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【摘要】10kV供电网络在雷电高温情况下,氧化锌避雷器常出现击穿故障,直接影响着供电线路的安全运行。为提高电网的供电可靠性，对某地方供电局2010年避雷器故障情况进行统计，并对其中的典型故障进行分析，基本掌握了氧化锌避雷器的故障分析，提出了防侧面闪络能力不足及阀片能量耐受能力较低是导致避雷器故障的主要原因，并从设备订货技术要求和运行维护等角度提出措施。
【关键词】供电可靠性；避雷器；故障分析；侧面闪络；能量耐受能力
0.引言
避雷器是一种过电压保护装置，当电网电压升高达到避雷器规定的动作电压时，避雷器动作，释放电压负荷，将电网电压升高的幅值限制在一定水平之下，从而保护设备绝缘所能承受的水平，除了限制雷击过电压外，有的还能限制一部分操作过电压。当前，在10kV的配电网中，配电用避雷器的使用频繁而大量，以防止因为配电设备在雷电过电压下发生损坏。在实际运行中，避雷器因质量原因或者运行维护不到位，从而导致一些避雷器发生击穿故障。避雷器被击穿后，10kV线路通过避雷器发生接地，此时，必须停电才能处理或者隔离故障，故在一定程度上降低了供电可靠性。本文通过对某地方供电局2010年10kV避雷器的故障情况进行了分析，并提出了相应的反事故措施。
1.避雷器故障原因分析
2010年，广东某地方供电局一共发生38例10kV配网避雷器故障。其中侧面闪络为33例，比例为86.8%；阀片爆炸(破碎)5例，占13.2%。典型故障分析如下。
表110kV配电网避雷器故障情况
2.阀片侧面闪络故障
例1：2010-7-25，雷雨天气，一条10kV线路发生接地故障，在巡查线路的时候，发现了一个避雷器被击穿，在更换故障避雷器以后，线路恢复送电成功。
事后，对此故障避雷器进行解体，发现其中硅橡胶外套破裂，沿避雷器阀片侧面有明显电弧通道的痕迹（图1），但未见阀片有破裂或破碎情况。由于所有的阀片(共4片)均未出现破碎的现象，可以说明此避雷器的阀片并未劣化。因为若其劣化，并导致避雷器被击穿的，则故障应表现为阀片爆炸而不仅公是侧面闪络。
本例避雷器阀片与绝缘筒间存在气隙，而空腔的呼吸作用导致潮气入侵，潮气聚集于阀片侧面而使侧面绝缘强度下降，在过电压作用下，沿阀片侧面发生闪络后形成电弧通道。
避雷器受潮的主要原因是呼吸作用。据初步计算, 氧化锌避雷器内部空腔约占整个避雷器内空间的50% , 在环境温度冷热循环变化下, 内腔空气膨胀或收缩形成呼吸作用, 使原来存在的微小漏孔可能扩大, 潮气逐步侵入, 导致避雷器出现故障。特别值得注意的是, 如果运行中的避雷器内部受潮, 泄漏电流则增大, 受潮严重时出现沿氧化锌阀片柱表面和避雷器瓷套内壁表面的放电,引起避雷器爆炸。氧化锌避雷器受潮时阻性电流增加, 其特点是阻性电流的长期增加, 不会因时间的增加而减小。检测泄漏电流波形及阻性电流变化的幅度即可推断是否发生内部受潮及受潮程度。
图1 阀片发生侧面闪络( 沿阀片表面有明显的电弧通道)
例2：2010-08-17，一起避雷器击穿故障，对击穿的避雷器解体，未发现其内部金属件锈蚀，未发现阀片内部及其喷铝面放电，仅在阀片侧面发现电弧通道。侧面闪络原因为：厂家为消除避雷器阀片与外绝缘筒间的空腔，采用注胶来填充。注胶温度较高，约200oC，因绝缘釉与阀片的热膨胀系数相差较大，高温注胶可能导致绝缘釉中产生微裂纹，造成其绝缘强度下降[1]，在过电压下发生闪络。
