Analyse des défaillances des parafoudres et prévention : principales causes des dysfonctionnements des parafoudres de distribution 10 kV

1. Introduction

Au cours de l'exploitation du système électrique, les équipements principaux sont confrontés à des menaces provenant des surtensions internes et atmosphériques. Les parafoudres, en particulier les parafoudres à oxyde métallique (MOA) dotés d'excellentes caractéristiques non linéaires de tension-intensité, sont essentiels pour la protection en raison de leurs bonnes performances, de leur grande capacité de passage de courant et de leur forte résistance à la pollution. Cependant, une exposition prolongée aux tensions de fréquence industrielle, ainsi que la qualité des composants, les processus de fabrication et les environnements externes, rendent les MOA vulnérables au chauffage anormal ou aux explosions, nécessitant une identification, un jugement et une prévention scientifiques.

Ce document traite des pannes massives de MOA de distribution 10 kV dans une région. L'analyse montre que les parafoudres défectueux se concentrent sur un modèle d'un fabricant. Trois MOA de phase défectueuse et deux MOA de phase normale de ce modèle ont été démontés et testés pour déterminer les causes et les mesures correctives.

2. Aperçu de la panne

Les parafoudres défectueux sont répartis sur les lignes de distribution 10 kV d'une sous-station 35 kV. Les pannes sont fréquentes pendant la saison des orages, et les enregistrements d'anomalies/pannes de la sous-station ne correspondent pas aux parafoudres de phase défectueuse. Les cinq parafoudres échantillonnés manquent d'informations précises sur l'action de protection et l'enregistrement des pannes. Les systèmes de localisation de la foudre montrent qu'en 2020, il y a eu 516 coups de foudre dans un rayon de 10 km centré sur cette sous-station.

Après l'installation sur site, des essais de réception ont été effectués (y compris des tests de résistance d'isolement, de tension de référence continue à 1 mA et de courant de fuite à 0,75 fois la tension de référence continue à 1 mA), tous avec des résultats qualifiés.

3. Analyse des causes de la panne

Trois parafoudres de phase défectueuse (No.1, No.2, No.3) ont été démontés ; deux parafoudres de phase normale (No.4, No.5) ont subi des tests et ont été démontés pour comparaison, afin d'identifier les causes des pannes massives.

3.1 Informations incomplètes sur la plaque signalétique

Parmi les trois parafoudres de phase défectueuse et les deux parafoudres de phase normale : 4 ont des dates de fabrication mais pas de numéros de série ; 1 a un numéro de série mais pas de date ; les autres informations sont relativement complètes.

Les plaques signalétiques sont cruciales pour le personnel d'exploitation et de maintenance pour obtenir des informations de base sur l'équipement. L'absence de dates de fabrication/numéros de série entrave le calcul de la durée de vie et le traçage de la qualité, empêchant la gestion centralisée des défauts.

3.2 Tous les varistors sont des fragments

Le démontage du parafoudre défectueux No.1 révèle : 6 varistors entre deux électrodes, avec des marques de brûlure et de la poudre blanche sur certaines surfaces ; à l'exception des surfaces supérieure et inférieure relativement planes, les varistors sont irréguliers en forme, sans taille ni arrangement uniforme. Les épaisseurs comprennent 18 mm, 20 mm, 23 mm et 25 mm. Trois varistors ont des arcs extérieurs réguliers (présumés provenir des cercles extérieurs de varistors disques/annulaires complets). Des problèmes similaires existent dans les deux autres parafoudres de phase défectueuse.

Le parafoudre intact No. 5 a été démonté (aucun dommage lors du processus, résultats sur la Fig. 4). À l'intérieur : 5 morceaux de varistor + 3 joints métalliques. Les varistors ont des surfaces supérieure et inférieure planes, des fragments irréguliers sinon, similaires aux autres : 3 pièces d'environ 22 mm d'épaisseur, 1 de 20 mm, 1 de 17 mm. 3 pièces montrent des arcs extérieurs réguliers (provenant des cercles extérieurs de varistors disques/annulaires complets) ; 2 montrent des arcs intérieurs réguliers (provenant des cercles intérieurs de varistors annulaires complets).

Les varistors des parafoudres standard à oxyde métallique sont des disques, des anneaux ou des cylindres réguliers. Leurs dimensions sont strictement liées au rapport de tension (tension résiduelle/tension de référence), au gradient de potentiel, à la capacité de passage de courant, aux matières premières et aux processus de cuisson. Avant l'assemblage du cœur, chaque varistor subit des tests complets (fréquence industrielle, continu, impulsion de courant élevé, onde carrée, etc.). Seules les pièces qui passent ces tests sont assemblées.

