一起500kV氧化鋅避雷器斷裂故障原因分析及處理

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（來源：電能革新）

氧化鋅避雷器以其優(yōu)良的非線性伏安特性在輸變電系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，是保護電力設(shè)備免受過電壓侵害的主要保護設(shè)備。國網(wǎng)冀北電力有限公司唐山供電公司的陳慶軍、李國光、徐海，在2025年第11期《電氣技術(shù)》上撰文介紹一起500 kV氧化鋅避雷器斷裂故障，通過對線路故障錄波文件、接線端子板受力進行分析，確定故障發(fā)生時序及故障原因。

避雷器采用長引線與出線直連的接線形式，電壓互感器布置在避雷器外側(cè)，且避雷器直徑較小，在大風(fēng)天氣下，避雷器承受的導(dǎo)線拉力較大，最終導(dǎo)致避雷器斷裂。為避免類似故障再次發(fā)生，結(jié)合現(xiàn)場情況，對引下線連接方式進行改造，將輸電線路引下線直接連接至電壓互感器頂部端子排。此改造方法簡單，便于工程應(yīng)用。

大規(guī)模超、特高壓交直流輸電系統(tǒng)已成為中國能源大范圍優(yōu)化配置的重要途徑之一。氧化鋅避雷器以其優(yōu)良的非線性伏安特性在輸變電系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，是保護電力設(shè)備免受過電壓侵害的主要保護設(shè)備。然而，由于氧化鋅避雷器通常安裝在戶外，因惡劣環(huán)境（雷、雪、冰、風(fēng)、地震等）、自身制造工藝缺陷、安裝工藝不良、絕緣配合不當(dāng)?shù)仍颍瑢?dǎo)致避雷器出現(xiàn)各種故障，常見故障有局部發(fā)熱、泄漏電流增大、內(nèi)部受潮、短路擊穿等，更有嚴(yán)重者發(fā)生斷裂、爆炸等事故，威脅電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行及人身安全。

近些年，避雷器故障時有發(fā)生，如：避雷器因天氣原因遭受多重雷擊發(fā)生熱崩潰故障；因基座法蘭開裂，在大風(fēng)天氣下導(dǎo)致避雷器斷裂；因頂端密封不嚴(yán)、防爆膜出現(xiàn)裂紋等，導(dǎo)致水汽侵入避雷器腔體而發(fā)生爆炸事故?？梢灶A(yù)見，隨著設(shè)備長期運行而老化，未來將有更多設(shè)備缺陷暴露，威脅電力系統(tǒng)及人身安全，因此正確分析缺陷產(chǎn)生原因，及時消除隱患，是電力運行及管理工作的重要內(nèi)容之一。

本文介紹一起500kV氧化鋅避雷器斷裂故障，通過分析故障原因，結(jié)合現(xiàn)場情況，提出改造方法，為避免此類故障提供參考。

1 故障情況及分析

1.1 故障概況

某公司A變電站500 kV系統(tǒng)采用3/2接線方式，全接線運行。某日，站內(nèi)某500kV線路（代號XY線路）XY一線5022、5023開關(guān)跳閘，線路保護裝置RCS、CSC保護未動作，重合閘未動作，XY一線CSC過電壓及遠(yuǎn)跳1保護動作，XY一線RCS過電壓及遠(yuǎn)跳2保護未動作。

1.2 一次設(shè)備現(xiàn)場檢查情況

現(xiàn)場檢查XY一線避雷器B相斷裂，如圖1所示。三相避雷器放電計數(shù)器均未動作，防爆膜完好，內(nèi)部無放電痕跡。其他一次設(shè)備外觀檢查未見異常。

圖1 XY一線避雷器B相斷裂

1.3 XY線路間隔設(shè)備概況

500 kV XY雙回線路為同塔并架雙回線路，XY一線B相引出線均接于站外終端塔（檔距約150 m）上相，其中A站雙回出線為側(cè)出線，出線架構(gòu)高度為33 m，避雷器和電壓互感器從出線架構(gòu)處引下，引下線長度約為25 m。電壓互感器布置于出線側(cè)，避雷器布置于電壓互感器內(nèi)側(cè)，線路出線通過引下線直接與避雷器相連，避雷器出線布置示意圖如圖2所示，現(xiàn)場避雷器出線布置如圖3所示。

其中，避雷器型號Y20W2—444/1063B1，電壓互感器型號TYD500/√3—0.005H，引下線為鋁鋼擴徑空芯導(dǎo)線，型號2×LGKK—600，其鋁截面積586.69 mm2，鋼截面積49.45 mm2，外徑51 mm。

