2012年第3期（总第247期）
2012年6月
文章编号：1003-8337（2012）03-0062-05
电瓷避雷器
InsulatorsandSurgeArresters
No3.2012(Ser.№.247)
Jun.2012
10kV配电用避雷器常见故障类型分析
许志荣1，唐
军1，陈德智1，梁泽勇1，席
禹2，刘
刚1
（1.华南理工大学电力学院，广州510640；2.华南理工大学自动化学院，广州510640）
摘要：为了分析10kV配电线路避雷器的故障情况，以珠江三角洲某地区2010年10kV配
电线路避雷器故障数据为样本，分别从污闪和避雷器质量两方面对避雷器故障进行研究。通过对不同部位避雷器污染进行分析，结合对避雷器自身的电阻片特性和密封性能的研究，得出造成避雷器故障的原因主要是避雷器自身电阻片以及密封性能存在缺陷，少数受污严重的避雷器在潮湿环境中发生闪络。
关键词：避雷器；故障；污闪；电阻片特性；密封性能
中图分类号:TM862
文献标识码:A
Analysisof10kVDistributionArresterCommonFaultTypes
XUZhi-rong1，TANGJun1，CHENDe-zhi1，LIANGZe-yong1，XIYu2，LIUGang1
（1.SchoolofElectricPower，SouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou510640，China；
2.SchoolofAutomation，SouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou510640，China）
Abstract：Inordertoanalyzethefaultconditionof10kVdistributionlinesurgearrester,takingthefaultdataof10kVdistributionlinesurgearresterinanareaofthePearlRiverDeltain2010asansample,thearresterfaultsareanalyzedfromtheaspectsofpollutionflashoverandarrester'qualityrespectively.Throughtheanalysisonthepollutionflashoverondifferentpositionsofarresterandcombinedwiththeresearchontheresistorcharacteristicsandsealingpropertyofarrester,theresultsindicatethatthemainreasonsofarresterfaultsarethedefectsintheresistorandthesealingpropertyofsurgearresterandflashoveroccurredonafewseverelypollutedsurgearrestersinhumidenvironment.
Keywords：surgearrester；fault；pollutionflashover；resistorcharacteristics；sealingperformance
引言
避雷器并联接在被保护的设备附近，用来吸收
均会在不同程度上引起避雷器的故障，不但起不到保护配网线路的作用，还会影响其他设备的正常运行，严重时甚至会引发大面积停电事故[3]。所以，从某种角度上讲，避雷器能否可靠运行，是关系到电力系统安全、经济运行的一个重要因素[4]。
雷电过电压、操作过电压等的冲击能量，防止过电压进入变电站及用户而损坏电力设备及用电设备的一种电气设备[1]。
