王陸璐,黃佳瑞,吳成成,左中秋,錢青春,萬 克,陳 立

(中國電力科學(xué)研究院有限公司,武漢 430074)

0 引言

避雷器作為電力系統(tǒng)絕緣配合的基礎(chǔ),是重要的過電壓保護裝置,其自身的安全可靠性對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行具有十分重要的作用。近年來,時有變電站避雷器爆炸事故發(fā)生,給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來了極大風(fēng)險。隨著避雷器投運年限的增長,其承受過電壓的頻次增加,加之正常運行時也存在性能老化問題,避雷器的故障風(fēng)險增高[1-7]。

2020年8月27日500 kV HP線縱聯(lián)差動保護動作,500 kV線路P站兩項開關(guān)跳閘。經(jīng)線路及站內(nèi)故障巡視發(fā)現(xiàn),HP線線路218號桿塔B相發(fā)生雷擊故障,導(dǎo)致P站線路側(cè)B相避雷器擊穿燃燒。P站線路側(cè)避雷器于1998年正式投運,至事故發(fā)生時已運行22年。事故發(fā)生后,該站線路側(cè)同組A、C兩相避雷器也退出運行,對這2支避雷器采用整體試驗和解體試驗的方式分析其性能老化程度。整支避雷器性能試驗包括:直流1 mA參考電壓、0.75倍直流參考電壓下漏電流試驗、局部放電試驗、工頻參考電壓、持續(xù)電流、密封、機械負荷試驗共7項。解體電阻片試驗包括:伏安特性曲線(覆蓋10 μA～40 kA)、殘壓試驗、老化特性、大電流沖擊、方波沖擊、動作負載、工頻電壓耐受時間特性試驗共7項。

長期運行的避雷器存在性能老化問題,但對于運行超過20年的避雷器的老化性能定量分析較少報道。目前的研究主要集中在通過例行試驗、停電檢修等方式測量避雷器的參考電壓和阻性電流等參數(shù)來判斷避雷器的運行狀態(tài);通過密封性能、能量耐受能力兩方面來分析避雷器的故障原因。定量分析老舊避雷器的電氣老化性能有助于系統(tǒng)運維人員了解避雷器性能的老化規(guī)律,對保障變電站內(nèi)避雷器的正常運維是非常必要的[8-12]。

筆者以P站線路側(cè)退出運行的A、C相避雷器為研究對象,以另一變電站中正常運行了3年額定電壓相同的避雷器作為對照組,通過整體電氣試驗方式橫向?qū)Ρ炔煌\行時長的避雷器性能老化情況;將A、C相避雷器入網(wǎng)試驗、2017年停電檢修試驗時的相關(guān)數(shù)據(jù)與本次試驗數(shù)據(jù)對比,縱向分析兩支避雷器的性能老化情況。解體A、C相避雷器,取用其核心元件電阻片進行試驗,分析經(jīng)長期運行后電阻片性能老化情況。最后結(jié)合試驗數(shù)據(jù)對老舊避雷器進行整體老化性能評估,為電網(wǎng)中同類避雷器的老化性能分析提供技術(shù)支撐。

1 整支避雷器電氣性能試驗

1.1 避雷器試品信息

試品共3支500 kV交流系統(tǒng)電站用無間隙金屬氧化物避雷器。2支為P站線路側(cè)退出運行的A、C相避雷器,型號為Y20W1-444/1050,文中簡稱為001A、001C號試品,每支避雷器由3節(jié)元件組成;另1支為某500 kV變電站中正常運行3年的同類型避雷器,型號為Y20W2-444/1106B1,同樣由3節(jié)避雷器元件組成, 文中簡稱為002號試品。兩種試品均為瓷外套避雷器,且額定電壓相同,002號避雷器作為001A及001C的對照組進行試驗。3支避雷器退運前均運行正常、無損壞現(xiàn)象,全部試驗在試驗室環(huán)境下完成。

