避雷器故障的 取证和鉴定

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避雷器本质上是转移雷电冲击和 操作冲击的设备,有时它的过载会 达到失效的程度。发生这种情况 时,正确地判定避雷器(或伴随避雷 器)失效的原因是非常有用的。这 将使电力公司的维修工程师明确: 避雷器寿命终止的事件是否仅是 避雷器在执行其预期的保护功能 时所造成, 还是其他需要解决的问 题,如果是其他问题,有可能牵扯到 整个系统。

这就是取证发挥有价值作用的 地方。就像在电视剧中, 专家办 案警察设法找出犯罪的真正罪 魁祸首。本文由I N M R专栏作家 Jon Woodworth 撰写, 就如何最好 地寻找和确定避雷器过载的根本原 因提供指导。

前言

终端过载基本上是指避雷器承受的应力 超过了其设计能力时发生的任何事件。 事件发生时,避雷器可能完整无损,也可 能破碎,在电气上避雷器表现为代开路 或短路。

虽然在上述情况下,避雷器可视为未能 履行其职能,但事实不一定如此。例如, 在过电压事件中,如果长期运行的避雷 器保护了高价值的设备,发生了终端过 载,这几乎不能被称为失效。事实上,这 种情况应该被称为是真正成功的。

然而,如果避雷器在通电几天后并且在 没有任何过电压发生的情况下,出现了 终端过载,更有可能是发生了某种形式 故障的迹象。那么,取证分析是正确判 断真实故障原因的唯一途经。

在大多数情况下,进行取证分析的根本 原因是,几个相同设计的避雷器发生终 端过载,受到影响的电力公司需要找出 该问题是否是由整个系统原因所造成 的。如果是整个系统的原因并因此引起 故障,与只是由避雷器本身原因的孤立 事件相比,可能会需要不同程度的处理 策略。事实上,取证分析的主要目的之 一是,确定是否有另外的、与避雷器不 相关的电力系统问题需要解决。

伴随避雷器

伴随避雷器与附近的过载避雷器安装 在同一相上,或安装在过载避雷器附近 的另外一个相上,其生产批号和类型与 过载避雷器类似。取证分析过程中研究 这些避雷器极其重要,在这方面,伴随 避雷器最好未曾遭受过同样的过载或爆 炸。这是因为任何发生过终端过载的避 雷器,工频故障电流造成的损害掩盖了 大部分取证证据。这个故障电流通常沿 避雷器由系统流向大地,并把各种组件 的温度升高并超过它们的熔点。因此, 在确定问题的根本原因时,获得合适的 伴随避雷器成为了关键的因素。

相关的系统数据

收集与过载事件相关的系统数据,对任 何分析都是有益的,但往往是取证检查 中最困难的部分。这些数据应包括:

1. 系统电压;

2. 电源变压器的中性点配置(如接地、 未接地、经阻抗接地);

3. 有效故障电流的大小;

4. 避雷器的位置;

5. 相同相上、相同变电站或相同线路上 的其他设备(例如电容器、开关、断路 器、变压器和电抗器)以及在过载期 间及之后的状态;

6. 故障位置的历史(例如过去几年里 的其他过载);

7. 在当时或前几周操作冲击或雷电冲击 的活动情况;

8. 与系统上使用的相同批号和相同设 计的避雷器的性能历史;

9. 是否有可能提供根本原因线索的任 何其他取证分析的数据。

在收集以上信息时,避免不相关或不准 确的信息,尽可能多依据那些直接参与 过载处理人员所提供的信息,这将是非 常有用的。最后收集事故现场碎片的人 员通常有最多信息,如在事件之后避雷 器的真实状况。了解过载避雷器是否仅 在大暴雨之后被摘除也是有价值的。

分析

使每一个分析尽可能有效的观察程序包 括以下内容:

• 从尽可能多的渠道收集尽可能多的系 统数据。要采访能对故障情况提供不 同介绍的几类人员。

• 检查故障避雷器,并从标签、货运单 据和铭牌中记录尽可能多的数据。

• 收集有关避雷器的原始目录和文献。

• 全面收集故障避雷器元部件的照片。

• 如果避雷器单元(已过载或伴随)是完 整可用的,对其进行全方位的电气测 试,如Vref、功率损耗、局部放电和泄 漏电流。

• 如果避雷器内部有空气间隙时,在拆 卸前取样并进行气体分析。

• 仔细拆卸避雷器,给全部零部件贴上 标签,照相机要处于能拍摄高分辨率 特写图像的不间断工作状态。这一阶 段的工作包含其他相关的内容,确保没 有任何遗漏。

• 如果部件没有大的损坏,则进行更多 的电气测试,逐一核对应查项目,找出 可疑迹象。

• 一旦测试和检查完成后,把部件归 位,至少直到所有的照片都已被审查, 最好是在大屏幕上审查而且其放大倍 率尽可能高。

• 写取证报告,列出潜在的根本原因,消 除任何基于照片和测试所认为的不可 能的原因。

失败的主要原因和标志

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1. 潮气进入

潮气进入可能是世界各地避雷器故障的 最主要的单项原因,无论是瓷外套避雷 器还是潮气最有可能进入的空心复合外 套避雷器。潮气的进入或者通过排气系 统的金属隔板发生,或者沿橡胶密封件 周围发生。在复合外套避雷器的情况下, 潮气也可以随着时间的推移直接通过橡 胶迁移或沿上下端部密封件迁移。

