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氧化锌避雷器以其优良的非线性伏安特性在输变电系统中得到广泛应用，是保护电力设备免受过电压侵害的主要保护设备。国网冀北电力有限公司唐山供电公司的陈庆军、李国光、徐海，在2025年第11期《电气技术》上撰文介绍一起500 kV氧化锌避雷器断裂故障，通过对线路故障录波文件、接线端子板受力进行分析，确定故障发生时序及故障原因。
避雷器采用长引线与出线直连的接线形式，电压互感器布置在避雷器外侧，且避雷器直径较小，在大风天气下，避雷器承受的导线拉力较大，最终导致避雷器断裂。为避免类似故障再次发生，结合现场情况，对引下线连接方式进行改造，将输电线路引下线直接连接至电压互感器顶部端子排。此改造方法简单，便于工程应用。
大规模超、特高压交直流输电系统已成为中国能源大范围优化配置的重要途径之一。氧化锌避雷器以其优良的非线性伏安特性在输变电系统中得到广泛应用，是保护电力设备免受过电压侵害的主要保护设备。然而，由于氧化锌避雷器通常安装在户外，因恶劣环境（雷、雪、冰、风、地震等）、自身制造工艺缺陷、安装工艺不良、绝缘配合不当等原因，导致避雷器出现各种故障，常见故障有局部发热、泄漏电流增大、内部受潮、短路击穿等，更有严重者发生断裂、爆炸等事故，威胁电力系统安全稳定运行及人身安全。
近些年，避雷器故障时有发生，如：避雷器因天气原因遭受多重雷击发生热崩溃故障；因基座法兰开裂，在大风天气下导致避雷器断裂；因顶端密封不严、防爆膜出现裂纹等，导致水汽侵入避雷器腔体而发生爆炸事故。可以预见，随着设备长期运行而老化，未来将有更多设备缺陷暴露，威胁电力系统及人身安全，因此正确分析缺陷产生原因，及时消除隐患，是电力运行及管理工作的重要内容之一。
本文介绍一起500kV氧化锌避雷器断裂故障，通过分析故障原因，结合现场情况，提出改造方法，为避免此类故障提供参考。
1 故障情况及分析
1.1 故障概况
某公司A变电站500 kV系统采用3/2接线方式，全接线运行。某日，站内某500kV线路（代号XY线路）XY一线5022、5023开关跳闸，线路保护装置RCS、CSC保护未动作，重合闸未动作，XY一线CSC过电压及远跳1保护动作，XY一线RCS过电压及远跳2保护未动作。
1.2 一次设备现场检查情况
现场检查XY一线避雷器B相断裂，如图1所示。三相避雷器放电计数器均未动作，防爆膜完好，内部无放电痕迹。其他一次设备外观检查未见异常。
1.3 XY线路间隔设备概况
500 kV XY双回线路为同塔并架双回线路，XY一线B相引出线均接于站外终端塔（档距约150 m）上相，其中A站双回出线为侧出线，出线架构高度为33 m，避雷器和电压互感器从出线架构处引下，引下线长度约为25 m。电压互感器布置于出线侧，避雷器布置于电压互感器内侧，线路出线通过引下线直接与避雷器相连，避雷器出线布置示意图如图2所示，现场避雷器出线布置如图3所示。
其中，避雷器型号Y20W2—444/1063B1，电压互感器型号TYD500/√3—0.005H，引下线为铝钢扩径空芯导线，型号2×LGKK—600，其铝截面积586.69 mm2，钢截面积49.45 mm2，外径51 mm。
2 原因分析
2.1 设备试验情况
对故障后的XY一线避雷器A相、C相及断裂后的B相开展直流1mA、底座绝缘试验，对XY一线电压互感器开展绝缘、介质损耗及电容量试验，高压试验数据均合格。
2.2 保护动作情况
故障时，A变电站XY一线CSC—125A过电压保护动作出口，跳开A变电站5022、5023开关，同时对端站B变电站XY一线CSC—125A保护收到远传开入且满足低有功判据，远方跳闸保护动作出口，跳开B站5042、5043开关。故障发生时，A站XY一线线路电压呈现非工频特征，持续约4.4 s，由于CSC—125A和RCS—925A过电压保护动作延时算法存在差异，最终CSC—125A保护动作，RCS—925A保护未动作。A站XY一线CSC—125A过电压及远跳保护动作时序如图4所示。
A站保护动作时序：
1）XY一线CSC—125A保护，32 ms保护启动。
2）XY一线CSC—125A保护，4295 ms过电压保护动作、过电压保护发信。
3）XY一线CSC—125A保护，4376 ms低功率元件动作。
B站保护动作时序：
1）XY一线CSC—125A保护，3 ms保护启动。
2）XY一线CSC—125A保护，54 ms低功率元件动作。
3）XY一线CSC—125A保护，99 ms二取一经判别出口。
2.3 避雷器接线端子板受力分析
风作用于电力线上产生横向风荷载，风、冰荷载共同作用时，引下线系统的最大应力出现在端子板与接线柱连接处，其受力主要与风压和电力线受风面积有关。此外，还要考虑线路的体型系数，与风速大小有关的风压不均匀系数、与电压等级和风速大小有关的风载调正系数、与电力线平均高度有关的风速高度变化系数及风向与电力线轴向间的夹角等的影响，计算公式为