圖2-圖3

2 原因分析

2.1 設(shè)備試驗情況

對故障后的XY一線避雷器A相、C相及斷裂后的B相開展直流1mA、底座絕緣試驗，對XY一線電壓互感器開展絕緣、介質(zhì)損耗及電容量試驗，高壓試驗數(shù)據(jù)均合格。

2.2 保護動作情況

故障時，A變電站XY一線CSC—125A過電壓保護動作出口，跳開A變電站5022、5023開關(guān)，同時對端站B變電站XY一線CSC—125A保護收到遠(yuǎn)傳開入且滿足低有功判據(jù)，遠(yuǎn)方跳閘保護動作出口，跳開B站5042、5043開關(guān)。故障發(fā)生時，A站XY一線線路電壓呈現(xiàn)非工頻特征，持續(xù)約4.4 s，由于CSC—125A和RCS—925A過電壓保護動作延時算法存在差異，最終CSC—125A保護動作，RCS—925A保護未動作。A站XY一線CSC—125A過電壓及遠(yuǎn)跳保護動作時序如圖4所示。

圖4 A站XY一線CSC—125A過電壓及遠(yuǎn)跳保護動作時序

A站保護動作時序：

1）XY一線CSC—125A保護，32 ms保護啟動。

2）XY一線CSC—125A保護，4295 ms過電壓保護動作、過電壓保護發(fā)信。

3）XY一線CSC—125A保護，4376 ms低功率元件動作。

B站保護動作時序：

1）XY一線CSC—125A保護，3 ms保護啟動。

2）XY一線CSC—125A保護，54 ms低功率元件動作。

3）XY一線CSC—125A保護，99 ms二取一經(jīng)判別出口。

2.3 避雷器接線端子板受力分析

風(fēng)作用于電力線上產(chǎn)生橫向風(fēng)荷載，風(fēng)、冰荷載共同作用時，引下線系統(tǒng)的最大應(yīng)力出現(xiàn)在端子板與接線柱連接處，其受力主要與風(fēng)壓和電力線受風(fēng)面積有關(guān)。此外，還要考慮線路的體型系數(shù)，與風(fēng)速大小有關(guān)的風(fēng)壓不均勻系數(shù)、與電壓等級和風(fēng)速大小有關(guān)的風(fēng)載調(diào)正系數(shù)、與電力線平均高度有關(guān)的風(fēng)速高度變化系數(shù)及風(fēng)向與電力線軸向間的夾角等的影響，計算公式為

式1-3

因站外終端塔三相為垂直布置，兩回出線從上到下各相排列分別是BAC和BCA，三相引下線高度不同，但兩回出線均為B相引線最長，XY一線引線略長，現(xiàn)按XY一線高度進行核算。

根據(jù)上述公式計算最大風(fēng)速、有冰有風(fēng)2種工況下的設(shè)備端子板受力情況。事故當(dāng)天局部大風(fēng)達到10級，10級風(fēng)速最大為28.4 m/s，按最大風(fēng)速35 m/s進行核算。導(dǎo)線覆冰厚度按最大10 mm計算。引下線受力計算工況見表1。

因B相引線最長，B相受力最大，避雷器B相端子板水平受力計算結(jié)果見表2，避雷器端子允許拉力為2 000 N，避雷器B相端子板承受拉力在廠家允許范圍內(nèi)。避雷器已運行12年，因與電壓互感器制造和裝配工藝不同，避雷器易發(fā)生連接法蘭受損開裂的情況，考慮到極端天氣和局部大風(fēng)，不排除導(dǎo)線拉力短暫大于設(shè)備允許值的情況。

表1-2

500 kV XY雙回線路為同塔并架雙回線路，并且XY一線B相引出線接于站外終端塔（檔距約150 m）的上相，由于現(xiàn)場風(fēng)力較大，大風(fēng)造成引下線擺動，導(dǎo)致XY一線避雷器第一節(jié)和第二節(jié)之間的法蘭結(jié)合處斷裂。避雷器在線路舞動的影響下發(fā)生斷裂后，與引線相連的上節(jié)在重力作用下落向電壓互感器，其均壓環(huán)與電壓互感器第一、二節(jié)法蘭接觸，導(dǎo)致電壓互感器第一節(jié)電容單元被短路，從而引起電壓互感器電壓測量值不正確，高于系統(tǒng)實際電壓值。