复合外套避雷器潮气进入
发生了外部闪络和密封受损的复合护套避雷器。

1a. 常见原因:

制造缺陷、在运输过程中的处理不当或 损坏密封件的外部闪络。

1b. 失效机理:

这往往是一个长期的故障机制,由于避 雷器的内部气体和外界大气之间的压力 差,从而使水分沿老化、破裂或其他缺 陷的密封件被吸入到内部。一旦密封件 失效,这种吸收机制在晚上将使避雷器 吸入潮湿空气,因为这时内部压力低于 大气的压力。

由于潮湿空气在内部气体和大气之间交 换,内部的相对湿度达到与外部相同的 水平。在某一个湿润的内部气体温度低 于露点上,潮气沿着避雷器电应力内部 组件的方向凝结。这将导致干燥带电弧 和沿润湿表面的介电起痕,并最终将导 致避雷器单元的短路。

1c. 标志

当潮气进入是失效机理的部分原因时, 往往有以下情况显示,金属部件上有褐 色锈(或铝件上有白锈)、工作电压下 的功率损耗增加、沿电应力组件上的起 痕、红外图像中的温度升高、绿色的铜 氧化、气体分析中有水的存在、橡胶密封 件硬化并且弹性所剩无几。

旧铁锈被电弧所产生的碳的副产品所覆 盖,说明在故障之前已有铁锈产生。

1d. 注意事项

由潮气引起的绝缘失效所导致的故障 电流,外观与暂时过电压造成的过载相 似。通常情况下,避雷器内部的长时间 局部放电活动将导致产生足够的臭氧来 氧化避雷器部件,类似于在潮气进入时 所发生的情况

1e. 潮气进入无空气间隙的复合外套设 计

虽然复合外套避雷器享有最佳防潮密封 的声誉,但尚无证明这是正确的。空气 间隙非常小的复合外套避雷器,在金属 端子与本体结合处仍然容易受到潮气进 入。而且硅橡胶、EPD(三元乙丙橡胶) 及其他橡胶都会以不同的速率传输水蒸 气。随着时间的推移,这可以使整个避 雷器的相对湿度上升到与环境大气相同 的水平。

潮气传输特性导致了开发一些不受此现 象影响的避雷器设计。这意味着,不允 许任何传输的水蒸气凝结在内部零件 上,也不允许以毛细管的形态聚集或对 避雷器性能有害的任何形式的凝结。

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1f. 失效机理

与瓷外套避雷器一样,这往往也是一个 长期的失效机理。如果确定水蒸汽传输 是原因,这种蒸汽聚积在橡胶/MOV(金 属氧化物压敏电阻)电阻片界面处的任 何小空隙里,并在低温下凝结,这将导 致沿界面的介电击穿。另一个潜在的失 效机理是,水渗透了压力密封件,并以 毛细管的形式沿玻璃纤维填充的组件传 输。如果这些毛细管承受电应力,可以 导致介电击穿和完全失效。

瓷外套避雷器存在与上述问题的所有相 同标志。使用红色染料渗透液可以有效 地定位此类气体入口和毛细管。

显示故障前(深色)和故障后(浅色)钢部件生锈, 故障前的锈迹上有熔融铝.
使用红色染料渗透液定位裂缝或漏气隔板。

2. 外部闪络

外部闪络故障是2.5 kV(Uc)到25 kV(Uc)之间的短避雷器的最常见故 障。然而,因为避雷器外套基本上是一 个可自恢复的绝缘子,所以这种故障也 可能从来不会被检测到。这种情况通常 由50或60 Hz造成,与雷击无关。

2a. 原因

这种类型故障的主要原因或者是动物或 者有雾存在时的严重污秽。

2b. 失效机理

如果闪络是动物造成的,动物触电致死 并在避雷器的外套上产生外部电弧。然 后系统的某个过流装置将闪络产生的故 障切断。如果接地故障电流被限制,并 且系统一般可以在事故发生后马上被重 新通电,那么避雷器甚至有可能完全不 受影响。

