浅析25kV氧化锌避雷器生产制造及运行维护的相关问题.pdf

西铁科技3/202337调查与实践浅析2 5 kV氧化锌避雷器生产制造及运行维护的相关问题西安局集团公司供电部李宝兰摘要要：氧化锌避雷器广泛用于接触网系统，运行安全影响供电可靠性。本文介绍氧化锌避雷器生产制造关键环节，分析氧化锌避雷器故障的几种多发原因，并对氧化锌避雷器的运行数据分析、新技术运用、谐波预防等方面提出意见建议。关键词：2 5 kV氧化锌避雷器质量关键故障原因分析0引言氧化锌避雷器广泛用于接触网供电线路，是接触网重要的过电压保护设备，近年来，避雷器故障多发，影响供电安全。查清故障原因，提高产品质量，需要从生产制造人手，源头卡控质量，同时，在运行实践中，不断积累经验，科学维护管理。1氧化锌避雷器产品质量关键决定氧化锌避雷器产品质量的因素比较多，总体包括四个方面：1.1结构合理，符合安全运行要求电气化铁路2 5 kV无间隙金属氧化物避雷器暂行技术条件中对避雷器结构设计进行了明确规定，要求应有可靠的密封性，设有压力释放装置，配有监测器、脱离器，金属构件应采取防腐措施等。由于氧化锌阀片具有良好的非线性伏安特征（见图1），在正常工作电压下，一般仅有几百微安的电流通过，氧化锌避雷器可设计为无间隙结构，使得氧化锌避雷器结构相对简单，其器身原件由阀片叠装而成，通过绝缘支架、浸胶布带（固化），密封垫、压力释放装置等密封于陶瓷、复合外套中，辅助安装监测器、计数器、脱离器等装置。U&VZno非线性区锦和区101010-310-31011010101010AT图1氧化锌阀片伏安特征不同厂家，结构设计中电阻片垫片、电阻片固定方式、整体密封方式、元件尺寸等不同，厂家通过长期生产、市场实践，整体结构得到最大优化，设计方案基本固化。1.2氧化锌电阻片合格，符合伏安特性及耐老化要求氧化锌电阻阀片（电阻片及其微观结构见图2）是避雷器的核心元器件，由ZnO剂附加少量金属氧化物高温烧结而成，主要生产流程包括：配料一喷雾造粒一模压成型一高阻层烧结端面研磨及清洗烘干一端面喷铝一绝缘釉涂布一成品检验。晶粒福养图2氧化锌电阻阀片及其微观结构电阻片生产中，对温度、净度要求较高，每个电阻片在不同生产环节，需通过尺寸核查、密度核查、绝缘电阻测试、泄露电流测试、冲击电流测试等多重筛选，不同电组片直流参考电压UlmA及0.75U1mA下的泄漏电流值存在微小差异，避雷器组装生产时，电阻片需配组，每组多个电阻片直流参考U1mA及0.7 5 UlmA下的泄漏电流之和符合设计的技术标准要求西铁科技3/202338浅析2 5 kV氧化锌避雷器生产制造及运行维护的相关问题调查与实践1.3整体密闭，符合核心元器件防撞、防潮、防污要求避雷器的密闭性，决定了电阻片的运行环境，是避免电阻片受伤、受潮、受污染的必要手段，直接影响避雷器的运行寿命。为确保密闭性，避雷器采取耐老化、气密性好的复合外套或陶瓷外套，采用控制密封圈压缩量（见图3）、增加密封胶、金具螺纹增加密封垫圈（见图4)等方法进行密封。避雷器出厂前，进行密封泄露试验，依据交流无间隙金属氧化物避雷器(GB11032)标准要求：“密封泄露试验要在一个完整的避雷器元件上进行”“试验时建议采用氮质谱检漏仪检漏法（漏气率小于6.65*105P.L/s），抽气浸泡法、热水浸泡法进行试验”现场观摩生产厂家，一般瓷套避雷器选用氨质谱检漏仪检漏法，复合式避雷器大多选用抽气浸泡法、热水浸泡法密封槽图3瓷避雷器密封槽密封圈图4瓷避雷器密封圈1.4生产流程严谨，满足产品工艺要求避雷器生产中，任何一道工序疏漏，均会引发质量问题。厂家将电阻片元件的配料、高阻层烧结、端面喷铝；避雷器成品过程中的电阻片配组、芯体装配、硫化成型（复合避雷器）、整体检漏等质量影响较大的流程，列为关键流程，关键流程后进行检验核对。值得一提的是，现场发现避雷器生产中烘干不到位，潮气密封在器身中，投人运行后发生故障的现象（避雷器受潮引发故障见本文后章节）。避雷器生产过程中电阻片磨片、电阻片配组、芯体装配等工序前后需进行的烘干，烘干温度、湿度、时间及元器件码放方式均有严格要求。例如：烘干工艺要求元器件平铺放入烘箱内进行干燥，如果组装人员为了省事，未进行平铺而是堆码摆放，就会导致个别元器件受热不均、干燥不到位3避雷器常见故障原因分析避雷器一旦击穿，一般器身击炸，主要表现为：电极严重烧伤，阀片击穿、闪络，橡胶密封件严重烧损，瓷套管碎裂等，避雷器故障主要原因有以下几方面：3.1避雷器内部受潮避雷器因受潮造成击穿是避雷器故障的最常见原因。