目前10kV配电网大量使用配电用避雷器，以免配电设备在线路过电压下发生损坏[2]。而避雷器自身的分布性缺陷或在运行中引起的集中性缺陷，
收稿日期：2012-01-28
1
避雷器故障情况
目前电力系统所使用的避雷器主要为金属氧化
物避雷器（以下简称MOA）[5-7]，由于避雷器在应对
作者简介：唐军（1988—），男，主要研究方向为输电线路雷电防护与绝缘技术。
·輪輰·
2012年第3期10kV配电用避雷器常见故障类型分析（总第247期）
线路过电压起着重要的作用，故其在输配电线路上得到广泛应用。但随着避雷器的安装数量增多，避雷器的故障次数也增多。避雷器故障损坏大部分原因是遭受雷击、外部污闪或自身质量问题[8]。
避雷器遭受雷击后，可能会由于该次雷击产生的过电压过大，直接导致内部氧化锌电阻片炸裂，或者由于多次雷击造成的累积效应，使避雷器绝缘受到损坏，从而造成绝缘筒爆裂；若避雷器运行于污秽物较多的地区，当在其表面伞裙积聚的污秽足够多时，在雨雾天气容易形成沿面放电，导致污闪；避雷器自身的质量问题，如密封缺陷等，导致内部受潮，容易发生热击穿。
避雷器的主要作用是防止线路过电压对设备造成损害，
“牺牲”自己而保护其他设备[9]，主要表
现为避雷器内部氧化锌电阻片炸裂，见表1。
表1
珠三角某地区2010年避雷器损坏数据统计
Tab.1Statisticsofarresterdamageofanareainthe
pearlriverdeltain2010
避雷器故障情况
损坏次数所占比例
外部污秽闪络
99.68%内部氧化锌电阻片炸裂
6974.19%绝缘筒爆裂
15
16.13%
在这些避雷器事故当中，按照避雷器的安装部位区分所得的数据统计见表2。从表2可知，避雷器内部氧化锌电阻片炸裂和绝缘筒爆裂发生在并联于绝缘子两侧的次数都多于安装在变压器附近的次数，导致这种现象的原因是变压器通常处于线路末端，遭到叠加的电压波可能性较小。与此现象相反的是，安装在变压器附近的避雷器因外部污秽闪络发生损坏的次数多于并联于绝缘子两侧的次数，主要原因是在线路走廊上并联于绝缘子两侧的避雷器所处位置较高，而处于道路两旁的避雷器积聚污秽较多。
表2
珠三角某地区2010年不同安装部位的避雷器损坏统计
Tab.2Damagestatisticsofarresterinstalledondifferentpointsofanareainthepearlriverdeltain2010
避雷器故障情况并联于绝缘子两侧变压器附近外部污秽闪络36电阻片炸裂4326绝缘筒爆裂
13
2
2
避雷器污闪分析
污秽对避雷器外绝缘的影响是显著的，且污秽
愈严重，对其外绝缘的影响也愈严重[10]。复合外套避雷器在污秽情况下的闪络放电和老化过程，可以按积污、受潮、局部放电及局部电弧发展引起污闪等4个过程来描述。这些过程重复、交替出现，使避雷器复合外套产生起痕、电蚀，长期持续下去，如果外套硅橡胶自身不能阻止起痕、电蚀发展进程，老化就会快速发生。
（1）污秽的聚集是一个漫长、反复、随机、循序渐进的过程，避雷器表面的污秽随时间的推移，逐渐聚集，又随着风、雨而被自然清洗。这样反反复复，总体会随时间的推移，污秽会越聚越多。污秽物可分为沿海地区的盐雾污染和工业污染，如化工、钢铁、水泥、电厂、矿山和城市的各种污染以及其他自然状态下沙漠的沙尘、盐碱土尘等。
（2）在雾、雨、露和雪的环境下，复合外套表面聚集的污秽层就会受潮，污秽物中的电解质与水融合，形成导电层，产生较小的泄漏电流流过避雷器外套表面。
（3）表面泄漏电流的热效应使水分蒸发，形成部分干燥区域，在干燥区域两端形成较高的电场，当电场达到或超过空气放电临界值时，该处就发生沿面闪络。这种受潮、导电、干燥、放电过程极不稳定且随机发生，这就是在污秽试验中看到的电弧随烧随干，电弧飘忽不定的现象。
