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良的非線性伏安特性在輸變電系統中得到廣泛應用，是保護電力設備免受過電壓侵害的主要保護設備。國網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》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，且避雷器直徑較小，在大風天氣下，避雷器承受的導線拉力較大，最終導致避雷器斷裂。為避免類似故障再次發生，結合現場情況，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，便于工程應用。

大規模超、特高壓交直流輸電系統已成為中國能源大范圍優化配置的重要途徑之一。氧化鋅避雷器以其優良的非線性伏安特性在輸變電系統中得到廣泛應用，是保護電力設備免受過電壓侵害的主要保護設備。然而，由于氧化鋅避雷器通常安裝在戶外，因惡劣環境（雷、雪、冰、風、地震等）、自身制造工藝缺陷、安裝工藝不良、絕緣配合不當等原因，導致避雷器出現各種故障，常見故障有局部發熱、泄漏電流增大、內部受潮、短路擊穿等，更有嚴重者發生斷裂、爆炸等事故，威脅電力系統安全穩定運行及人身安全。

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

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，結合現場情況，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系統采用3/2接線方式，全接線運行。某日，站內某500kV線路（代號XY線路）XY一線5022、5023開關跳閘，線路保護裝置RCS、CSC保護未動作，重合閘未動作，XY一線CSC過電壓及遠跳1保護動作，XY一線RCS過電壓及遠跳2保護未動作。

1.2 一次設備現場檢查情況

現場檢查XY一線避雷器B相斷裂，如圖1所示。三相避雷器放電計數器均未動作，防爆膜完好，內部無放電痕跡。其他一次設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站雙回出線為側出線，出線架構高度為33 m，避雷器和電壓互感器從出線架構處引下，引下線長度約為25 m。電壓互感器布置于出線側，避雷器布置于電壓互感器內側，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、介質損耗及電容量試驗，高壓試驗數據均合格。

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，同時對端站B變電站XY一線CSC—125A保護收到遠傳開入且滿足低有功判據，遠方跳閘保護動作出口，跳開B站5042、5043開關。故障發生時，A站XY一線線路電壓呈現非工頻特征，持續約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二取一經判別出口。

2.3 避雷器接線端子板受力分析

風作用于電力線上產生橫向風荷載，風、冰荷載共同作用時，引下線系統的最大應力出現在端子板與接線柱連接處，其受力主要與風壓和電力線受風面積有關。此外，還要考慮線路的體型系數，與風速大小有關的風壓不均勻系數、與電壓等級和風速大小有關的風載調正系數、與電力線平均高度有關的風速高度變化系數及風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，現按XY一線高度進行核算。

根據上述公式計算最大風速、有冰有風2種工況下的設備端子板受力情況。事故當天局部大風達到10級，10級風速最大為28.4 m/s，按最大風速35 m/s進行核算。導線覆冰厚度按最大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。避雷器已運行12年，因與電壓互感器制造和裝配工藝不同，避雷器易發生連接法蘭受損開裂的情況，考慮到極端天氣和局部大風，不排除導線拉力短暫大于設備允許值的情況。

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，由于現場風力較大，大風造成引下線擺動，導致XY一線避雷器第一節和第二節之間的法蘭結合處斷裂。避雷器在線路舞動的影響下發生斷裂后，與引線相連的上節在重力作用下落向電壓互感器，其均壓環與電壓互感器第一、二節法蘭接觸，導致電壓互感器第一節電容單元被短路，從而引起電壓互感器電壓測量值不正確，高于系統實際電壓值。

綜合裝置動作報告及故障錄波分析，故障狀態持續約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，時間計數器累加，小于過電壓定值時，時間計數器遞減，并不直接清零，故障狀態期間時間計數器累計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，故障持續期間，RCS—925A保護4次啟動4次返回，持續最長時間為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。當風向與電力線軸的夾角θ=90°時，為最不利工況，主要受力設備為避雷器，其頂部端子排受力為橫向風壓力疊加冰重力及導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情況下，導線拉力將短暫大于設備允許值，避雷器有斷裂風險。

為安全起見，結合現場情況，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，其作用力為橫向風壓力，無冰重力及導線重力在水平方向的分力，改造后的設備將不再有斷裂風險。

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，設備端子承受拉力減小。

圖5 改造方案出線布置示意圖

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

表3、表4、圖6

4 結論

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，避雷器布置于電壓互感器內側，引下線距離太長，且避雷器上下節連接法蘭結合處易在雨雪冰凍條件下受損，在大風覆冰條件下，引下線擺動，導線拉力大于設備運行允許值，導致避雷器斷裂，避雷器斷裂后落向電壓互感器，導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生，結合現場情況，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，便于工程應用。

從技術管理方面，后續應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備，重點檢查設備的紅外測溫、頂部端子板彎曲情況，觀察大風雨雪天氣下設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備上下節連接處，觀察螺栓是否松動，法蘭是否有開裂情況。

本工作成果發表在2025年第11期《電氣技術》，論文標題為“ 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。