正常情况下, 内部阀片与外部瓷套之间的径向电位差较小。当氧化锌避雷器外部瓷套受到污秽及潮气作用时, 外部瓷套上的电位分布发生变化, 特别是在避雷器上或下部存在干区时, 电位分布将更不均匀, 内部阀片与外部瓷套间会存在较大的径向电位差, 产生脉冲电流。如果电流很大, 会使阀片在电流聚集的地方温升过高被烧熔, 损坏阀片, 导致整个避雷器破坏。这种情况对避雷器危害很大,须及时处理, 以保证避雷器的安全运行。如图3 所示, 当出现内部阀片与外部瓷套间的径向放电、产生脉冲电流现象时, 阻性电流上会有脉冲电流尖峰出现。这种现象可以作为出现径向局部放电的1个判据。
图2 阀片表面的电弧通道
图3 阻性电流波形
以上2例对阀片侧面闪络故障进行分析，结合其它故障安全，认为阀片发生侧面闪络的主要原因是密封不良导致湿气入侵、阀片侧面的绝缘釉受损或阀片与外侧绝缘间的界面不良等而导致侧面绝缘强度低。
3.阀片破碎故障
2010-06-05，某10kV线路发生单相接地故障。巡查线路的时候，发现其中1个避雷器爆裂，在更换成功以后，线路恢复送电成功。解体故障避雷器，发现其硅橡胶外套破裂，阀片中有2片裂开、2片破碎，但未见侧阀痕迹。
根据故障表象及阀片在不同电流下的破坏特性，分析阀片损坏原因：避雷器遭受到雷电过电压作用而使阀片中流过雷电流，雷电流是冲击电流波，故阀片中的电流密度很大。而冲击电流在阀片中不是均匀分布的，当局部阀片的雷电冲击电流密度超过其允许极限值，阀片就会遭破坏。因雷电流能量不大，一般不会造成阀片破碎、爆炸，只会发生阀片破裂。阀片破碎原因：避雷器由4片阀片组成，正常情况下4片阀片共同承担系统电压。当其中两片破裂劣化，则系统电压全加在其余2片上，从而加速其劣化，最终导致阀片在工频电压下破坏，因工频电源能量大，阀片破坏表现为破碎或爆炸。
或者可以理解为避雷器的热破坏现象。氧化锌避雷器的热破坏是由于雷电或其它暂态过电压能量的注入, 使避雷器瞬时的发热大于其散热能力, 或由于受潮等引起氧化锌 阀片的阻性电流增加导致热破坏。在瓷套氧化锌避雷器内部, 气隙的体积约占内部体积的50% , 当避雷器在大幅值或多重雷冲击作用时, 由于气隙的导热性能差, 不能及时将吸收的冲击能量散出去, 容易引起阀片的劣化或热破坏。阀片由于吸收暂态能量或阻性电流增加而引起阀片温度升高时, 在相同的荷电率作用下导致避雷器的功率损耗增加。
如图5 所示, 避雷器对应温度Ta , Tb 和Tc 的功率损耗曲线分布为Pa , Pb 和Pc 。在较小温度Ta时, 功耗曲线Pa 与避雷器外套的散热曲线Q有2个交点, 二者间包围的面积较大, 表明有较大的热稳定性能; 温度增加到Tb ,对应的功耗曲线Pb与Q包围的面积减小, 热稳定能力降低; 当温度升高到Tc 时, 所对应的功耗曲线POC与Q 间没有交点, 表明避雷器出现热破坏现象。
图4 阀片破坏情况
图5 避雷器的热平衡图
根据现行避雷器国家标准，避雷器应能耐受2次65kA(或40kA)的雷电流冲击。而kV系统中避雷器不可能流过超过65kA(40kA)的雷电流[2]。输电线路遭受雷击事故的类型分为三类：一是输电线路受雷击时沿线路向变电所入侵的雷电波；二是雷击输电线路附近地面的感应雷；三是雷直击变电所内线路和设备的直击雷。雷电波与感应雷的陡度大、幅值高，危害严重，不采用防雷措施很容易造成设备绝缘击穿。65kA(或40kA)的雷电流远远超过10kV线路耐雷水平，故沿线路袭来的雷电波不可能超过65kA(或40kA)；若是雷直击杆塔，雷电流可能超过65kA(或40kA)，此值远远超过10kV杆塔反击耐雷水平，会使线路多相闪络，发生相间短路速断跳闸，而本例故障只是线路单相接地，并没速断跳闸，故雷电直击产生的雷电流不可能超过65kA(或40kA) [3]。
可见避雷器故障原因是：避雷器阀片受雷电冲击能力较差，其中两片在雷电流作用下发生破裂，进而引发了其余阀片破碎及外套爆开等故障。
4.反事故措施