Le démontage montre que ces parafoudres utilisent des varistors non conventionnels : des nombres incohérents de varistors/joints métalliques sur des unités du même modèle ; des formes irrégulières, des épaisseurs variables et des arcs extérieurs inégaux. Ainsi, les cœurs sont assemblés à partir de fragments de varistors conventionnels (différents spécifications/paramètres électriques), et non des varistors standards 10 kV. La comparaison entre les phases défectueuses et normales confirme qu'il s'agit d'un défaut d'usine, et non d'une panne induite.

De tels varistors ont des performances électriques médiocres. Les zones de contact inégales aggravent la résistance aux surtensions, la capacité de passage de courant et la stabilité, provoquant facilement des ruptures lors des surtensions de ligne.

3.3 Mauvais scellement de la gaine composite

Le démontage du parafoudre défectueux No. 3 : une extrémité de la gaine composite est bien scellée avec l'électrode (Fig. 5) ; l'autre extrémité manque de scellement par moulage. Seulement un peu de scellant remplit l'espace entre l'électrode et le bouclier d'arc - inefficace pour la protection, causant des espaces et une rouille sévère de l'électrode (Fig. 6).

Ce mauvais scellement est dû à un moulage insuffisant en production, et non à une panne.

La gaine composite n'a pas de scellement par moulage sur un côté du cylindre d'isolement d'arc, et la surface filetée du bloc d'électrode est gravement rouillée. Cela montre que même avec du scellant, l'humidité peut pénétrer dans le cylindre d'isolement d'arc par les espaces de filetage. Pendant l'exploitation, l'humidité adhérant à la surface de l'assemblage du cœur de varistor augmente le courant de fuite et les composantes résistives, provoquant un chauffage sévère. L'exploitation à long terme entraîne une augmentation de la température à l'intérieur du cylindre d'isolement d'arc, pouvant fondre et faire éclater la paroi du cylindre, détériorant progressivement la qualité opérationnelle du parafoudre.

Lors de l'inspection du parafoudre No. 4, une épaisseur inégale de la gaine composite a été constatée à une extrémité d'électrode. Un micromètre a mesuré la partie la plus épaisse à 4,985 mm et la plus fine à seulement 0,275 mm, comme indiqué sur la Figure 7. La figure montre également que le perçage de la colonne d'électrode centrale de la gaine n'est pas un cercle standard, indiquant un mauvais scellement ici.

La gaine composite est principalement fabriquée en caoutchouc silicone. Son épaisseur inégale est due à un contrôle de processus médiocre et à un excentrage lors de la phase de vulcanisation en production. Pour les parafoudres 10 kV conventionnels, la gaine composite a une épaisseur uniforme de 3 à 5 mm. Le caoutchouc silicone trop mince présente une faible résistance au vieillissement et est sujet à la fissuration. Il permet non seulement à l'humidité de pénétrer et d'adhérer à la surface du cylindre isolant, provoquant des pannes dues à l'humidité, mais peut également altérer les performances d'isolation externe de l'équipement, devenant un facteur clé limitant la qualité du produit.

3.4 Qualifiés dans les tests conventionnels, non qualifiés dans les tests spéciaux

Des tests liés à la tension continue ont été effectués sur le parafoudre normal No. 5, avec des résultats présentés dans le Tableau 1.

Pour vérifier sa capacité de résistance à un courant élevé, un test d'impulsion de courant élevé a été effectué sur le parafoudre normal No. 4. Même lorsque l'impulsion de test était bien en dessous de la valeur spécifiée par la norme, le parafoudre a subi une rupture et une explosion, aboutissant à un test échoué. Les données détaillées sont présentées dans le Tableau 2.

4. Recommandations

Lors de l'appel d'offres et de l'achat de parafoudres (en particulier pour les réseaux de distribution), définissez clairement les qualifications des fournisseurs et les spécifications techniques. Choisissez des fournisseurs ayant des processus matures et de bonnes performances ; évitez les offres de prix excessivement basses.

Pendant l'acceptation des parafoudres de réseau de distribution livrés, les unités de construction et d'exploitation doivent suivre des normes telles que les "Cinq Pass". Effectuez des vérifications article par article, conservez les rapports d'essai d'usine pour assurer les taux de qualification.

Utilisez les plateformes de test des centres d'inspection des matériaux provinciaux. Effectuez des tests d'échantillonnage (alternatif/continu, impulsion de courant élevé, scellement) pour les parafoudres 10 kV afin de bloquer les produits non conformes de la connexion au réseau.

Après l'installation, avant la mise en service, suivez strictement la norme GB 50150-2016 pour les essais sur site. Émettez des rapports standardisés, archivez comme requis. Assurez une gestion complète des données (production → transport → acceptation → essai de réception → mise en service). Après la mise en service, renforcez les patrouilles et les enregistrements. En saison des pluies, utilisez l'imagerie infrarouge. En cas de chauffage anormal, éteignez et remplacez rapidement pour éviter l'expansion de la panne.