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氧化锌避雷器常见故障分析及防治对策研究
湖北清江水电开发有限责任公司 仝 杨
摘要：对产生氧化锌避雷器内部组件受潮、阀片劣化及外绝缘污秽问题的原因及结果进行分析，提出全面防治的策略及防治手段。
关键词：受潮；劣化；污秽；分析；策略；手段
避
的应用。
雷器是电站过电压防护系统中重要一环，与架空地线、避雷针、浪涌防护器、接地网等设备共同构成电站过电压防护系统。氧化锌避雷器通常与被
性质，电阻值随外施电压升高而非线性下降（图1）。在预击穿区，即I＜1mA区域ZnO阀片电阻很大，流过阀片的电流仅为微安级，产生的热量很少。正常情况下避雷器持续运行电压低于起始动作电压，预击穿区即为避雷器正常情况下的工作区，占避雷器寿命的绝大部分，避雷器在该区域可长期工作，但该区域阀片电阻值对温度呈现很强的负相关性，阀片温度升高时其阻值将降低，避雷器工作点便右移至电流更高的区域。
保护设备并联，连接在导线和地之间，当导线上产生过电压时氧化锌避雷器将先于被保护设备而导通，释放过电压能量，降低过电压幅值，保护电力设备免受过电压损害，并能在电压降低时立即恢复绝缘状态，不会造成接地故障，因此氧化锌避雷器具有响应速度快、无工频续流、残压低等优异性能，是电气设备绝缘配合的基础，在电力系统中得到广泛
1 结构及工作原理
1.1 结构
氧化锌避雷器主要由底座、外套、阀芯、内部固定件及泄漏电流表等部件组成。外套根据材质可分为瓷外套和复合外套，根据系统电压不同其长度也不相同；阀芯为若干ZnO阀片串联而成的柱状体，通常用高强度、不易吸潮、绝缘性能强的聚脂玻璃纤维引拔棒加以固定，外侧用绝缘筒与外套相隔离；泄漏电流表用来监测外绝缘和阀片的泄漏电流。部分避雷器顶部配有压力释放装置，当避雷器损坏或超负荷动作时及时释放内部压力，防止避雷器爆炸。为改善电位分布，220kV及以上避雷器顶部配备均压环，500kV及以上避雷器内部还配备有均压电容。
图1 氧化锌避雷器伏安特性曲线
1mA＜I＜10mA是伏安曲线的“拐点”区，其中V1mA称为参考电压或起始动作电压，该区域是阀片由大电阻区到小电阻区的分界。当电压升高至起始动作电压时阀片开始导通，避雷器进入限压工作区，限压工作区内存在各种过电压，如工频过电压、操作过电压、雷电过电压，此时避雷器可释放过电压能量，过电压幅值并保护与其并联的设备。
2 常见故障
氧化锌避雷器在正常运行中承受工频电压，过电压来袭时需释放千安级的电流，户外布置的避雷器还需经受长期风吹雨淋及大气污染物的侵蚀，工
1.2 工作原理
ZnO阀片是避雷器的核心，阀片具有压敏电阻
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作条件比较恶劣，现场运行中可能出现内部组件受潮、阀片劣化及外绝缘污秽等问题。
2.1 内部组件受潮
据统计内部组件受潮占避雷器故障的比例达60%[1]，对质量合格的避雷器来说，实际运行中造成组件受潮的主要原因为密封老化失效；密封件寿命约20年，因此避雷器运行时间越长发生内部受潮的可能性就越大。瓷外套避雷器多为微正压结构，在外套与阀芯的空隙内充以0.3~0.5bar的高纯度干燥N2或SF6以防止外部潮气入侵。密封件失效时内部气体逐渐泄露，外部潮气则通过呼吸作用侵入避雷器内部，在温差作用下内部元件表面将产生凝露现象，长此以往将造成组件受潮或内部闪络；组件受潮时避雷器泄漏电流增大并发热，热效应的累积将使ZnO阀片伏安特性发生变化，加速阀片老化，最终导致避雷器热崩溃，而内部闪络则直接导致接地故障。当避雷器顶部密封严重失效时雨水会直接侵入避雷器内部，短时间内造成组件受潮或内部闪络。
2.2 阀片劣化