1.2 試驗數(shù)據(jù)及分析

表1中列舉了3支試品的直流1 mA參考電壓、0.75倍直流參考電壓下漏電流試驗、工頻參考電壓、持續(xù)電流、功耗、局部放電共6項試驗數(shù)據(jù)。按照GB/T 11032標準規(guī)定額定電壓444 kV的避雷的器直流參考電壓應(yīng)不小于597 kV,參考電壓越高反應(yīng)避雷器自身耐受短時工頻過電壓的能力越好,其自身的安全穩(wěn)定性越高。泄漏電流反應(yīng)了避雷器用電阻片的受潮及老化情況,泄漏電流值越大,說明可能存在電阻片受潮或性能老化問題越嚴重,GB/T 11032標準規(guī)定避雷器的泄漏電流不應(yīng)超過50 μA。避雷器的老化和受潮問題也體現(xiàn)在持續(xù)電流及功耗數(shù)據(jù)增長上。

表1 整支避雷器的電氣性能試驗數(shù)據(jù)Table 1 Electrical properties test data of the arresters

分析表1中的數(shù)據(jù)可知,002號試品的直流參考電壓值較001A和001C分別高3.27%、4.15%; 001A、001C的泄漏電流值較002高出一個數(shù)量級,且已接近標準規(guī)定的50 μA上限值;001A、001C的全電流有效值為002的4.4倍,阻性電流峰值和功耗是002的3倍左右;3只試品的局部放電量都在標準規(guī)定的10 pC以內(nèi)。通過上述分析可以發(fā)現(xiàn),運行時間超過22年的避雷器001A、001C相較于同型號的002號避雷器有直流參考電壓降低、泄漏電流增加、持續(xù)電流增大、功耗增大的情況,說明老舊避雷器確有明顯的性能老化趨勢,但各項參數(shù)還在標準規(guī)定的運行范圍內(nèi)。

為明確老舊避雷器的密封性能,對3只避雷器進行了密封試驗,采用GB/T 11032-2020標準第8.13節(jié)中規(guī)定的熱水浸泡法進行試驗,數(shù)據(jù)見表2。在30 min浸泡過程中試品001A和001C的瓷套與頂部、底部法蘭連接處均有連續(xù)小氣泡逸出。試品002無連續(xù)性氣泡逸出。熱水浸泡后將試品取出自然冷卻干燥至環(huán)境溫度,復(fù)測直流參考電壓及泄漏電流,驗證試品的密封性能。由表2的數(shù)據(jù)可以看出,熱水浸泡后試品001A、001C的泄漏電流都有明顯增加,超過了標準規(guī)定的50 μA,與熱水浸泡前相比增量超過標準規(guī)定的20 μA。其中001C經(jīng)熱水浸泡后直流參考電壓跌落至標準規(guī)定的597 kV以下。試品002通過熱水浸泡后的驗證試驗,直流參考電壓和泄漏電流變化都在標準規(guī)定的范圍內(nèi),且變化微小?；谝陨蠑?shù)據(jù)分析,經(jīng)過長時間運行的避雷器001A、001C的密封性能存在一定程度的劣化,無法通過標準規(guī)定的試驗,而運行了3年的避雷器002的密封性能依舊良好。

表2 整支避雷器的密封試驗數(shù)據(jù)Table 2 The sealing test data of the arresters

將運行22年后001A及001C號試品與其自身投運前入網(wǎng)試驗、2017年停電檢修試驗中直流參考電壓、泄漏電流數(shù)據(jù)進行縱向?qū)Ρ?。相較于投運初期,本次試驗中001A、001C的直流參考電壓跌落明顯,最大偏差值達到-4.75%,接近標準規(guī)定的5%偏差范圍;泄漏電流也接近50 μA的上限值,較投運初期增加34 μA及40 μA。2017年檢修試驗中,相較于投運初期A、B、C三相避雷器的直流參考電壓跌落最高達-2.63%,泄漏電流最大增長了29 μA。試驗數(shù)據(jù)對比見表3。