避雷器运行中，在太阳辐射及线路过电压等作用下内部发热，潮气充分扩散至各个零部件，逐渐腐蚀元器件。在对受潮避雷器解体检查中，发现阀片电阻、电极等有潮气腐蚀现象(参见图5、6)。避雷器受潮主要原因：厂家制造中元器件烘干不到位，装配中密封不严，避雷器密封圈老化、龟裂、变质，避雷器器身裂缝等。避雷器受潮后，0.7 5 倍直流参考电压下的泄漏电流会增大，运行图5 电阻片受潮外表面腐蚀图6 金属连接件受潮氧化变色电压下的持续电流会变化，阻性电流与全电流比值变大，避雷器在设备运行维护中，可以通过检测数据分析，发现避雷器受潮问题3.2避雷器电阻片质量不合格目前不同厂家，避雷器电阻片来源不同，一部分厂家自己生产，一部分厂家通过外购。因此电阻片的质量存在差异电阻片质量不良原因：电阻片原材料不合格，配料配比不符合要求，模压成型、端面喷铝等过程工艺不标准，检验筛查出现漏检、错检，均可能造成电阻片质量问题如果电阻片存在质量问题，避雷器发生故障一般不会是偶然1件，而是同一批次避雷器多个故障相继发生，因此避雷器应做好采购、安装记录，以利于历史回查，及时发现批次电阻片质量缺陷，进行批量更换。西铁科技3/202339浅析2 5 kV氧化锌避雷器生及运行维护的相关问题制造调查与实践3.3环境对避雷器的影响避雷器正常运行环境温度一40一+4 0,太阳光的辐射不超过1000W/m（晴天中午），风速不超过35m/s，地震烈度不超过8 度，海拔不超过1 0 0 0 m，不过度污染，相对干燥的环境中，如果避雷器安装在污染、潮湿的环境，易造成避雷器故障，特别是对于瓷质避雷器，受污染物影响更大。污染物造成避雷器故障的原因：污染物黏贴于器身表面，降低避雷器爬电距离有效长度，器身表面电压分布不均匀，部分伞裙温度升高，另外，污染也会造成避雷器内部与外侧之间的径向电场场强增大，造成器身击穿。对于污染严重、环境潮湿的地方，在加强清理擦拭，及时消除污染物的同时，可增加避雷器绝缘伞裙个数，增加避雷器有效爬电距离。另外，条件允许，可采取红外、紫外在线监测手段，及时发现避雷器器身发热、电场不均局部放电等现象。3.4避雷器接地电阻过大避雷器接地电阻一般小于4 2（或小于1 0 2)，接地电阻过大，一方面有可能影响避雷器的避雷效果，因为雷电流选择接地电阻小的导体通过，避雷器接地电阻大，不能及时导通引流，形同虚设；另一方面，可能在雷电流穿过时，泄流不畅，造成避雷器承压增加，引起爆炸故障。避雷器接地电阻较大一般是接地不良造成，如接地线连接处松动、接触不良；避雷器接地线折断，断点搭铁；接地线与接地网未可靠连接；接地点阻值过大，不达标等。为防止避雷器接地电阻过大问题，现场需定期检测接地电阻，加强避雷器接地线路检查，及时紧固接地线连接点等。4几点思考4.1利用避雷器阻性电流数据分析缺陷2021年新发布的电力设备预防性试验规程DL/T596-2021,较1996年版本，在1 6.1.1 条款关于无间隙金属氧化物避雷器试验项目中，延长了直流参考电压（U1mA)及0.7 5 倍U1mA下的泄漏电流检测（6 年）、绝缘电阻检测（6年）周期，取消了运行电压下的全电流及功率损耗检测，年度检测以运行电压下的阻性电流为主，即阻性电流值成为发现缺陷的关键数据。避雷器试验数据表（见表一）是生产中内部潮气未完全排除，运行几年后出现缺陷的避雷器，经专业检测机构测取的数据，避雷器型号YH5WT-42/1203个试品局部放电量均不达标，其阻性电流数据也发生异常，2#试品阻性电流超标，1#、3#试品阻性电流虽未超标，但阻性电流与全电流比值异常，3#试品比值34.8%，超过2 5%，视为不合格，1#试品比值2 1.8%，与正常的小于20%相比，也进人警戒范围。目前现场使用的移动式避雷器在线监测仪器，可在线检测阻性电流，且可同时检测全电流等数据，为运行质量分析提供数据依据（注：避雷器阻性电流与全电流规定值由制造厂规定和提供，文中比值标准参考厂家标准）4.2通过历史数据比对分析运行状况避雷器交接验收时的初始数据，不仅是出厂验收的依据，也是投人运行后运行轨迹的初始点，反应了避雷器自身属性、本征特质，现场通过适时检测数据与初始数据的比对，可发现避雷器运行中的量变过程，从而提前防止引起故障的质变发生。