所谓劣化即伏安特性发生改变，正常情况下ZnO阀片劣化的主因是运行时长期荷电造成的热老化[2]，荷电率越高，泄漏电流越大、热效应累积越快、劣化速度越快。避雷器内部阀片为多片串联结构，理想状态下各阀片分压相同，但实际生产中阀片质量无法做到完全均一，现场运行中片间分压也不可能完全相同。在阀片寿命后期，部分阀片因荷电率长期处于较高水平而首先劣化失效，这相当于减少了避雷器正常阀片数量，由于电网不变，剩余正常阀片负担增大并加速劣化，形成恶性循环，使正常阀片数量不断减少，当正常阀片数量不足以负担电网电压时便会发生内部击穿接地。此外，过电压冲击、受潮、谐波等因素也会加快阀片老化。在雷暴活动频繁的地区避雷器动作频率高，阀片老化速度快；线路避雷器因长期承受工频电压，老化速度将快于系统中性点避雷器。
2.3 外绝缘污秽
造成外绝缘污秽事故的原因可能是未定期对避雷器进行清扫或避雷器外绝缘爬电比距与所处大气环境污秽等级不符。外绝缘污秽通常的结果是沿面闪络并造成接地故障，同时外绝缘污秽还会造成外套电位分布不均匀，使外套与内部阀片产生径向电位差，当电位差达到一定程度后便会产生局部放电，任其发展避雷器可能因过热而爆炸。
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3 防治对策
针对上述氧化锌避雷器运行中可能出现内部组件受潮、阀片劣化及外绝缘污秽等问题，现场运维工作中应采取从日常巡视、特殊时期检查及停电检修方面进行全面防治的策略，加以监测泄漏值、红外测温试验、交流泄漏电流试验、直流泄漏电流试验等防治手段，及时发现问题，防止事故发生。
3.1 日常巡视
日常巡视主要是对避雷器外套、泄漏电流表、接地装置的目视，其中对避雷器泄漏电流值的监视最为重要。正常运行时避雷器内部泄漏电流约为0.5~1mA，当阀片受潮或劣化时泄漏电流值将增大，记录运行中的泄漏电流并进行相间比较或与历史值比较，可大致掌握其内部阀片的工作状况，当电流增加值或相间差值大于20%时可用导线将泄漏电流表短接，用钳形电流表对泄漏电流值进行测量，以排除泄漏电流表故障造成指示错误的因素，而后应采用交流泄漏电流试验或直流泄漏电流试验对避雷器工作性能加以判定。对外套的泄漏电流值的监视则可掌握外绝缘的污秽程度。
3.2 特殊时期检查
特殊时期检查指雷雨季节前后对避雷器的重点检查。季前检查是为保证设备以完好状态迎接即将到来到的雷雨季节，季后检查是为了解避雷器在雷雨季节是否进水受潮、是否遭受雷击及雷击后性能是否仍完好，特殊时期检查包括检查和试验两部分。3.2.1 检查
应重点检查避雷器是否动作、内部有无放电声、外壳是否完好以及各连接引线是否完好，特别是雷雨季节后，若发现连接引线烧伤、断裂或松脱应及时处理，否则可能造成避雷器因未接地而爆炸。为避免接地引线烧断未被及时发现造成的事故，可考虑双重接地设计，即增加一组常闭刀闸接地回路，避雷器正常运行时通过泄漏电流表回路及常闭刀闸回路进行双重接地，需读取泄漏电流值时打开常闭刀闸即可，从而保证避雷器的可靠接地。3.2.2 试验
接地电阻试验。接地电阻试验是为检查避雷器与大地的导通状况，接地电阻过大，过电压来侵时避雷器残压升高，影响其保护特性，可能使电气设备无法得到有效保护。
红外测温试验。正常运行时避雷器的泄漏电流
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为微安级，当避雷器发生受潮、阀片劣化等异常时泄漏电流的阻性分量将增大，此时避雷器有功损耗及温升均会升高，这就为采用红外测温对避雷器性能进行监测提供了依据。对运行中的避雷器进行红外成像，并比较上下元件、不同相及同类设备的热成相图谱，当发现热像有温度异常分布可初步判断避雷器故障。需注意的是，避雷器为电压致热型设备，热缺陷温升判据范围非常小，仅为0.5~1K，同时红外测温数据受环境温度、湿度、风速、周围电磁场等因素影响可观，为得到相对准确的试验数据，应在阴天、夜间或晴天日落以后时段进行试验，并结合避雷器过热缺陷的典型热像特征进行综合判定。
