避雷器的法医检定法
避雷器本质上是转移雷击和操作冲击的设备，有时可能会达到过载直到失效的程度。发生这种情况时，正确确定避雷器（或同伴避雷器）失效的原因是非常有用的。这将允许公用设施维修工程师以确定寿命终止的事件是否是简单的避雷器执行其预期的保护功能，或者是否是其他需要解决的并且可能是系统范围内的问题。
这里取证可以扮演一个重要的角色，就像在电视剧中，专家办案民警试图找出犯罪的真正罪魁祸首。本文由INMR专栏作家乔恩·伍德沃思（Jon Woodworth）撰写，就如何最好地寻找和确定避雷器过载的根本原因提供指导。
前言
终端(端子)过载基本上发生在避雷器承受的应力超过其设计能力的任何情况下。避雷器在这一点上可能会或可能甚至不会是一小片，它在电气上代表开路或短路电路。
虽然这样的情况下，可视为未能履行其职能，但事实不一定如此。例如，如果一个保护高价值资产长期运行的避雷器在过电压事故时终端过载，这几乎不能被称为失效。事实上，这种情况下应该真正被称为是成功的。
在大多数情况下，进行法医分析的根本原因是，几个类似设计的避雷器经历终端过载和受影响的发电站需要找出问题是否是系统范围内的。
然而，如果一只避雷器在通电几天内并且没有在相关的浪涌下经历一次终端过载，那么它很可能是一些形式故障的指示。法医分析是唯一正确地确定哪一种情况真正适用的真实方法。
在大多数情况下，进行法医分析的根本原因是，几个类似设计的避雷器经历终端过载和受影响的发电站需要找出问题是否是系统范围内的。如果是在系统范围内的并因此发生故障的情况下，与只是一个孤立事件的情况相比，可能会需要一种不同的缓解战略。事实上，分析的主要目的之一是，确定是否有独立的电力系统问题需要解决，并且这些问题没有直接关系到避雷器。
同伴避雷器
同伴避雷器是一个安装在接近过载避雷器的同一相上或单独相附近的具有类似的生产批号和类型的避雷器之一。在法医分析过程中，研究这些避雷器的重要性很大，在这方面，同伴避雷器最好没有遭受同样的过载或爆炸。这是因为任何经历终端过载的避雷器有许多工频故障电流造成的损害所掩盖的法医证据。这个故障电流通常沿避雷器由系统流向大地并把各个组成部分的温度升高到超过它们的熔点。因此，在确定问题的根本原因时获得一个合适的同伴避雷器成为一个关键因素。
相关的系统数据
收集过载事故中相关的系统数据对任何分析都是有益的，但往往是法医检验中最困难的部分。这些数据应包括：
1.系统电压；
2.电源变压器的中性点配置（如接地、未接地、阻抗接地）； 3.有效故障电流的大小； 4.避雷器的位置；
5.相同相上、相同变电站或相同线路上的其他设备（例如电容器、开关、断路器、变压器和电感器）及其在过载期间及之后的状态；
6.那个位置的历史（例如过去的几年里的其他过载）； 7.在当时或前几周操作或雷电活动；
8.系统上使用的那种避雷器同批号和设计的避雷器的性能历史； 9.存在可能提供线索根本原因的任何其他法医分析的数据。
在收集以上信息时，避免不相关或不准确的信息并尽可能多地依赖那些直接参与过载反应的信息是非常有用的。收拾残局的人通常有最多信息，如在事件之后避雷器的具体状况。知道仅在严重的暴雨之后过载的避雷器是否退出运行也是有价值的。
分析
使每一个分析尽可能有效的观察例程包括以下内容：
•收集尽可能多的系统数据和从尽可能多的渠道。使用对情况提供不同输入的几组人。 •检查出问题的避雷器，并从标签、货运单据和铭牌中记录尽可能多的数据。 •收集有关避雷器的原始目录和文献。 •收集一套全面的接收到的部件的照片。
•假设一个完整的避雷器单元（已过载或同伴）是可用的，进行全面的电气测试，如Vref、功率损耗、局部放电和泄漏电流。
•如果使用内部空气间隙密封，在避雷器拆卸前取样并进行气体分析。
避雷器的气体抽样照片
•仔细拆卸避雷器，给全部部件贴标签，并使照相机经常处于工作状态使其能拍摄高分辨率图像的特写。这个过程也包括其他内容以保证没有什么被忽略。
