陈浩良
东莞供电局 广东 东莞 523000
摘要：本文对一起变电站220kV金属氧化物避雷器故障进行了解体分析，结合设备运行状态和雷电定位信息，分析了避雷器的故障过程和原因，指出故障是由于多重雷击诱发线路跳闸，避雷器短时间内多次承受雷电过电压、操作过电压和工频过电压，最终引起电阻片热崩溃和沿面闪络，并提出了相应的预防措施。
引言
金属氧化物避雷器因其优异的过电压保护性能和稳定性被广泛应用于电力系统中，为电网的安全稳定运行提供可靠保障[1]。但近年来避雷器内部受潮、爆炸等故障时有发生，严重影响了电力系统的安全稳定运行。
本文针对一起变电站220kV 金属氧化物避雷器故障，结合故障期间雷电定位的信息、变电站故障录波信息和避雷器解体检查，综合分析避雷器故障的原因，并提出了预防措施，以提高变电站避雷器的安全运行水平。
一、设备故障概况
220kV甲线连接500kV A、B变电站，曾发生在A站侧220kV甲线路送电过程中，B站侧的线路进线A相避雷器发生爆炸。经运行人员现场检查，B站侧220kV甲线路避雷器A相冒烟，其在线监测仪炸毁，线路保护及故障录波器未动作。另外，A站220kV甲线试送不成功，A站侧已经跳开线路开关，保护测距距离A站27.652km，故障电压85.097kV，故障电流6.633kA。
对现场初步检查发现B站侧220kV甲线路A相避雷器上、下单元防爆阀动作，A相在线监测仪损坏，同时检查避雷器的底座绝缘良好无闪络放电痕迹，其余设备无异常。
二、雷电定位数据
查询雷电定位数据，记录在220kV甲线送电前一天16时36分前后4分钟内，220kV甲线线行1km范围内落雷情况如下表所示：
表1：雷电监测信息报表
从雷电定位查询结果看，跳闸时刻距220kV甲线1km内前后4分钟有8次落雷。其中7次落雷在220kV甲线N71～N75附近，即在A站出口处附近，B站侧无落雷。最大雷击电流达-42.3kA，距离N74塔332m，且存在多次回击。
三、故障录波数据分析
220kV甲线雷击跳闸期间处于热备用状态，B站侧的断路器在分闸位置，两侧隔离开关关合；A站侧的断路器在合闸位置；故障避雷器位于B站进线，处于空载线路末端。
送电前一天：首次单相接地发生220kV甲线A相，短路发生至跳闸持续2.5个周波，短路电流有效值23.796kA，故障距离A站0.251km。
跳闸后约900ms后220kV甲线重合闸，合闸后A相存在单相接地故障，短路电流持续约3个周期，有效值6.731kA，故障距离A站27.552km。
送电当天：送电时由于A相接地导致强送不成功，短路电流持续三个周期，有效值6.633kA，短路位置距离A站27.652km。
四、避雷器解体检查
对上下两节避雷器进行解体，外观检查可见瓷外套表面无裂缝、外套表面有正常运行的污秽；密封胶粘接牢固，未见脱落现象；薄金属板制作的防爆膜碎裂（图1）。
端盖拆卸后内部无锈蚀痕迹（图2），密封圈完好无位移，没有密封不良的现象。内部干燥剂呈白色、坚硬。电阻片直放置于瓷外套套筒内部。瓷外套内壁有灼烧痕迹。
环氧棒均烧黑，在每根环氧棒中部1/3～2/3长度多处烧断，剩余部分断面呈黑色、纤维化（图3）。电阻片侧面烧黑，与环氧棒接触位置烧熔、附着有贯穿上下表面的黑色和白色灼烧物痕迹（图4）。部分电阻片有中间开裂的现象（其中上节15片，下节11片），碎裂的电阻片断面整齐，内部及侧面无大电流烧蚀孔洞。
从避雷器历次预试数据看，该避雷器出厂、运行以及预防性试验的绝缘电阻、泄露电流、带电测试阻性电流、红外测温等指标均符合要求。表明避雷器此前没有明显的受潮迹象，结合解体现象认为避雷器密封不良导致受潮的可能性不大。
图1 破坏的防爆膜图 图2 端盖内部
图3 芯体外观 图4 拆卸后的电阻片
五、避雷器故障过程及原因分析
综合录波数据和避雷器解体检查，推测避雷器的故障过程如下：
（一）送电前一天雷击引起线路跳闸过程及重合闸不成功分析
