Blitzschutzfehleranalyse und -prävention: Hauptursachen für Fehlfunktionen von 10-kV-Verteilungsblitzschutzern

1. Einführung

Während des Betriebs von Stromsystemen sind die Hauptgeräte vor internen und atmosphärischen Überspannungen gefährdet. Blitzschutzstöcke insbesondere Metalloxid-Blitzschutzstöcke (MOAs) mit ausgezeichneten nichtlinearen Spannungs-Strom-Kennlinien sind aufgrund ihrer guten Leistungsfähigkeit großer Strombelastbarkeit und hoher Verschmutzungsfestigkeit entscheidend für den Schutz. Langfristige Belastung durch Netzfrequenzspannungen sowie Komponentenqualität Herstellungsprozesse und externe Umgebungen machen MOAs jedoch anfällig für ungewöhnliche Erwärmung oder Explosionen was wissenschaftliche Identifizierung Beurteilung und Prävention erfordert.

In diesem Artikel werden großflächige Ausfälle von 10 kV Verteilungs-MOAs in einer Region behandelt. Die Analyse zeigt dass die defekten Blitzschutzstöcke auf ein Modell eines Herstellers konzentriert sind. Drei defekte und zwei normale Phasen-MOAs dieses Modells wurden zerlegt und getestet um die Ursachen und Gegenmaßnahmen zu bestimmen.

2. Fehlerübersicht

Defekte Blitzschutzstöcke sind auf den 10 kV Verteilungsleitungen eines 35 kV Umspannwerks verteilt. Ausfälle treten häufig während der Gewitterzeit auf und die Unregelmäßigkeiten/Fehleraufzeichnungen des Umspannwerks entsprechen nicht den defekten Phasen-Blitzschutzstöcken. Die fünf ausgewählten Blitzschutzstöcke verfügen nicht über genaue Informationen zum Schutzverhalten und Fehlereinträgen. Blitzortungssysteme zeigen dass es im Jahr 2020 516 Blitze innerhalb eines Radius von 10 km um das Umspannwerk herum gab.

Nach der Installation vor Ort wurden Abnahmeprüfungen durchgeführt (einschließlich Isolationswiderstandsprüfung 1 mA Gleichstrom-Referenzspannungsprüfung und Durchgangsstromprüfung bei 0,75 mal der 1 mA Gleichstrom-Referenzspannung) alle mit qualifizierten Ergebnissen.

3. Analyse der Ausfallursachen

Drei defekte Phasen-Blitzschutzstöcke (Nr. 1, Nr. 2, Nr. 3) wurden zerlegt; zwei normale Phasen-Blitzschutzstöcke (Nr. 4, Nr. 5) wurden getestet und zerlegt um Vergleiche anzustellen um die Ursachen für die großflächigen Ausfälle zu identifizieren.

3.1 Unvollständige Typenschildinformationen

Unter den drei defekten Phasen- und zwei normalen Phasen-Blitzschutzstöcken: 4 haben Herstellungsdaten aber keine Seriennummern; 1 hat eine Seriennummer aber kein Datum; andere Informationen sind relativ vollständig.

Typenschilder sind entscheidend damit Betriebs- und Wartungspersonal grundlegende Geräteinformationen erhält. Fehlende Herstellungsdaten/Seriennummern erschweren die Berechnung der Lebensdauer und die Rückverfolgung der Qualität und behindern die zentrale Defektverwaltung.

3.2 Varistoren sind allesamt Bruchstücke

Die Zerlegung des defekten Blitzschutzstocks Nr. 1 ergab: 6 Varistoren zwischen zwei Elektroden einige Flächen mit Verbrennungsspuren und weißem Pulver; abgesehen von relativ flachen oberen/unteren Flächen sind die Varistoren unregelmäßig geformt ohne einheitliche Größe oder Anordnung. Die Dicken betragen 18 mm 20 mm 23 mm und 25 mm. Drei Varistoren haben regelmäßige äußere Bögen (vermutlich von den äußeren Kreisen vollständiger scheibenförmiger/ringförmiger Varistoren). Ähnliche Probleme bestehen bei den anderen beiden defekten Phasen-Blitzschutzstöcken.

Der intakte Blitzschutzstock Nr. 5 wurde zerlegt (keine Beschädigung während des Prozesses Ergebnisse in Abbildung 4). Im Inneren: 5 Varistorstücke + 3 Metallscheiben. Die Varistoren haben flache obere/untere Flächen sonst unregelmäßige Bruchstücke ähnlich wie die anderen: 3 Stücke ~22 mm dick 1 Stück 20 mm dick 1 Stück 17 mm dick. 3 Stücke zeigen regelmäßige äußere Bögen (von den äußeren Kreisen vollständiger scheibenförmiger/ringförmiger Varistoren); 2 zeigen regelmäßige innere Bögen (von den inneren Kreisen vollständiger ringförmiger Varistoren).

Varistoren standardmäßiger Metalloxid-Blitzschutzstöcke sind regelmäßige Scheiben Ringe oder Zylinder. Ihre Maße hängen streng mit dem Spannungsverhältnis (Rest/Referenzspannung) Potentialgradient Strombelastbarkeit Rohstoffen und Brennvorgängen zusammen. Vor der Kernmontage wird jeder Varistor vollständig getestet (Netzfrequenz Gleichstrom Hochstromimpuls Rechteckimpuls usw.). Nur die bestandenen Teile werden montiert.

Die Zerlegung zeigt dass diese Blitzschutzstöcke unkonventionelle Varistoren verwenden: inkonsistente Anzahl von Varistoren/Metallscheiben bei gleichem Modell; unregelmäßige Formen unterschiedliche Dicken und ungleichmäßige äußere Bögen. Daher bestehen die Kerne aus Bruchstücken herkömmlicher Varistoren (verschiedene Spezifikationen/Elektrische Parameter) und nicht 10 kV Standard-Varistoren. Der Vergleich von defekten und normalen Phasen bestätigt dass dies ein Fabrikfehler ist und nicht fehlerbedingt.