表3 A、C相避雷器入網(wǎng)試驗、2017年檢修試驗及本次試驗數(shù)據(jù)對比Table 3 Comparison of three test data of A and C-phase arresters

以上數(shù)據(jù)分析可以說明,投運初期該站的三相避雷器性能良好,隨著運行年限增加,在2017年的停電檢修試驗中三相避雷器已出現(xiàn)性能劣化趨勢,但仍在可正常使用范圍。直至本次試驗,退運的001A、001C避雷器直流參考電壓、泄漏電流等電氣性能已接近標準的最低要求值,存在一定的運行隱患。

2 避雷器用電阻片試驗

試品為001A、001C避雷器解體后取出的電阻片,這些電阻片已隨整支避雷器一起運行了22年,部分電阻片表面有少許電弧灼傷痕跡,電阻片尺寸為Ф105 mm/42 mm×22 mm。其中隨機選擇外觀完好的電阻片19片,編號301～319;外觀有缺陷的電阻片10片,編號101～110,完成以下試驗。

2.1 長期穩(wěn)定性試驗

GB/T 11032-2020標準中規(guī)定,避雷器電阻片需要通過長期穩(wěn)定性試驗程序來驗證其老化性能。將電阻片加熱到115 ℃±4 K,在施加最大持續(xù)運行電壓Uct后的3 h±15 min測量電阻片的功耗Pstart,在這個電壓持續(xù)1 000 h期間控制電阻片表面溫度穩(wěn)定在115 ℃±4 K,其間每100 h測量一次電阻片功耗。在長期穩(wěn)定性試驗期間,測量的所有功耗應(yīng)不大于1.1Pstart,且從測量的最小功率損耗Pmin點開始到試驗結(jié)束期間,測量的最大功率損耗應(yīng)不超過1.3Pmin。

試驗施加電壓Uct按兩種算法:①按照95%荷電率對電阻片施加電壓,這是目前國內(nèi)慣用的試驗方法。②按照1.15倍單片持續(xù)運行電壓Uc施加老化試驗電壓,這種電壓計算方法來自IEC標準,系數(shù)1.15包含了避雷器最大電壓分布不均勻系數(shù)的影響。使用荷電率折算的老化試驗電壓通常高于考慮電壓分布系數(shù)換算的試驗電壓。也就是說,國內(nèi)采用荷電率的方法來考核電阻片老化性能更為嚴格,預(yù)留的老化性能裕度也更大。

表4、表5為001A、001C用電阻片采用95%荷電率和1.15倍持續(xù)運行電壓進行老化試驗的數(shù)據(jù)。由于Pmax2/ 1.3Pmin小于1,且Pmax1/1.1Pstart小于1,說明電阻片耐老化性能良好,滿足GB/T 11032規(guī)定的長期穩(wěn)定性試驗要求。根據(jù)阿侖紐斯(Arrhenius)定律,通過上述的長期穩(wěn)定性試驗意味著在環(huán)境溫度40 ℃的條件下,電阻片預(yù)測最小使用壽命為110年;在環(huán)境溫度為65 ℃的條件下,電阻片預(yù)測最小使用壽命為22年。說明經(jīng)過長年運行后的電阻片仍然具有較好的耐老化性能,老化曲線見圖1,圖2。

圖1 化試驗曲線(Ф105 mm/42 mm×22 mm,95%荷電率)Fig.1 Aging test curve(95% charge rate)

圖2 老化試驗曲線(Ф105 mm/42 mm×22 mm,1.15Uc)Fig.2 Aging test curve (1.15Uc)

表4 按95%荷電率施加電壓的電阻片老化試驗Table 4 Aging test of resistors with applied voltage according to 95% charge rate

表5 按1.15Uc施加電壓的電阻片老化試驗Table 5 Aging test of resistors with 1.15Uc applied voltage