根据雷电定位数据分析，送电前一天跳闸前后4分钟内的雷电活动次数达到8次，其中7次在220kV甲线N73-74杆塔附近，最大雷电流幅值-42.3kA，回击次数5次。结合巡线检查在N74杆塔发现A相绝缘子、金具、跳线有明显放电痕迹可以判断，雷雨过程中在N74杆塔处发生落雷，造成线路跳闸。在线路跳闸时刻线路先后受到多次雷击，考虑到每个落雷均包含多个回击，线路及末端的避雷器可能在短时间内多次受到雷电流作用。
线路跳闸并在900ms后自动重合，根据故障录波数据分析，重合后单相接地点在距离A站27.552km(线路总长28.06km)，即在B站出口处。可分析自动重合不成功的短路点靠近B站出口，并且与次日强送电短路点，即避雷器位置接近。
（二）送电不成功原因分析
送电后A相发生接地导致强送不成功，短路电流持续三个周期，有效值6.633kA，短路位置距离A站27.652km（与前日自动重合闸短路点位置27.552km位置非常接近）。跳闸后检查发现220kV甲线避雷器冒烟，放电计数器炸毁。结合故障录波给出的故障距离，可以判断接地点位于220kV甲线B站侧A相避雷器。
（三）避雷器故障原因分析
B站侧避雷器先后经受了送电前一天雷电活动引起的雷电过电压、线路跳闸和自动重合失败内部过电压、送电当天的线路合闸内过电压，避雷器的损坏可能是多种过电压共同作用的结果。
雷电流短时间内反复作用一方面导致避雷器侧面釉经受反复高陡度的雷电流冲击，一方面也导致避雷器及支撑件温度上升，在雷电冲击过后的自动重合闸过程中，避雷器进一步受到持续时间较长的内过电压作用，能量进一步上升，最终导致电阻片侧面闪络、支撑件以及电阻片在高温下部分绝缘丧失，最终在送电当天重合过程中受到操作冲击在电阻片侧面釉及环氧棒形成工频短路电流，导致环氧棒烧毁，释放出的大量气体导致防爆膜动作。在这一过程中强大的电动力及防爆膜动作时的冲击导致电阻片碎裂。
分析线路运行工况可知，落雷期间该线路处于热备用状态，A站侧合闸而B站侧断开，故障避雷器位于悬空导线末端。落雷后雷电波沿线路传播28km至B站侧并在开路端全反射形成2倍幅值的雷电过电压。从雷电波传播过程的衰减角度考虑，雷电沿线路传播至10km后幅值衰减为落雷处的95.4%以上，在100km时约为落雷处的64.2%[2]，由此推测本例中雷电波到达B站侧（约28km）后仍然保持较高的幅值，在到达B站侧后全反射幅值上升一倍，陡度增加从过电压角度分析，A站侧过电压水平受到站内电源的钳位作用，幅值变化较小，而B站侧由于空载线路末端，实际工频过电压和操作过电压水平必然高于A站侧，这导致避雷器在雷电流作用后叠加幅值较高、时间较长的内过电压，导致能量大量积累[3]。
综上分析，判断避雷器故障是由于多重雷击诱发线路跳闸，雷电波到达B站侧后保持较高幅值，且处于空载线路末端，导致避雷器短时间内多次承受雷电过电压、操作过电压和工频过电压，最终引起电阻片热崩溃和沿面闪络。
六、预防措施
（一）巩固故障后运维措施。对220kV甲线A站侧避雷器进行停电直流测试，确保其在遭受连续多次近区落雷后的运行安全性；另可考虑在线路必要位置加装线路避雷器。
（二）加强设备运行检测。带电测试是保证金属氧化物避雷器安全可靠运行的重要措施之一，应形成带电检测常态化机制，严格按照预试规程开展停电、带电测试。同时加强特殊天气避雷器的巡视力度，定期开展红外检测，综合判断设备状态，及时发现问题及处理，避免事故发生。
（三）定期做好设备维护。对站内避雷器进行定期的带电清洗，结合停电维护清扫瓷裙污秽，改善避雷器的积污情况，以满足运维要求。
参考文献：
[1] 矫立新，王朔，孙友群，等. 变电站500kV金属氧化物避雷器故障分析[J]. 电瓷避雷器，2018(4)：98-101.
[2] 王保山，刘 洋，汤 霖，等. 交流无间隙金属氧化物避雷器的电压分布特性研究[J]. 电瓷避雷器，2012(1)：38-44.
[3] 马勇，刘洋，谢天喜，等. 一起氧化锌避雷器故障原因分析与思考[J]. 高压电器，2014，50（11）：139-144.