2c. 标志

电弧在避雷器的高压侧留下痕迹,有时 也可能在接地端(轻度到重度电弧在外 套上留下标记)。

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3. 过多的局部放电

短时期内避雷器内部发生一些局部放电 是可以普遍接受的,例如在雨中或降水 过程中,这时,与干燥的内表面相比,其 外表面上有不同的电压水平,从而产生 显著的径向电应力。如果过多的局部放 电存在,这可能导致电阻片以及避雷器 绝缘的退化从而导致其完全失效。 这种类型的故障模式主要发生在具有大 量内部空气间隙的避雷器单元,如瓷外 套和复合空心外套(管型)避雷器。由于 这是一个长期的过程,如果局部放电保 持在低水平,可能永远不会导致避雷器 失效。

局部放电对有机元件的影响。

3a. 原因

制造缺陷、潮气进入、处理不当、过多污 秽和外部表面上的水分。

3b. 失效机理

局部放电活动开始规模很小并从初始点 继续发展。长时间的放电后,放电区域 内的绝缘强度会降低,这可能导致电应 力部件的闪络。局部放电也会减少电阻 片周围空气中的氧含量,并在某些情况 下甚至改变电阻片的特性。

3c. 标志

在电气测试中,局部放电活动在工频跟 踪中以高频尖峰表示,使用RIV(无线电 干扰电压)或PD(局部放电)设备会有高 读数的局部放电值,在元件边缘、边角和接触点附近会变色,在橡胶元件上也 可能出现多重颜色。

3d. 注意事项

长时间低水平的局部放电可以腐蚀和氧 化避雷器的金属部件,与潮气进入的方 式类似。

4. 雷电

超出避雷器设计极限的雷击可能导致其 内部电介质的终端过载。如果避雷器遭 受直击雷,故障可能随之产生。然而,如 果过电压造成的损害很小,故障也可能 随后产生。例如,在雷电冲击时产生的 轻微损伤会最终引发局部放电,继而导 致介电起痕和电气性能完全失效。

4a. 原因

这种故障的原因可以包括:高幅值的单 次雷电流冲击或幅值较大的多重雷电 流冲击、不适当的雷电额定负载、连续 冲击同一避雷器,或冲击故障后超过避 雷器容量的电路故障造成暂时过电压 (TOV)。

4b. 失效机理

如果雷击超过避雷器的容量,MOV电阻 片将开始吸收过电压,急剧升温,或许 电阻片破裂然后闪络。这将导致工频闪 络和故障电流,它可以掩盖事故的所有 证据。如果雷电冲击仅对避雷器的电介 质造成相对轻微的损坏,它会由于上述 其它原因而在后期产生故障。

4c. 标志

如果避雷器遭受高幅值的过电压,很可能其MOV材料会产生极化,因此在极性一端任何地方的电导率与相反极性一端 的电导率将相差5%-20%。如果过电压 仅损坏了避雷器的电介质并最终导致长 期的绝缘失效,目前还没有有效的方法 来确认这种情况。如果复合外套避雷器 出现的故障电流较小,橡胶可能不显示 任何故障迹象。但电气试验可能会显示 其出现短路或接近短路的现象。

MOV电阻片的交流测试可以显示其极 化。如果电阻片遭受大的过电压,它将 显示得非常明显。

4d. 注意事项

如果故障电流足够大,它可以掩盖雷击 引起过载的所有证据。

电阻片呈现极化可能是过高 冲击造成.

5. 暂时过电压

超出避雷器设计容量的基波工频电压所 造成的终端过载的情况并不少见。设计 避雷器时应该能够耐受这种过电压,在 安装时如果适当地调整尺寸,不会出现 过载的结果。然而,有时电路配置会改 变、或断路器处于开路状态、或其它电 路问题产生的电压超出了避雷器的设计 极限。遗憾的是,从取证的角度来看,取 证人员可能立即误判为暂时过电压造成 避雷器故障,实际上,避雷器失效可能 与暂时过电压无关,而是由来已久的其 他原因引发的故障(如上述原因)造成 避雷器损坏。

TOV过载造成电阻片裂为两块。

5a. 原因

TOV类型故障的典型原因包括:三相系 统中非故障相的过度电压上升、避雷器 的不正确使用、改变系统的中性点配置、铁磁谐振、系统的中性点断开、电阻 片老化或线路接触了更高系统电压的 线路。

5b. 失效机理

在TOV过载期间,避雷器两端的电压将 上升,这时电阻片的传导电流远超过稳 定状态时的电流。这种电流将导致电 阻片的温度急剧上升,这反过来又降低 了其电阻,导致更大的电流,最终导致 避雷器故障。如果TOV过载仅在临界状 态,上述的温升可在一个较长的时期内 发生。