綜合裝置動作報告及故障錄波分析，故障狀態(tài)持續(xù)約4.5 s，CSC—125A（V1.07版本）過電壓保護動作延時采用“加加減減”的計算方式，即電壓采樣值大于過電壓定值69.3 V時，時間計數(shù)器累加，小于過電壓定值時，時間計數(shù)器遞減，并不直接清零，故障狀態(tài)期間時間計數(shù)器累計3 s滿足過電壓動作延時定值，過電壓保護動作出口。

另一方面，依據(jù)RCS—925A保護邏輯，過電壓保護動作延時在采樣值低于過電壓定值時清零，故障持續(xù)期間，RCS—925A保護4次啟動4次返回，持續(xù)最長時間為2 880 ms，未達到過電壓保護動作定值時間3 s，因此RCS—925A過電壓保護裝置未動作。CSC—125A與RCS—925A過電壓保護、故障錄波裝置所采集電壓波形一致，采樣回路正確；由于過電壓保護動作延時算法不同，CSC—125A過電壓保護先于RCS—925A過電壓保護動作，過程中保護動作行為均正確。

3 處理方案

原接線方式下避雷器采用長引線與出線直連的接線形式，電壓互感器布置在避雷器外側(cè)。當(dāng)風(fēng)向與電力線軸的夾角θ=90°時，為最不利工況，主要受力設(shè)備為避雷器，其頂部端子排受力為橫向風(fēng)壓力疊加冰重力及導(dǎo)線重力在水平方向的分力，考慮到避雷器制造工藝及運行條件，在極端天氣和局部大風(fēng)情況下，導(dǎo)線拉力將短暫大于設(shè)備允許值，避雷器有斷裂風(fēng)險。

為安全起見，結(jié)合現(xiàn)場情況，對引下線連接方式進行改造，將輸電線路引下線直接連接至電壓互感器頂部端子排，引下線幾乎與電壓互感器垂直，其作用力為橫向風(fēng)壓力，無冰重力及導(dǎo)線重力在水平方向的分力，改造后的設(shè)備將不再有斷裂風(fēng)險。

改造方案出線布置示意圖如圖5所示。此接線方式下，引下線長度變短，電壓互感器通過設(shè)備線夾連接至避雷器，電壓互感器和避雷器之間的引線也變短，拉力由避雷器和電壓互感器共同承擔(dān)，設(shè)備端子承受拉力減小。

圖5 改造方案出線布置示意圖

根據(jù)前述計算方法，改造后電壓互感器B相端子板水平受力計算結(jié)果見表3，避雷器B相端子板水平受力計算結(jié)果見表4。電壓互感器設(shè)備端子允許拉力為1500 N，實際端子拉力在廠家允許范圍以內(nèi)。改造后因引下線橫向距離變短，設(shè)備端子承受拉力也減小?，F(xiàn)場改造后出線布置如圖6所示。

表3、表4、圖6

4 結(jié)論

本文介紹了一起500 kV線路氧化鋅避雷器斷裂故障，分析了故障發(fā)生時序及故障原因，其主要原因為線路避雷器采用長引線與出線直連的接線形式，電壓互感器布置在出線側(cè)，避雷器布置于電壓互感器內(nèi)側(cè)，引下線距離太長，且避雷器上下節(jié)連接法蘭結(jié)合處易在雨雪冰凍條件下受損，在大風(fēng)覆冰條件下，引下線擺動，導(dǎo)線拉力大于設(shè)備運行允許值，導(dǎo)致避雷器斷裂，避雷器斷裂后落向電壓互感器，導(dǎo)致電壓互感器被短路，引起線路跳閘。

為避免類似情況再次發(fā)生，結(jié)合現(xiàn)場情況，對引下線連接方式進行改造，將輸電線路引下線直接連接至電壓互感器頂部端子排，此改造方法簡單，便于工程應(yīng)用。

從技術(shù)管理方面，后續(xù)應(yīng)加強對采用上述接線方式的避雷器及電壓互感器的巡視工作，尤其是對運行時間較長的老舊設(shè)備，重點檢查設(shè)備的紅外測溫、頂部端子板彎曲情況，觀察大風(fēng)雨雪天氣下設(shè)備是否存在擺動情況等，若擺動情況較劇烈，要做好引接線改造工作，停電檢修期間重點檢查設(shè)備上下節(jié)連接處，觀察螺栓是否松動，法蘭是否有開裂情況。

本工作成果發(fā)表在2025年第11期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“ 一起500 kV氧化鋅避雷器斷裂故障原因分析及處理 ”，作者為陳慶軍、李國光、徐海。