运行电压下的交流泄漏电流试验。避雷器受潮或阀片劣化初期故障特征不明显，监测泄漏电流表及红外测温试验可能无法及时发现故障，造成避雷器带病运行，因此在雷雨季节前后应对避雷器进行运行电压下的交流泄漏电流试验以掌握避雷器的运行状况。该试验是判断避雷器性能的重要参考，通过测量避雷器运行电压下的全电流、阻性电流、功率因数并与初始值进行比较，可对避雷器故障与否进行判断。泄漏电流阻性分量仅占全电流的10~20%，因此阻性电流较全电流能更灵敏地反应避雷器故障，当阻性电流增加超过1倍时应停电检查[3]。当阀片受潮或故障时避雷器电压与电流相位差将降至80度以下，因此相角差也可做为故障判据的辅助参量。
有研究显示
[3-4]
，功率损耗及阻性电流谐波分量
对避雷器受潮及阀片劣化也有较高的灵敏度，且对阻性电流基波与3次谐波增长率的分析可判断是受潮故障还是阀片老化。
3.3 停电检修
停电检修针对实施计划检修的避雷器，检查周期可为半年或一年不等，停电检修工作的主要内容为避雷器的检查清扫和预防性试验：检查清扫。通过登高近距离检查可更有效地发现诸如瓷套裂纹、脱釉等现象，对避雷器外套清扫则可防止外套沿面闪络及内部放电现象；预防性试验。包括避雷器底座绝缘电阻测量及直流泄漏电流试验。底座绝缘电阻测量是绝缘性能检测的基础项目，可发现内部受潮及贯穿性绝缘缺陷，直流泄漏电流试验则是避雷器性能好坏的最终判据。
直流泄漏电流试验即测量避雷器直流1mA电压及75%U1mA下的泄漏电流，此试验是为了检查避
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雷器的非线性特性，因阀片电阻值在1mA泄漏电附近区对温度不敏感，在1~10mA电流水平下可较精确掌握避雷器的伏安曲线。直流1mA电压即避雷器起始动作电压，反映了避雷器承受短时过电压和系统额定电压的能力，当此电压明显降低说明阀片受潮或劣化致使其伏安特性发生了变化；75%U1mA稍大于避雷器运行电压峰值，要求该电压下泄漏电流不大于50μA，测量此电压下的泄漏电流目的是检查避雷器长期泄漏电流是否符合要求，而长期泄漏电流的大小直接影响避雷器的寿命，泄漏电流越大阀片老化速度越快、避雷器寿命越短。
参考文献
[1]司文荣,王逊峰,等.110kV复合外套金属氧化物避雷器爆炸故障分析[J].电瓷避雷器,2018,1.[2]李惠庸,柴宜.氧化锌避雷器特性的仿真分析[J].电瓷避雷器,2018,4.
[3]莫若.氧化锌避雷器带电测试方法浅析[J].城市建设理论研究(电子版),2011,34.
[4]史志强,邓维,等.氧化锌避雷器受潮与电气参数的关系[J].高压电器,2019,4.
（上接173页）
每天7时30分前，通过作业区组群发布前一日大电流开关柜的整体运行情况，包括无线测温装置显示的温度、开关电流、环境温度与湿度等；根据温度数据情况对超过蓝线的大电流开关柜进行全面分析，调出测温装置中的温度曲线与后台机的电流曲线，进行综合分析；大电流开关柜首次达到蓝线运行时，组织进行一次24小时特巡；若大电流开关柜连续10天达到蓝线运行时，则应在现场准备临时风机，安排人员进行增加巡检，安排专职点检员进行一次开关局放测量，直至电流下降至蓝线以下。
开关柜电流达到运行红线：当开关柜运行电流达到红线时立即安排特巡，并安排人员进行热成像测温和开关局放测量，若无线测温装置显示的温度达到缺陷值，则应立即汇报调度，在现场投入临时风机，申请停电机进行处理；值班班长应每周发布一次达到红线运行设备的状态，包括运行的温度曲线、运行电流曲线、现场临时风机投运情况、热成像以及局放测量情况等有关数据；专业工程师应根据数据情况对红线运行的开关柜进行运行分析，给出专业处理意见。