针对10kV避雷器阀片防侧面闪络能力及能量耐受能力较差的问题提出以下反措施：
4.1精选设计
应首选有多年稳定运行实践的产品。在选择生产厂时，应选择有先进的工艺设备和完善的检测手段的生产厂，才能保证所选用的氧化锌避雷器具有高的抗老化、耐冲击性能，在寿命周期内稳定运行。
4.2在线监测
增设在线监测仪，并加强对在线监测仪的巡检力度，特别是在雷雨后和易发生故障的部位增加巡检次数。
4.3防污措施
采取必要的防污措施，如定期清扫或涂防污闪硅油。选用防污瓷套型氧化锌避雷器。
4.4治理谐波
加强电网谐波的治理力度，在有谐波源的母线段增设動态无功补偿和滤波装置，以使电网的高次谐波值控制在国家标准范围内。
4.5技术管理
加强对氧化锌避雷器的技术管理，即对运行在网上的每一只氧化锌避雷器建立技术档案，对出厂报告、定期测试报告及在线监测仪的运行记录，均要存入技术档案，直至避雷器退出运行。
4.6预试工作
定期测量避雷器的U1ma和0.75U1ma下的泄漏电流，从而可有效地发现避雷器是否劣化、受潮，以便及早处理[4]，并校验在线监测仪。
5.结语
10kV避雷器在运行中故障形式主要是阀片侧面闪络，这是因为有的避雷器使用年限长，或者因为质量问题，顶部密封不良，造成内部受潮、阀片绝缘釉受损或阀片与外绝缘间的界面不良。为提高避雷器运行可靠性，应在设备选型和维修保养时，保证其防侧面闪络能力及阀片质量，并在运行中做好预试。
【参考文献】
［１］闫中华.提高MOA 阀片4/10 大电流冲击耐受能力的研究[J]，电磁避雷器,2000,（1）:42-46.
［２］张文化,郭洁,樊力.交流无间隙金属氧化物避雷器GB11032-2000[S].北京:中国标准出版社,2000.
［３］瘳冬梅,何金良，屠幼萍.ZnO避雷器运行状况的判断方法[J].高电压技术,2000,(26):22-23，26.
［４］中国南方电网有限责任公司企业标准，Q/CSG 1 0007--2004，电力设备预防性试验规程[S].中国电力出版社，2004.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
【关键词】供电可靠性；避雷器；故障分析；侧面闪络；能量耐受能力
0.引言
避雷器是一种过电压保护装置，当电网电压升高达到避雷器规定的动作电压时，避雷器动作，释放电压负荷，将电网电压升高的幅值限制在一定水平之下，从而保护设备绝缘所能承受的水平，除了限制雷击过电压外，有的还能限制一部分操作过电压。当前，在10kV的配电网中，配电用避雷器的使用频繁而大量，以防止因为配电设备在雷电过电压下发生损坏。在实际运行中，避雷器因质量原因或者运行维护不到位，从而导致一些避雷器发生击穿故障。避雷器被击穿后，10kV线路通过避雷器发生接地，此时，必须停电才能处理或者隔离故障，故在一定程度上降低了供电可靠性。本文通过对某地方供电局2010年10kV避雷器的故障情况进行了分析，并提出了相应的反事故措施。
1.避雷器故障原因分析
2010年，广东某地方供电局一共发生38例10kV配网避雷器故障。其中侧面闪络为33例，比例为86.8%；阀片爆炸(破碎)5例，占13.2%。典型故障分析如下。
表110kV配电网避雷器故障情况
2.阀片侧面闪络故障
例1：2010-7-25，雷雨天气，一条10kV线路发生接地故障，在巡查线路的时候，发现了一个避雷器被击穿，在更换故障避雷器以后，线路恢复送电成功。
事后，对此故障避雷器进行解体，发现其中硅橡胶外套破裂，沿避雷器阀片侧面有明显电弧通道的痕迹（图1），但未见阀片有破裂或破碎情况。由于所有的阀片(共4片)均未出现破碎的现象，可以说明此避雷器的阀片并未劣化。因为若其劣化，并导致避雷器被击穿的，则故障应表现为阀片爆炸而不仅公是侧面闪络。