Diese Varistoren haben minderwertige elektrische Leistung. Ungleichmäßige Kontaktflächen verschlechtern die Überspannungswiderstandskraft Strombelastbarkeit und Stabilität und können leicht zu Durchschlägen bei Leitungsimpulsen führen.

3.3 Mangelhafte Abdichtung des Verbundmantels

Beim Zerlegen des defekten Blitzschutzstocks Nr. 3: Ein Ende des Verbundmantels ist gut mit der Elektrode abgedichtet (Abbildung 5); das andere Ende fehlt die Gussabdichtung. Nur wenig Dichtmasse füllt die Lücke zwischen Elektrode und Bogenabschirmung was für den Schutz ineffektiv ist und zu Lücken und schwerem Elektroderost führt (Abbildung 6).

Diese mangelhafte Abdichtung resultiert aus unzureichender Gießerei in der Produktion und nicht aus Fehlern.

Der Verbundmantel hat keine Gussabdichtung auf einer Seite des Bogenabschirmungszylinders und die Gewindfläche des Elektrodenblocks ist stark verrostet. Dies zeigt dass selbst mit Dichtmasse Feuchtigkeit durch Gewindlücken in den Bogenabschirmungszylinder eindringen kann. Während des Betriebs führt Feuchtigkeit die an der Oberfläche der Varistor-Kernanordnung haftet zu erhöhtem Durchgangsstrom und Widerstandsanteilen und somit zu starker Erwärmung. Langfristiger Betrieb führt zu steigenden Temperaturen im Bogenabschirmungszylinder was möglicherweise zur Schmelzung und Explosion der Zylinderwand führt und allmählich die Betriebsqualität des Blitzschutzstocks verschlechtert.

Bei der Inspektion des Blitzschutzstocks Nr. 4 wurde an einem Elektrodenende eine ungleichmäßige Dicke des Verbundmantels festgestellt. Ein Messschieber maß die dickste Stelle mit 4,985 mm und die dünnste Stelle mit nur 0,275 mm wie in Abbildung 7 dargestellt. Die Abbildung zeigt auch dass die Bohrung des Mittelrohrkolbens des Mantels kein Standardkreis ist was auf mangelhafte Abdichtung hier hinweist.

Der Verbundmantel besteht hauptsächlich aus Silikonkautschuk. Seine ungleichmäßige Dicke resultiert aus mangelhafter Prozesskontrolle und Exzentrizität während der Vulkanisationsphase der Produktion. Für herkömmliche 10 kV Blitzschutzstöcke hat der Verbundmantel eine einheitliche Dicke von 3–5 mm. Überdünnener Silikonkautschuk weist eine schlechte Alterungsbeständigkeit auf und neigt dazu zu Rissen. Er ermöglicht nicht nur das Eindringen und Haften von Feuchtigkeit an der Oberfläche des Isolierzylinders was feuchtigkeitsbedingte Fehler verursacht sondern kann auch die externe Isolierleistung des Geräts beeinträchtigen und wird so zu einem Schlüsselfaktor für die Produktqualität.

3.4 Bestanden in herkömmlichen Prüfungen Nicht bestanden in speziellen Prüfungen

Gleichstrom-spannungsbezogene Prüfungen wurden am normalen Blitzschutzstock Nr. 5 durchgeführt mit Ergebnissen in Tabelle 1.

Um seine Überstrombelastbarkeit zu überprüfen wurde eine Hochstromimpulsprüfung am normalen Blitzschutzstock Nr. 4 durchgeführt. Auch wenn der Prüfimpulsstrom weit unter dem vorgegebenen Standardwert lag erlebte der Blitzschutzstock einen Durchschlag und Zerspringen was zu einem Prüfversagen führte. Detaillierte Daten sind in Tabelle 2 dargestellt.

4. Empfehlungen

Bei Ausschreibungen und Beschaffungen von Blitzschutzstöcken (insbesondere für Verteilnetze) müssen Lieferantenqualifikationen und technische Spezifikationen klar definiert sein. Wählen Sie Lieferanten mit reifen Prozessen und guter Leistung; vermeiden Sie Angebote mit extrem niedrigen Kosten.

Während der Abnahme gelieferte Verteilnetz-Blitzschutzstöcke müssen Bau- und Betreiberunternehmen nach Standards wie “Fünf-Pass” vorgehen. Führen Sie Punkt-für-Punkt-Prüfungen durch behalten Sie Fabrikprüfungsberichte um Qualifikationsraten sicherzustellen.

Nutzen Sie die Testplattformen der Provinzmaterialprüfzentren. Führen Sie Stichprobenprüfungen (Wechselstrom/Gleichstrom Hochstromimpuls Abdichtung) für 10 kV Blitzschutzstöcke durch um nicht qualifizierte Produkte vom Netz fernzuhalten.

Nach der Installation aber vor der Inbetriebnahme müssen Ortsprüfungen gemäß GB 50150—2016 strikt durchgeführt werden. Erstellen Sie standardisierte Berichte archivieren Sie sie wie vorgeschrieben. Sorgen Sie für eine vollständige Datenversionverwaltung (Produktion → Transport → Abnahme → Übergabeprüfung → Inbetriebnahme). Nach der Inbetriebnahme intensivieren Sie Patrouillen/Aufzeichnungen. Verwenden Sie in Regenzeiten Infrarotbildgebung. Bei ungewöhnlicher Erwärmung schalten Sie sofort ab und ersetzen Sie um die Ausbreitung von Fehlern zu verhindern.