例如：与初始值对比，直流参考电压U1mA值变化不超过5%，0.7 5 倍直流参考电压下漏电流不超过3 0%，运行电压下阻性电流不超过1 0 0%，连续2 次阻性电流不超过5 0%4.3积极推进避雷器在线监测装置推广运用目前，接触网避雷器大多仅安装计数器，或计数器加运行电压下的漏电流（全电流）检测装置，未实现远程监控功能。每年雨季前的年度排查检测，不仅难以及时发现缺表1避雷器试验数据表Id.c.ref=0.75倍Ir=1mA持续电流标称放电局部下工频参密封试试品1mA下直流参考电流下残放电考电压阻性电流全电流验热水编号量(pC)直流参考电压下漏(峰值/2)(峰值)(有效值)浸泡法压试验电压(kV)电流(A)In=5kA(kV)(uA)(A)无连续性1#5667.73447.3770320111.7气泡产生无连续性2#7838.3535417.0924401910114气泡产生无连续性3#6867.4811246.26114328114气泡产生无连续性标准1065.050423001000120气泡产生西铁科技3/202340浅析2 5 kV氧化锌避雷器生产制造及运行维护的相关问题调查与实践陷设备，而且由于避雷器数量较多，排查检测工作量也较大。随着科技发展，避雷器在线监测、数据传输、适时报警已实现。建议在接触网避雷器接地线串接在线监测装置，在线监测运行电压下的阻性电流、全电流等状态量，并具备历史记录、远程传输功能，将数据上传站段调度中心，及时警戒报警，不仅可以降低故障率，更有利于减少现场工作量。4.4进一步分析牵引供电系统谐波对避雷器的影响电力机车运行中在供电系统产生高次谐波，谐波叠加在网压基波(5 0 HZ)上，造成电压突变，例如某变电所检测某典型时刻电压畸变率1 2.1 9 0 9，基波幅值有效值27.65kV（见图7），该电压时域电压最大峰值5 4.3 3 kV（见图8），变电所电压在这一区段3-1 1 次，1 5-2 1次，3 1-3 7 次谐波含量比较突出（见表二）。机车运行造成的谐波长期存在，不同铁路线、不同区段、不同时段谐波含量不同，如果谐波引起的高电压持续时间长、间断时间短，对避雷器威胁较大。发生谐波高电压时，如何发挥避雷器作用，保护供电线路，同时避免避雷器自身故障值得关注，是否选取部分避雷器，在制造过程中增强抵御牵引供电系统谐波能力，值得研究。谐波电压含有率35101520253035404550谐波次数图7变电所电压频谱分布5结束语随着我国高铁时代的到来，电气化铁路运营公里不断增多，供电系统覆盖规模不断扩大，如何使诸如避雷器在内的接触网设备适应牵引供电环境，运行安全可靠，需要设计、生产、维护等各方面从业人员共同努力，开拓创新，在提升X10分区所电压时域采样信号2N0160.020.040.060.080.10.120.140.160.180.2时间/s图8电压时域采样信号产品科技含量中，不断提高设备质量。参考文献：1DL/T596-2021，电力设备预防性试验规。2电气化铁路2 5 kV无间隙金属氧化物避雷器暂行技术条件.3GB11032,交流无间隙金属氧化物避雷器.国家市场监督管理总局.表2 变变电所电压各次谐波含量谐波234567891011次数含有率0.09441.38240.05740.87810.01870.46710.02940.70790.03940.4137(%）谐波12131415161718192021次数含有率0.09030.21090.23651.25720.10834.36381.21214.3420.1722.9865(%)谐波22232425262728293031次数含有率0.28350.82620.170.73260.23240.42620.22380.54421.03651.5049(%）谐波32333435363738394041次数含有率0.20824.88262.9285.77880.13491.52.02091.40472.13251.8364(%)谐波424344454647484950次数含有率2.5370.58560.2030.28040.28220.5123 0.18340.53840.3264(%)