以上分析为避雷器表面绝缘闪络的过程，由于避雷器安装点位置离地距离近，大地或者空气中的污秽很容易附着在避雷器绝缘筒表面，当空气湿度达到一定程度之后，避雷器表面在工频电压的作用下泄露电流增大。当污秽严重到一定程度，而避雷器表面憎水性逐步丧失，以至于无法恢复时，局部放电会烧蚀硅橡胶表面，并逐步形成轻微的电蚀通道，随着时间的推移，电蚀通道会越来越深，最终使表面闪络老化。
发生在避雷器上的绝缘闪络现象可分为柜外避雷器绝缘闪络和柜内避雷器绝缘闪络。
2.1柜外避雷器绝缘闪络
例如：2010年某日，供电所工作人员接到某
线路发生跳闸重合不成功信号后立即组织相关人员巡查，经过检查发现某线路30#杆支线电缆B、C
·輪輱·
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相YH5WZ-17/45避雷器有白色放电痕迹，如图1所示。工作人员拆下故障避雷器后测量直流1mA下电压为25.6kV，75%U1mA下泄露电流为6μA，绝缘电阻超过1000MΩ，与出厂时技术参数相差不大，说明氧化锌电阻片未损坏。
图1故障避雷器
Fig.1Faultlightningarresters
如图2所示，电缆入地端避雷器安装点高度低于绝缘子，空气中或者地面的污秽很容易吸附在避雷器表面，事发之前已经连续几天阴雨天气，工作人员分析认为B、C两相避雷器受污严重，在潮湿环境下发生外部绝缘筒闪络，导致两相短路，线路跳闸。
图2
故障避雷器安装点
Fig.2Installationpointsoffaultlightningarresters
2.2变压器进线柜内避雷器绝缘闪络
例如：5月12日5时44分，某线路速断重合
闸成功。工作人员对该线路进行故障巡视，经过巡查发现，某配电房高压进线柜电缆头避雷器A、B相有灼伤的痕迹，如图3所示，柜后板有放电烧黑的痕迹。
图3
某配电房高压进线柜电缆头避雷器
Fig.3Arrestersinstalledonthecableheadsofahigh-voltage
incomingcabinetinapowerdistributionroom
輪輲·
变压器进线柜避雷器一段与变压器接地端相连，如图4所示，柜内避雷器受污严重，事发当天空气湿度较大（90%），专变配电柜内十分潮湿，A、
B两相避雷器头带电端受潮气影响，空气绝缘降低被击穿，引起A、B两相避雷器头带电端发生弧光
短路，造成线路速断保护动作，重合闸成功。
图4
变压器进线柜电缆头避雷器
Fig.4Surgearrestersinstalledonthecableheadsofa
transformerincomingcabinet
3
基于复合外套MOA质量的故障分析
表1的数据显示，珠三角某地区2010年
74.19%避雷器故障表现为避雷器内部氧化锌电阻片炸裂，故研究MOA内部电阻片炸裂的原因对减
少线路避雷器故障有重大意义。
目前在大多数情况下，线路避雷器大多采用复合外套的避雷器[11-12]。佛山某地区配网防雷所采用的线路避雷器YH5WS-17/50（见图5）属于复合
外套MOA，下节将从避雷器的电阻片特性和密封性能两方面来展开对避雷器的故障分析。
图5抗YH5WS-17/50复合外套MOA示意图
Fig.5SchematicdiagramofYH5WS-17/50polymeric
housed
MOA
3.1基于复合外套氧化锌电阻片特性的故障分析从理论上说，氧化锌电阻片老化是影响避雷器
寿命的重要因素[13]。图6中的实线1为氧化锌电阻
片的正向非线性伏安特性曲线，实线2为碳化硅电阻片的伏安特性曲线，虚线3为(假设)氧化锌线
·
2012年第3期10kV配电用避雷器常见故障类型分析
（总第247期）
性伏安特性曲线，矩形OA1B1Ux的面积为非线性氧化锌电阻片在UX电压下的瞬时功率，矩形
OA2B2Ux的面积为碳化硅电阻片在UX电压下的瞬时功率，矩形OA3B3Ux的面积为（假设）线性氧化锌电阻片在Ux电压下的瞬时功率。从图6中可
以看出，在同一电压的作用下，流通上述3种材料的电流以及各自吸收的功率的大小关系为：I1＞I3＞