本例避雷器阀片与绝缘筒间存在气隙，而空腔的呼吸作用导致潮气入侵，潮气聚集于阀片侧面而使侧面绝缘强度下降，在过电压作用下，沿阀片侧面发生闪络后形成电弧通道。
避雷器受潮的主要原因是呼吸作用。据初步计算, 氧化锌避雷器内部空腔约占整个避雷器内空间的50% , 在环境温度冷热循环变化下, 内腔空气膨胀或收缩形成呼吸作用, 使原来存在的微小漏孔可能扩大, 潮气逐步侵入, 导致避雷器出现故障。特别值得注意的是, 如果运行中的避雷器内部受潮, 泄漏电流则增大, 受潮严重时出现沿氧化锌阀片柱表面和避雷器瓷套内壁表面的放电,引起避雷器爆炸。氧化锌避雷器受潮时阻性电流增加, 其特点是阻性电流的长期增加, 不会因时间的增加而减小。检测泄漏电流波形及阻性电流变化的幅度即可推断是否发生内部受潮及受潮程度。
图1 阀片发生侧面闪络( 沿阀片表面有明显的电弧通道)
例2：2010-08-17，一起避雷器击穿故障，对击穿的避雷器解体，未发现其内部金属件锈蚀，未发现阀片内部及其喷铝面放电，仅在阀片侧面发现电弧通道。侧面闪络原因为：厂家为消除避雷器阀片与外绝缘筒间的空腔，采用注胶来填充。注胶温度较高，约200oC，因绝缘釉与阀片的热膨胀系数相差较大，高温注胶可能导致绝缘釉中产生微裂纹，造成其绝缘强度下降[1]，在过电压下发生闪络。
正常情况下, 内部阀片与外部瓷套之间的径向电位差较小。当氧化锌避雷器外部瓷套受到污秽及潮气作用时, 外部瓷套上的电位分布发生变化, 特别是在避雷器上或下部存在干区时, 电位分布将更不均匀, 内部阀片与外部瓷套间会存在较大的径向电位差, 产生脉冲电流。如果电流很大, 会使阀片在电流聚集的地方温升过高被烧熔, 损坏阀片, 导致整个避雷器破坏。这种情况对避雷器危害很大,须及时处理, 以保证避雷器的安全运行。如图3 所示, 当出现内部阀片与外部瓷套间的径向放电、产生脉冲电流现象时, 阻性电流上会有脉冲电流尖峰出现。这种现象可以作为出现径向局部放电的1个判据。
图2 阀片表面的电弧通道
图3 阻性电流波形
以上2例对阀片侧面闪络故障进行分析，结合其它故障安全，认为阀片发生侧面闪络的主要原因是密封不良导致湿气入侵、阀片侧面的绝缘釉受损或阀片与外侧绝缘间的界面不良等而导致侧面绝缘强度低。
3.阀片破碎故障
2010-06-05，某10kV线路发生单相接地故障。巡查线路的时候，发现其中1个避雷器爆裂，在更换成功以后，线路恢复送电成功。解体故障避雷器，发现其硅橡胶外套破裂，阀片中有2片裂开、2片破碎，但未见侧阀痕迹。
根据故障表象及阀片在不同电流下的破坏特性，分析阀片损坏原因：避雷器遭受到雷电过电压作用而使阀片中流过雷电流，雷电流是冲击电流波，故阀片中的电流密度很大。而冲击电流在阀片中不是均匀分布的，当局部阀片的雷电冲击电流密度超过其允许极限值，阀片就会遭破坏。因雷电流能量不大，一般不会造成阀片破碎、爆炸，只会发生阀片破裂。阀片破碎原因：避雷器由4片阀片组成，正常情况下4片阀片共同承担系统电压。当其中两片破裂劣化，则系统电压全加在其余2片上，从而加速其劣化，最终导致阀片在工频电压下破坏，因工频电源能量大，阀片破坏表现为破碎或爆炸。
或者可以理解为避雷器的热破坏现象。氧化锌避雷器的热破坏是由于雷电或其它暂态过电压能量的注入, 使避雷器瞬时的发热大于其散热能力, 或由于受潮等引起氧化锌 阀片的阻性电流增加导致热破坏。在瓷套氧化锌避雷器内部, 气隙的体积约占内部体积的50% , 当避雷器在大幅值或多重雷冲击作用时, 由于气隙的导热性能差, 不能及时将吸收的冲击能量散出去, 容易引起阀片的劣化或热破坏。阀片由于吸收暂态能量或阻性电流增加而引起阀片温度升高时, 在相同的荷电率作用下导致避雷器的功率损耗增加。