•如果部件没有大的损坏，进行更多的电气测试并完成线索的清单。
•一旦测试和体格检查完成后，把部件放在适当的地方至少直到所有的照片都已被审查- 最好是在大屏幕上而且其放大倍率尽可能高。
•写法医报告，列出潜在的根本原因。消除基于照片和测试的任何认为不可能的原因。 失败的主要原因和指标 1.潮气进入
潮气进入可能是世界各地的避雷器故障的主要单个原因-无论是瓷外套避雷器还是最有可能的空心复合外套避雷器。这样的潮气进入通过排气系统部分的金属隔板发生或沿橡胶密封件周围发生。复合外套避雷器的情况下，潮气也可以随着时间的推移直接通过橡胶迁移或沿上下端部密封件迁移。
1a 常见原因：
制造缺陷、在运输过程中的不正确运转或损坏密封的外部闪络。 1b 失效机理：
这往往是一个长期的故障机制，由于避雷器的内部气体体积和外界大气之间的压力差从而使水分沿老化、破裂或破损的密封件被吸入到内部。一旦密封件失效，这种抽运机制在晚上将使避雷器吸入潮湿空气，因为这时内部压力低于大气的压力。
由于潮湿空气在内部体积气体和大气之间交换，内部气体的相对湿度达到与外部相同的水平。在某些时候，这种湿润的内部间隙的气体温度降到低于露点并且潮气沿着避雷器电应力内部组件的方向凝结。这将导致干燥带电弧和沿润湿表面的介电电痕化并最终将导致避雷器单元的短路。
1c 指标
当潮气进入成为失效机理的一部分原因时，这往往通过以下情况显示，金属部件上有褐色锈（或铝件上有白锈）、工作电压下的功率损耗增加、沿电应力组件上的电痕化、红外图像中的温度升高、绿色的铜氧化、气体分析中有水的存在、具有较小剩余压力的硬化橡胶密封件。
被电弧所产生的碳的副产品所覆盖的旧铁锈表示在失效之前铁锈已在那里。
显示故障前的钢部件(变黑)照片
1d 注意事项
由潮气发起的失效所导致的故障电流可以视作一个类似于暂时过电压过载。通常情况下，在很长一段时间内的避雷器的局部放电活动将导致产生足够的臭氧氧化部件，类似于在潮气进入时所发生的情况。
1e 潮气进入没有空气间隙的复合设计
虽然复合外套避雷器具有最大防潮密封的声誉，这已经被证明是错误的。具有非常小的空气间隙的复合外套避雷器仍然容易受到金属端子与本体结合处的潮气进入。这也是一个事实，硅、EPD及其他橡胶以不同的速率传输水蒸气。随着时间的推移，这可以使整个避雷器的相对湿度上升到与环境大气相同的水平。
潮气传输特性导致了开发一些不受此现象影响的避雷器设计。这意味着，任何传输的水蒸气不允许凝结在内部零件，以毛细管的形态聚集或对避雷器性能不利的任何形式的凝结。
1f 失效机理
对于瓷外套避雷器，这往往是一个长期失效机理。如果水蒸汽的传输是确实的原因，这种蒸汽聚积在橡胶/MOV电阻片界面处的任何小的空隙里并在凉爽的气温下凝结。这将导致沿界面的介电击穿。另一个潜在的破坏机理为水渗透过加压的密封件，并以毛细管的形式沿玻璃纤维填充的组件上传输。如果这些毛细管承受电应力，它可能会导致介电和彻底的失效。
瓷外套避雷器存在上述的这个问题的所有相同的指标。使用红色染料渗透液确定这种类型的气体进入和毛细管的位置是有效的。
复合避雷器潮气进入的照片 使用红色染料渗透液的照片 2.外部闪络
外部闪络故障是2.5kVUc-25kVUc之间短避雷器的最常见的故障。然而，因为避雷器外套基本上是一个自恢复的绝缘子，这可能会或可能不会被检测到。这种情况通常是50或60Hz的事件，与雷击无关。
2a 原因
这种类型的故障的主要原因是动物或加上雾的存在的严重污秽。 2b 失效机理
如果闪络是动物促成的，动物被触电致死并在避雷器的外套上产生一个外部电弧。系统上的一些过流装置然后将闪络产生的故障切断。如果接地故障电流被限制并且系统一般可以在事故发生后马上被重新通电，那么避雷器甚至有可能完全不受影响。
2c 指标
电弧在避雷器的高压侧留下标记，有时也可能在接地端（在外套上留下轻度到重度的电弧标记）。