式1-3
因站外终端塔三相为垂直布置，两回出线从上到下各相排列分别是BAC和BCA，三相引下线高度不同，但两回出线均为B相引线最长，XY一线引线略长，现按XY一线高度进行核算。
根据上述公式计算最大风速、有冰有风2种工况下的设备端子板受力情况。事故当天局部大风达到10级，10级风速最大为28.4 m/s，按最大风速35 m/s进行核算。导线覆冰厚度按最大10 mm计算。引下线受力计算工况见表1。
因B相引线最长，B相受力最大，避雷器B相端子板水平受力计算结果见表2，避雷器端子允许拉力为2 000 N，避雷器B相端子板承受拉力在厂家允许范围内。避雷器已运行12年，因与电压互感器制造和装配工艺不同，避雷器易发生连接法兰受损开裂的情况，考虑到极端天气和局部大风，不排除导线拉力短暂大于设备允许值的情况。
表1-2
500 kV XY双回线路为同塔并架双回线路，并且XY一线B相引出线接于站外终端塔（档距约150 m）的上相，由于现场风力较大，大风造成引下线摆动，导致XY一线避雷器第一节和第二节之间的法兰结合处断裂。避雷器在线路舞动的影响下发生断裂后，与引线相连的上节在重力作用下落向电压互感器，其均压环与电压互感器第一、二节法兰接触，导致电压互感器第一节电容单元被短路，从而引起电压互感器电压测量值不正确，高于系统实际电压值。
综合装置动作报告及故障录波分析，故障状态持续约4.5 s，CSC—125A（V1.07版本）过电压保护动作延时采用“加加减减”的计算方式，即电压采样值大于过电压定值69.3 V时，时间计数器累加，小于过电压定值时，时间计数器递减，并不直接清零，故障状态期间时间计数器累计3 s满足过电压动作延时定值，过电压保护动作出口。
另一方面，依据RCS—925A保护逻辑，过电压保护动作延时在采样值低于过电压定值时清零，故障持续期间，RCS—925A保护4次启动4次返回，持续最长时间为2 880 ms，未达到过电压保护动作定值时间3 s，因此RCS—925A过电压保护装置未动作。CSC—125A与RCS—925A过电压保护、故障录波装置所采集电压波形一致，采样回路正确；由于过电压保护动作延时算法不同，CSC—125A过电压保护先于RCS—925A过电压保护动作，过程中保护动作行为均正确。
3 处理方案
原接线方式下避雷器采用长引线与出线直连的接线形式，电压互感器布置在避雷器外侧。当风向与电力线轴的夹角θ=90°时，为最不利工况，主要受力设备为避雷器，其顶部端子排受力为横向风压力叠加冰重力及导线重力在水平方向的分力，考虑到避雷器制造工艺及运行条件，在极端天气和局部大风情况下，导线拉力将短暂大于设备允许值，避雷器有断裂风险。
为安全起见，结合现场情况，对引下线连接方式进行改造，将输电线路引下线直接连接至电压互感器顶部端子排，引下线几乎与电压互感器垂直，其作用力为横向风压力，无冰重力及导线重力在水平方向的分力，改造后的设备将不再有断裂风险。
改造方案出线布置示意图如图5所示。此接线方式下，引下线长度变短，电压互感器通过设备线夹连接至避雷器，电压互感器和避雷器之间的引线也变短，拉力由避雷器和电压互感器共同承担，设备端子承受拉力减小。
根据前述计算方法，改造后电压互感器B相端子板水平受力计算结果见表3，避雷器B相端子板水平受力计算结果见表4。电压互感器设备端子允许拉力为1500 N，实际端子拉力在厂家允许范围以内。改造后因引下线横向距离变短，设备端子承受拉力也减小。现场改造后出线布置如图6所示。
4 结论
本文介绍了一起500 kV线路氧化锌避雷器断裂故障，分析了故障发生时序及故障原因，其主要原因为线路避雷器采用长引线与出线直连的接线形式，电压互感器布置在出线侧，避雷器布置于电压互感器内侧，引下线距离太长，且避雷器上下节连接法兰结合处易在雨雪冰冻条件下受损，在大风覆冰条件下，引下线摆动，导线拉力大于设备运行允许值，导致避雷器断裂，避雷器断裂后落向电压互感器，导致电压互感器被短路，引起线路跳闸。
为避免类似情况再次发生，结合现场情况，对引下线连接方式进行改造，将输电线路引下线直接连接至电压互感器顶部端子排，此改造方法简单，便于工程应用。
从技术管理方面，后续应加强对采用上述接线方式的避雷器及电压互感器的巡视工作，尤其是对运行时间较长的老旧设备，重点检查设备的红外测温、顶部端子板弯曲情况，观察大风雨雪天气下设备是否存在摆动情况等，若摆动情况较剧烈，要做好引接线改造工作，停电检修期间重点检查设备上下节连接处，观察螺栓是否松动，法兰是否有开裂情况。
本工作成果发表在2025年第11期《电气技术》，论文标题为“ 一起500 kV氧化锌避雷器断裂故障原因分析及处理 ”，作者为陈庆军、李国光、徐海。
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