2.2 伏安特性曲線及殘壓試驗

對001A和001C中取出的電阻片進行伏安特性試驗,并繪制折算到整支避雷器的伏安特性曲線(覆蓋10 μA～40 kA),見圖3,避雷器用電阻片的非線性特征明顯,能起到有效限制過電壓的作用。電阻片殘壓及折算成整支避雷器的殘壓試驗數(shù)據(jù)見表6。

圖3 001A、001C避雷器的伏安特性曲線Fig.3 The U-I characteristic curve of 001A and 001C arrester

表6 殘壓試驗數(shù)據(jù)Table 6 Test data of the residual voltage test kV

目前500 kV等級變電站無間隙避雷器用電阻片的U20kAp/U1mADC壓比通常在1.60～1.65之間,表6中標稱放電電流下電阻片的壓比在1.8左右,較常規(guī)值高10%左右。其原因主要有兩方面:第一,001A和001C避雷器投運時間非常早,當(dāng)時的電阻片制造水平有限,生產(chǎn)的電阻片壓比偏高;第二,經(jīng)過長期運行電阻片存在一定的老化,參考電壓降低,導(dǎo)致壓比增高。表6中折算至整支避雷器的雷電沖擊殘壓1 102.4 kV超出制造廠宣稱的要求值1 050 kV約5%,但滿足GB/T 11032規(guī)定不大于1 106 kV的要求,操作沖擊殘壓和陡波沖擊殘壓都滿足要求。

2.3 電流沖擊耐受試驗

對001A和001C避雷器中取出的電阻片進行大電流沖擊耐受試驗和方波沖擊電流耐受試驗。為了充分檢驗經(jīng)過長期運行的電阻片電流耐受能力,分別在外觀完好和有缺陷的電阻片上進行試驗,試驗數(shù)據(jù)見表7。電阻片外觀缺陷主要為釉面放電損壞痕跡,以圖4為例。外觀完好和外觀缺陷的電阻片試品各5片,均通過4/10 μs ,100 kA大電流沖擊耐受試驗,兩次沖擊電流后試品無擊穿、閃絡(luò)或開裂現(xiàn)象。試驗前后電阻片參考電壓變化率不超過5%,殘壓變化率也不超過5%,滿足GB/T 11032要求。

圖4 電阻片外觀缺陷照片F(xiàn)ig.4 The photo of appearance defects of resistors

表7 大電流沖擊耐受試驗數(shù)據(jù)Table 7 High current impulse withstand test data

對外觀有/無缺陷的電阻片試品(各5片)進行2 ms, 1 200 A方波電流沖擊18次,沖擊電流后試品無擊穿、閃絡(luò)或開裂現(xiàn)象。試驗前后電阻片參考電壓變化率、殘壓變化率均不超過5%,滿足GB/T 11032要求,試驗數(shù)據(jù)見表8。為進一步檢驗電阻片的通流能力提升方波電流至1 500 A,另外選擇外觀有/無缺陷的電阻片試品(各3片)再次進行試驗,外觀完好的電阻片全部通過,外觀有缺陷的電阻片中有1片在第3次方波沖擊時發(fā)生擊穿破裂,其余兩片試品通過試驗。

表8 方波沖擊電流耐受試驗數(shù)據(jù)Table 8 Long-duration current impulses withstand test data

長期運行過程中避雷器可能多次承受過電壓沖擊,導(dǎo)致其內(nèi)部電阻片出現(xiàn)外觀缺陷痕跡和性能劣化,這會導(dǎo)致電阻片通流能力減弱。試驗中外觀完好的電阻片全部通過大電流沖擊及方波沖擊電流耐受試驗,而外觀有放電痕跡的電阻片在1 500 A的方波電流沖擊時存在擊穿損壞現(xiàn)象也證明了這一問題。