5c. 标志

这些标志包括在两种极性下电阻片特征 的变化、芯组中几个电阻片的破裂、电 阻片的闪络、在复合外套避雷器内部或 在瓷外套避雷器的开式通风口处产生 爆炸。

5d. 注意事项

避雷器在雷击过程的最小损坏、电阻片 老化或操作冲击都可以导致类似TOV过 载的故障模式。取下电阻片的故障部分 并对该部分进行AC测试有助于确认其 是否TOV过载。

凿下的一块电阻片显示了遭受冲击 的历史。

6. 操作冲击过载

这种过载模式在下面情况下可能发生: 避雷器遭受由投切电容器组、对长线路 进行切换或合闸、对高压线路进行切换 或导致超过避雷器设计极限的其他情况 产生的过电压。通常情况下,这仅发生 在220千伏以上系统或安装有特高电压 电容器组的系统。

6a. 原因

断路器的再次击穿或预击穿,电容器投 切的再次击穿或预击穿。

6b. 失效机理

本质上与雷电的机理相同。

6c. 标志

在圆盘铝电极上有许多小孔,一般沿圆 盘电极的周边分布。另一个标志是较低 水平的电阻片极化。

6d. 注意事项

初始过载后的故障电流损坏可以掩饰真正的原因。

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7. 电阻片的老化

MOV避雷器自推出以来,业内人士已广 泛认为:金属氧化物电阻片在长期电压 作用下,其特性可能发生变化,被称为 老化。如果这种变化导致电阻片在正常 工作电压下产生更大的功耗,可能会导 致避雷器失效。

7a. 原因

主要是电阻片的不当制造。

7b. 失效机理

在正常工作电压下,功耗逐渐增加会导 致避雷器内部发热。当产生的热量超过 避雷器散发到环境的能力时,将导致绝 缘失效和系统故障。

7c. 标志

这种类型故障的主要标志是在正常运行 温度下避雷器发热,在运行电压下功耗 过大,电阻片的功耗与同一柱中其它电 阻片的不同,电阻片的非线性系数降低 (如伏安曲线所示)。

8. 避雷器故障和过载的其他原因 外部污秽

这种类型的过载可能导致瓷外套的外部 闪络或过多的内部局部放电。

不适当的Uc或TOV的额定等级

安装Uc值低于稳态系统电压的避雷器可 能会导致其故障,故障结果看上去仅如 轻微的TOV。例如,如果系统已安装有 中性点阻抗,需要高于接地中性点的最 大持续运行电压(MCOV)的避雷器,并 且系统上的故障可以导致非故障相上的 避雷器发生故障。

不平衡电场

如果避雷器被安装在距离另一相接地装 置太近时,可能发生这种故障模式。这 种不正确的安装可能导致避雷器内部间 隙的局部放电并最终产生故障。由于电 压不平衡,它也可以导致电阻片过热。 避雷器上使用了不适当的均压环也可以 导致这种类型的故障

电阻片柱错位

在优化设计中,瓷外套避雷器内的单个 电阻片柱应该始终处于中心位置。如果 电阻片在运输或安装过程中出现错位, 可能导致稳定状态下的局部放电超出可 接受水平。运输过程中错位的电阻片柱 也可能导致电阻片边缘的物理损坏,结 果是在雷击事件中随时发生局部放电或 者甚至发生闪络。

不正确的弹簧压力

如果避雷器内的弹簧没有足够的压力, 电阻片柱更容易出现错位。这种类型的 缺陷可导致和上述相同的错位问题。同 样,如果弹簧的压力太低,在冲击事件 中会更容易发生局部放电或损坏电阻片 的情况。

机械应力

如果避雷器在安装过程中承受了过多 的机械应力,那么经过长时间后可能失 效。这种不当安装通常导致密封件失 效,失效的密封件反过来导致内部元件 的绝缘失效。

击碎瓷避雷器进行分析, 电阻片显示 发生了闪络

毛刺

如果使用带有尖角或尖棱的导电部件 组装高压避雷器,会导致内部的局部放 电。这种设计或制造上的缺陷可导致避 雷器的绝缘失效。

绝缘强度不足

如果避雷器内的任何材料,其内部或表 面的绝缘强度不足以耐受稳态电压或冲 击电压时,它们会起痕或闪络。过电压 事件将使这类制造缺陷更加恶化。

拆卸注意事项

用于取证分析目的解剖避雷器时需要熟 悉其内部元件。因此,建议在拆卸前,应 保留所有内部元件的图纸或草图。

如果避雷器是瓷外套,并且使用螺栓不 能很容易拆卸时,最好的解决办法是直 接用锤子砸开避雷器。虽然内部弹簧压 力通常没有高到将瓷片弹出几厘米远 之外,但最好还是用毯子或厚纸覆盖避 雷器以便收集所有零部件。应该在任何 时候都使用厚手套,以避免瓷碎片造成 的伤口。因取证分析需要对复合外套避 雷器进行解剖时,通常只用剃刀已经足 够

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