经历了外部闪络的复合避雷器的照片
3 过多的局部放电
在避雷器寿命的一小段时间内其内部会发生一些局部放电，这是普遍接受的，例如在雨中或降水过程中，与干燥的内表面相比外表面上有不同的电压水平从而产生显着的径向电应力。如果过多的局部放电存在，这可能会导致电阻片以及避雷器绝缘的退化从而导致其彻底失效。
这种类型的故障模式主要发生在具有显着内部空气间隙的避雷器单元，如瓷外套和空心复合外套（管型）避雷器。由于这是一个长期的过程，如果局部放电保持在很低水平它可能永远不会导致避雷器失效。
3a 原因
制造缺陷、潮气进入、搬运不当、过多的污秽和外部表面上的水分。 3b 失效机理
局部放电活动开始规模很小并远离初始点发展。长时间的暴露后，避雷器的在这个区域的介电强度降低，这可能导致电应力部件的闪络。局部放电也会减少电阻片周围空气中的氧含量，并在某些情况下甚至改变电阻片的特性。
3c 指标
在电气测试中，局部放电活动在电源频率跟踪中以高频尖峰表示，使用RIV或PD设备以高的局部放电读数表示，在元件边缘、边角和接触点附近变色。也可能在橡胶元件上有多色生长。
3d 注意事项
低水平长时间的局部放电可以腐蚀和氧化避雷器的金属部件，与潮气进入的方式类似。
局部放电对有机元件的影响
4 雷电
超出避雷器设计极限的雷击可能会导致其内部电介质的终端过载。如果避雷器遭受一个直接雷击，产生的故障可能是立竿见影的。然而，如果浪涌的损害是最小的，故障也可能随后产生。例如，在雷电冲击时产生的轻微损伤会最终引发局部放电，继而导致电痕化和全部电气失效。
4a 原因
这样的故障的原因可以包括一次过大的单次电流冲击或一个显著多次冲击，一个规定的不适当雷电负载，对同一避雷器的连续冲击或在电路中超过避雷器容量的故障所造成冲击后的暂时过电压（TOV）。
4b 失效机理
如果雷击超过避雷器的容量，MOV电阻片将开始吸收浪涌，急剧升温，或许破裂然后闪络。这将导致一个全工频闪络和故障电流，这可以掩盖事故的所有证据。如果冲击仅对避雷器的电介质造成相对轻微的损坏，它会由于上述其它原因而在随后失效。
4c 指标
如果避雷器遭受一个显着的浪涌，很可能它的MOV材料将被极化，这被看作是在极性一端的任何地方的电导率与相反极性一端的电导率相差5％-20％。如果浪涌仅损坏了避雷器的电介质并最终导致一个长期的介电失效，目前还没有有效的方法来确认这种情况。如果在复合外套避雷器出现的故障电流较小时，橡胶可能不显示任何故障的迹象。电气试验将可能显示其出现短路或接近短路。
MOV电阻片交流测试可以显示其极化。如果电阻片遭受一个显着浪涌，这将显示的很明显。 4d 注意事项
如果故障电流足够大，它可以掩盖雷击引起过载的所有证据。
电阻片呈现极化的照片
5 暂时过电压
超出避雷器设计容量的基本工频电压所造成的终端过载的情况并不少见。设计避雷器以挺过这种过电压情况，在安装时如果适当的调整尺寸，不应出现过载的结果。然而，有时电路配置会改变或断路器不工作或其它电路问题产生的电压超出了避雷器的设计极限。一个暂时过电压（TOV）过载可以立竿见影，但不幸的是，从取证的角度来看，它也可以作为由无关的其他原因（如上述）所引发的一个长期故障发生。
5a 原因
TOV类型故障的典型原因包括三相系统中非故障相的过度电压上升、避雷器的不正确使用、改变系统的中性点配置、铁磁谐振、系统的中性点丧失、电阻片老化或接触更高系统电压的线路。
电阻片裂为两块的照片
5b 失效机理 在TOV过载期间，避雷器两端的电压上升到一个水平，这时电阻片传导的电流远超过在稳定状态的。这种导电导致电阻片升温显着，这反过来又降低了其电阻，导致更多的导电和最终失效。 如果TOV过载仅在临界，这样的加热可在一个较长的时期内发生。
5c 指标
这些指标包括在两个极性下电阻片特征的变化、芯组中几个电阻片的破裂、电阻片的闪络、在复合外套避雷器内炸开的洞或瓷外套避雷器的开式通风口。