3 避雷器老化性能評估

避雷器的性能老化主要與運行時間、耐受過電壓的頻次、環(huán)境條件對密封性能的影響等因素有關(guān),是綜合作用的結(jié)果。可能存在避雷器雖運行時間長,但耐受過電壓次數(shù)較少,運行環(huán)境溫濕度變化范圍窄,避雷器性能劣化趨勢緩慢,運行多年依然具有良好的保護特性;也會遇到避雷器運行時間不長,但由于線路設(shè)計的絕緣配合裕度不足,導(dǎo)致避雷器頻繁動作提前出現(xiàn)性能老化的現(xiàn)象。因此對于避雷器性能是否老化的評估不可單從運行年限考慮,而應(yīng)通過監(jiān)測關(guān)鍵參量來評估避雷器的性能老化程度[13-19]。

筆者研究的經(jīng)22年長期運行的500 kV交流電站避雷器用電阻片性能良好,仍可滿足標準要求,尤其老化試驗結(jié)果,依據(jù)阿侖紐斯(Arrhenius)定律電阻片可繼續(xù)長期使用,能夠滿足國網(wǎng)避雷器招標要求的30年使用壽命。但避雷器的整體性能不僅與電阻片性能有關(guān),還與避雷器的密封性能密切相關(guān)。從第1節(jié)避雷器的電氣性能試驗發(fā)現(xiàn),其直流參考電壓、泄漏電流、阻性電流及功耗已表現(xiàn)出明顯的性能劣化趨勢,且密封試驗中存在氣泡連續(xù)不斷的逸出現(xiàn)象,熱水浸泡后的驗證試驗也表明密封性能有不足,繼續(xù)運行必然導(dǎo)致避雷器自身安全性能劣化,當(dāng)需要耐受較大的過電壓時,避雷器容易發(fā)生損壞、炸裂。

因此,從電阻片自身的性能分析,運行20年以上的避雷器仍然具有良好的老化性能,但考慮運行過程中的避雷器元件密封性能持續(xù)緩慢劣化,會導(dǎo)致避雷器元件電氣性能緩慢劣化,直至無法承擔(dān)過電壓沖擊而損壞。根據(jù)本研究數(shù)據(jù)和經(jīng)驗,由于電阻片耐老化性能良好,如考慮整支避雷器的密封性能不劣化,500 kV電站用瓷外套避雷器可達到國網(wǎng)招標要求的總安全運行時間30年的要求[20-29]。

基于本研究給出如下建議:變電站例行運維試驗中如避雷器的直流參考電壓跌落在2%以內(nèi),泄漏電流不超過20 μA,表示避雷器運行性能良好,維持例行檢查即可;當(dāng)直流參考電壓跌落在2%～4%范圍內(nèi),泄漏電流不超過30 μA,表示避雷器性能已出現(xiàn)老化,需要增加監(jiān)測頻次,或通過在線監(jiān)測手段結(jié)合其他參數(shù)判斷避雷器的運行狀態(tài);當(dāng)直流參考電壓跌落超過4%,泄漏電流超過40 μA,表示避雷器運行存在安全隱患,再次承受較大的過電壓時擊穿損壞風(fēng)險極大,安全起見考慮更換避雷器。

4 結(jié)論

1)運行超過20年的避雷器用電阻片依然能夠有良好的老化性能、能量耐受能力,能夠滿足GB/T 11032標準要求。根據(jù)阿侖紐斯(Arrhenius)定律在環(huán)境溫度40 ℃的條件下,電阻片預(yù)測最小使用壽命為110年;在環(huán)境溫度為65 ℃的條件下,電阻片預(yù)測最小使用壽命為22年。

2)整支避雷器的老化性能主要與運行時間、耐受過電壓的頻次、環(huán)境條件對密封性能的影響等因素有關(guān),是綜合作用的結(jié)果。其中密封性能不足是導(dǎo)致避雷器壽命縮短的主要原因之一。

3)變電站例行運維試驗中應(yīng)關(guān)注避雷器參考電壓、泄漏電流等參數(shù)的變化,當(dāng)直流參考電壓跌落超過4%,泄漏電流超過40 μA,表示避雷器運行存在安全隱患,再次承受較大的過電壓時擊穿損壞風(fēng)險極大,安全起見考慮更換避雷器。