如图5 所示, 避雷器对应温度Ta , Tb 和Tc 的功率损耗曲线分布为Pa , Pb 和Pc 。在较小温度Ta时, 功耗曲线Pa 与避雷器外套的散热曲线Q有2个交点, 二者间包围的面积较大, 表明有较大的热稳定性能; 温度增加到Tb ,对应的功耗曲线Pb与Q包围的面积减小, 热稳定能力降低; 当温度升高到Tc 时, 所对应的功耗曲线POC与Q 间没有交点, 表明避雷器出现热破坏现象。
图4 阀片破坏情况
图5 避雷器的热平衡图
根据现行避雷器国家标准，避雷器应能耐受2次65kA(或40kA)的雷电流冲击。而kV系统中避雷器不可能流过超过65kA(40kA)的雷电流[2]。输电线路遭受雷击事故的类型分为三类：一是输电线路受雷击时沿线路向变电所入侵的雷电波；二是雷击输电线路附近地面的感应雷；三是雷直击变电所内线路和设备的直击雷。雷电波与感应雷的陡度大、幅值高，危害严重，不采用防雷措施很容易造成设备绝缘击穿。65kA(或40kA)的雷电流远远超过10kV线路耐雷水平，故沿线路袭来的雷电波不可能超过65kA(或40kA)；若是雷直击杆塔，雷电流可能超过65kA(或40kA)，此值远远超过10kV杆塔反击耐雷水平，会使线路多相闪络，发生相间短路速断跳闸，而本例故障只是线路单相接地，并没速断跳闸，故雷电直击产生的雷电流不可能超过65kA(或40kA) [3]。
可见避雷器故障原因是：避雷器阀片受雷电冲击能力较差，其中两片在雷电流作用下发生破裂，进而引发了其余阀片破碎及外套爆开等故障。
4.反事故措施
针对10kV避雷器阀片防侧面闪络能力及能量耐受能力较差的问题提出以下反措施：
4.1精选设计
应首选有多年稳定运行实践的产品。在选择生产厂时，应选择有先进的工艺设备和完善的检测手段的生产厂，才能保证所选用的氧化锌避雷器具有高的抗老化、耐冲击性能，在寿命周期内稳定运行。
4.2在线监测
增设在线监测仪，并加强对在线监测仪的巡检力度，特别是在雷雨后和易发生故障的部位增加巡检次数。
4.3防污措施
采取必要的防污措施，如定期清扫或涂防污闪硅油。选用防污瓷套型氧化锌避雷器。
4.4治理谐波
加强电网谐波的治理力度，在有谐波源的母线段增设動态无功补偿和滤波装置，以使电网的高次谐波值控制在国家标准范围内。
4.5技术管理
加强对氧化锌避雷器的技术管理，即对运行在网上的每一只氧化锌避雷器建立技术档案，对出厂报告、定期测试报告及在线监测仪的运行记录，均要存入技术档案，直至避雷器退出运行。
4.6预试工作
定期测量避雷器的U1ma和0.75U1ma下的泄漏电流，从而可有效地发现避雷器是否劣化、受潮，以便及早处理[4]，并校验在线监测仪。
5.结语
10kV避雷器在运行中故障形式主要是阀片侧面闪络，这是因为有的避雷器使用年限长，或者因为质量问题，顶部密封不良，造成内部受潮、阀片绝缘釉受损或阀片与外绝缘间的界面不良。为提高避雷器运行可靠性，应在设备选型和维修保养时，保证其防侧面闪络能力及阀片质量，并在运行中做好预试。
【参考文献】
［１］闫中华.提高MOA 阀片4/10 大电流冲击耐受能力的研究[J]，电磁避雷器,2000,（1）:42-46.
［２］张文化,郭洁,樊力.交流无间隙金属氧化物避雷器GB11032-2000[S].北京:中国标准出版社,2000.
［３］瘳冬梅,何金良，屠幼萍.ZnO避雷器运行状况的判断方法[J].高电压技术,2000,(26):22-23，26.
［４］中国南方电网有限责任公司企业标准，Q/CSG 1 0007--2004，电力设备预防性试验规程[S].中国电力出版社，2004.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文