆膜与导电板的密封界面、 导电板与密封胶圈的密封界面在褶皱位置就会形成间隙， 造成密封不良隐患。 该隐患是造成220 kV 2 号主变变高C 相避雷器爆炸的根本原因。

从运维情况来看， 该隐患不影响正常运行条件下避雷器的密封性能。 因为在日常运行中尤其是阴雨天气， 水汽不能进入或者只有少量汽水进入压力释放装置的密封界面， 少量水汽并不能突破该处密封， 避雷器内部密封性能不受影响。 在带电水冲洗时， 水的冲击力、 冲洗角度、 水量与阴雨天气不同， 条件更为极端， 部分水汽就从间隙突破防爆膜与导电板的密封界面、 导电板与密封胶圈的密封界面， 并最终渗入避雷器内部。

水汽使电阻阀片受潮， 电阻阀片的交流泄漏电流中的阻性电流就会增大， 有功损耗也增大， 电阻阀片温度急剧上升， 进入恶性循环， 最终下节避雷器电阻阀片热崩溃。 避雷器通过放电计数器形成对地放电通道， 故障电流烧断放电计数器的连接导线。 在热崩溃的同时， 避雷器内部气体受热迅速膨胀， 冲破防爆膜， 冲开喷口挡板， 高温高压气流喷出后烧灼瓷套伞裙。

下节避雷器对地形成贯穿通道后， 上节避雷器承受了运行全电压。 金属氧化物电阻阀片的非线性迅速减小， 交流泄漏电流中的阻性电流增大， 最终上节避雷器电阻阀片也发生热崩溃。 避雷器内部高温高压气体相继冲开防爆膜、 喷口挡板和顶端盖板， 均压环的紧固螺栓受强大的冲击力影响而脱落。

4 预防措施

1) 生产厂家应加强避雷器组装过程的质量管控， 避免避雷器在生产组装过程中留下密封不良隐患。 运行单位有必要时应对产品进行抽检， 避免留下密封不良的隐患[18-20]。

2) 生产厂家应完善该型号避雷器压力释放装置的设计。 例如在防爆膜表面涂刷导电材料代替容易产生褶皱的金属导电板； 将开口压环更换为闭合圆形压环， 保证密封胶圈在各个圆周位置受力均匀、 压紧。

3) 对避雷器进行带电水冲洗时， 主要针对瓷柱表面进行， 应避免水柱直接冲洗避雷器法兰位置， 尤其是压力释放装置。 对于运行时间较长的老旧型号避雷器， 更加需要注意冲洗方式。

4) 按规范要求对避雷器进行带电测试、 红外热成像检测及停电试验， 确保避雷器的性能满足安全稳定运行要求。

5 结论

造成220 kV 2 号主变变高C 相避雷器爆炸故障的根本原因是下节避雷器顶部压力释放装置存在密封不良隐患， 触发条件是极端的外部条件， 例如带电水冲洗。 采用闭合圆形压环的设计和使用导电材料代替金属导电板等改进措施， 可以有效地防止此类爆炸故障发生。