5d 注意事项
避雷器在雷击过程的最小损坏、电阻片老化或操作冲击都可以导致类似TOV过载的故障模式。在这里移除电阻片的故障部分并在削下部分进行AC测试是有帮助的，可确认其是否TOV过载。
标题削下部分的照片
6 操作冲击过载
这种过载模式可能发生，如果避雷器遭受由投切电容器组、对长的线路进行开关或通电、对高压线路进行开关或导致避雷器的设计极限被超过的其他情况等产生的浪涌。通常情况下，这仅发生在220千伏以上的系统或安装有电压非常高的电容器组的系统。
6a 原因
这些可包括断路器的再冲击或预冲击和电容器投切的再冲击或预冲击。 6b 失效机理
本质上与雷电的机制相同。 6c 指标
在电阻片铝电极上有许多小孔，一般沿电阻片电极的周边分布。另一个指标是在较低水平电压下电阻片的极化。
6d 注意事项
初始过载后的故障电流损坏可以掩饰真正的原因。 7 电阻片的老化
MOV避雷器自推出以来，被称为老化的金属氧化物电阻片可经过长期的本身特性变化已被广泛接受。如果这种变化导致在正常工作电压下更大的功耗，这可能会导致避雷器失效。
7a 原因
主要是电阻片的不当制造。 7b 失效机理
在正常工作电压下，功耗逐渐增加导致内部发热。当产生的热量超过避雷器散失到环境的能力时，这将导致介质失效和系统上的一个故障。
7c 指标
这种类型情况下的主要指标是在正常运行温度下一个热避雷器，在运行电压下的电功耗过大，电阻片的功耗与同一柱中其它电阻片的不同，电阻片的非线性系数降低（如伏安曲线所示）。
8 避雷器故障和过载的其他原因 外部污秽
这种类型的过载可能会导致瓷外套的外部闪络或过多的内部局部放电。 不适当的Uc或TOV额定等级
安装低于稳态系统电压的Uc值的避雷器可能会导致避雷器故障，因为它只有一个很小的TOV。例如，如果系统已安装有中性点阻抗，它需要一个与中性接地相比较高的最大持续运行电压（MCOV）的避雷器，并且系统上的故障可以导致非故障相上的避雷器故障。
不平衡电场
这是一个可以发生在避雷器上的故障模式，如果它被安装得太接近另一相避雷器的接地层。这种不正确的安装情况可能会导致避雷器内部间隙的局部放电并最终失效。它也可以导致由于电压不平衡的电阻片过热。这种类型的故障也可能是由于避雷器上使用的不适当的均压环所造成。
错位的电阻片柱
在优化设计中，瓷外套避雷器内的单个电阻片柱应以沿外套的长度方向基准矫正其中心。如果电阻片在运输或安装过程中出现错位，可能会导致高于可接受水平的稳定状态的局部放电。运输过程中错位的电阻片柱也可能会导致电阻片边缘的物理损坏，因此在雷击事件中容易发生局部放电或者甚至发生闪络。
不正确的弹簧压力
如果避雷器内的弹簧没有足够的压力，电阻片柱可以更容易地出现错位。这种类型的缺陷可导致上面所讨论的相同的错位问题。同样，如果弹簧的压力太低，在电涌事件期间可以更容易地发生局部放电或损坏电阻片的情况。
机械应力
如果以一种受过多机械应力的方式安装避雷器，在经过很长一段时间后它会失效。不正确的使用通常导致密封件的失效，依次又导致内部元件的绝缘失效。
毛刺
万一使用带有尖角或尖棱的导电部件组装高压避雷器，可以导致内部局部放电。这种设计或制造上的缺陷可导致避雷器的介质故障。
介电强度不足
如果避雷器内部的任何材料具有不足稳态或成绩状态的内部或表面的介电强度时，他们会电痕化或闪络。浪涌事件将使这类制造缺陷更加严重。
拆卸注意事项
用于法医分析目的避雷器解剖时需要对其内部元件熟悉一些。因此，建议在拆卸前，应保留所有内部元件的图纸或草图。
如果避雷器是瓷外套的并且用螺栓不能很容易地拆卸，最好的解决办法是用锤子简单地砸开装配。虽然内部弹簧压力通常不够高到使瓷套弹出几厘米远，最好用毯子或厚纸覆盖避雷器以便包含所有零部件。应该在任何时候都使用厚手套，以避免瓷碎片造成的伤口。因法医分析对复合外套避雷器进行解剖时，通常一个剃刀已足够。
破碎的瓷避雷器照片。