I，P1＞P3＞P2，即非线性氧化锌电阻片的泄流能力最
强，其通流容量最大，更容易吸收能量，氧化锌电阻片升温更快，加速了避雷器的老化[4]。
虽然氧化锌晶粒良好的非线性特性对线路防雷
图6
氧化锌电阻片正向非线性伏安特性曲线
Fig.6Positivenon-linearvolt-amperecharacteristiccurveof
zincoxideresistor
起到了很好的保护作用，但在某种程度上来说，这是以自身寿命为代价的。再者，在MOA运行到其产品寿命的后期，电阻片劣化造成泄漏电流上升，甚至造成复合外套内部放电，放电严重时，避雷器内部气体压力和温度急剧增高，引起MOA本体爆炸，内部放电不严重时可引起系统单相接地。
3.2基于复合外套MOA密封性的故障分析
MOA的密封问题是影响避雷器故障的关键点，
主要是由于生产厂采用的密封技术不完善，使得避雷器密封性不良，或采用的密封材料抗老化性能不稳定，在温差变化较大或运行时间接近产品寿命后期，造成其密封不良而使潮气侵入，雷电流流通避雷器时产生的热量会使内绝缘中的空气或水汽瞬间膨胀，形成巨大的压力，造成内部绝缘损坏，加速了电阻片的劣化，严重时甚至引起爆炸，该过程如图7所示。
（1）尽管避雷器密封不良的原因多种多样，但最终都可引起避雷器受潮，造成避雷器故障。内部受潮直接影响到产品质量，是引起MOA爆炸的主要原因
[5]
。MOA受潮会大大增加本身的电导性能，
防雷保护计算选择输电线路电压等级选择杆塔类型、地形等
否
是否典型杆塔输入杆塔和线路各项参数
是
输出耐雷水平输出雷击跳闸率
查看某些参数对耐雷水平影响曲线图
图7YH5WS-17/50复合外套MOA故障分析示意图
Fig.7SchematicdiagramofYH5WS-17/50Polymerichoused
MOAmalfunction
analysis
阻性电流明显增大。
（2）由于多数MOA没有串联间隙，内部受潮后容易造成沿绝缘内壁或电阻片侧面的沿面爬电，引起局部轻度发热，严重时会产生闪络击穿。对于少数具有串联间隙的避雷器，潮气入侵避雷器内绝缘，初期绝缘电阻虽有所降低，但电导电流仍十分
微弱，一般发热不易出现外在特征，但受潮时间较长，内部因水分过多而结露，导致串联间隙组短路，泄漏电流过大而发热。热像特征表现为局部温升增大，引起电阻片老化或炸裂。
（3）MOA受潮时的热像特征：对于单元件结构，表现为整体明显发热；对于多元件结构，受潮初期表现为故障元件自身发热增加，受潮严重后，可引起非故障元件发热超过故障元件，当受潮故障进一步恶化时，还会伴有局部温升高于整体温升的现象。
4
结论
通过分析避雷器内外部具体故障情况，得到以
下结论：
（1）在避雷器故障中，绝大部分故障是由于避雷器质量问题或者老化严重导致其氧化锌电阻片破碎或者外部绝缘筒爆裂。
（2）避雷器内部氧化锌电阻片炸裂和绝缘筒爆裂发生在并联于绝缘子两侧的次数都多于安装在变压器附近的次数。
（3）少数避雷器由于外部绝缘筒受污严重在潮湿的环境中发生绝缘闪络：当污秽严重到一定程度，而避雷器表面憎水性逐步丧失，以至于无法恢
·輪輳·
2012年第3期电瓷避雷器（总第247期）
复时，局部放电会烧蚀硅橡胶表面，并逐步形成轻微的电蚀通道，随着时间的推移，电蚀通道会越来越深，最终使表面闪络老化。
（4）氧化锌电阻片良好的非线性特性对线路防雷起到了很好的保护作用，但却是以自身寿命为代价的。
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highgradientzincoxidenonlinearresistorsandtheirapplicationstosurgearresters.IEEETrans.onpower
delivery.1998（4）：1182-1187.
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