避雷器故障分析と予防：10 kV配電用避雷器の故障の主な原因

1. はじめに

電力システムの運転中に、主設備は内部および大気過電圧からの脅威にさらされます。特に金属酸化物避雷器（MOA）は、優れた非線形電圧-電流特性を有し、性能が良く、大電流耐え能力があり、汚染抵抗性が強いことから保護の鍵となります。しかし、商用周波数電圧への長期的な曝露、部品の品質、製造プロセス、外部環境により、MOAは異常発熱や爆発に陥りやすく、科学的な識別、判断、予防が必要です。

本論文では、ある地域で発生した大規模な10kV配電用MOAの故障について取り上げています。分析結果によると、爆発した避雷器は特定のメーカーのモデルに集中しています。このモデルの三つの故障相と二つの正常相のMOAを分解してテストを行い、原因と対策を明らかにします。

2. 故障概要

故障した避雷器は35kV変電所の10kV配電線に分散しています。落雷シーズンには頻繁に故障が発生し、変電所の異常/故障記録は故障相の避雷器に対応していません。サンプリングされた五つの避雷器には正確な保護動作と故障記録情報がありません。落雷位置システムによれば、2020年にはこの変電所以中心とした半径10kmの範囲内で516回の落雷がありました。

現場での設置後、引き渡し試験（絶縁抵抗試験、1mA直流基準電圧試験、0.75倍の1mA直流基準電圧でのリーク電流試験を含む）が行われ、すべて合格しました。

3. 故障原因分析

三つの故障相の避雷器（No.1, No.2, No.3）を分解し、二つの正常相の避雷器（No.4, No.5）を試験および分解して比較することで、大規模な故障の原因を特定します。

3.1 名板情報の不完全さ

三つの故障相と二つの正常相の避雷器の中で：四つには製造日付がありますがシリアル番号がありません；一つにはシリアル番号がありますが日付がありません；他の情報は比較的完全です。

名板は、運用・保守担当者が基本的な設備情報を取得するための重要なものです。製造日付やシリアル番号が欠けていると、寿命計算や品質トレースが困難になり、集中的な欠陥管理を阻害します。

3.2 バリスタはすべて破片状

No.1の故障避雷器を分解すると、二つの電極間に6つのバリスタがあり、一部の表面には焼け跡と白い粉があります。上下の面以外は形状が不規則で、サイズや配置も一様ではありません。厚さは18mm、20mm、23mm、25mmです。三つのバリスタは規則正しい外側の弧を持っています（おそらく完全な円盤形または環状のバリスタの外側の円から）。他の二つの故障相の避雷器でも同様の問題が見られます。

No.5の完好的な避雷器を分解しました（過程で損傷なし、結果は図4）。内部：5つのバリスタピース + 3つの金属ガスケット。バリスタは上下の面が平らで、それ以外は不規則な破片で、他のものと同様：3つのピースは約22mm厚、1つは20mm、1つは17mm。3つのピースは規則正しい外側の弧を持ち（完全な円盤/リング形状のバリスタの外側の円から）、2つは規則正しい内側の弧を持ちます（完全なリング形状のバリスタの内側の円から）。

標準的な金属酸化物避雷器のバリスタは、規則正しい円盤、リング、または円筒形状です。その寸法は電圧比（残存/基準電圧）、電位勾配、電流耐え能力、原材料、および焼結プロセスと厳密に関連しています。コア組み立て前に、各バリスタは全試験（商用周波数、直流、高電流インパルス、方形波など）を受けます。合格したピースのみが組み立てられます。

分解結果によると、これらの避雷器は非標準的なバリスタを使用しています：同じモデルのユニット間でバリスタ/金属ガスケットの数が一致せず、形状が不規則で、厚さが異なり、外側の弧が均一ではありません。したがって、コアは標準的な10kVのものではなく、異なる仕様/電気パラメータを持つ通常のバリスタの破片で補修されています。故障相と正常相の比較により、これは工場での欠陥であり、故障によるものではないことが確認されました。

このようなバリスタは電気性能が劣ります。接触面積が不均一であるため、過電圧耐え能力、電流耐え能力、安定性が悪くなり、線路のサージ時に簡単に破壊されます。

3.3 複合ジャケットの密封不良

No.3の故障避雷器を分解すると、複合ジャケットの一端は電極と良好に密封されています（図5）；もう一端は鋳型密封がありません。わずかにシーラントが電極とアークシールドの隙間に充填されているだけですが、保護効果がなく、隙間が生じて電極の腐食が深刻です（図6）。

この密封不良は、生産時の鋳型不足によるものであり、故障によるものではありません。

複合ジャケットの一端にはアーク分離シリンダーに鋳型密封がなく、電極ブロックのねじ山表面は深刻に錆びています。これは、シーラントがあっても、ねじ山の隙間を通じて湿気がアーク分離シリンダー内に入り込む可能性があることを示しています。運転中、バリスタコア組み立て面に付着した湿気はリーク電流と抵抗成分を増加させ、激しい発熱を引き起こします。長期運転により、アーク分離シリンダー内の温度が上昇し、シリンダーウォールが溶けて破裂し、徐々に避雷器の運転品質が低下します。

No.4避雷器を検査すると、一つの電極端子で複合ジャケットの厚さが不均一であることがわかりました。マイクロメーターで測定したところ、最も厚い部分は4.985mm、最も薄い部分は0.275mmでした（図7）。また、ジャケットの中央電極柱の穴が標準的な円形でないことも示されています。

複合ジャケットは主にシリコンゴムで構成されています。その厚さの不均一さは、生産中の硫化段階での工程管理の不良と偏心によるものです。一般的な10kV避雷器の場合、複合ジャケットの厚さは3〜5mmで均一です。薄すぎるシリコンゴムは老化抵抗性が低く、割れやすくなります。これにより、湿気が侵入し、絶縁シリンダーの表面に付着し、湿気による故障を引き起こすだけでなく、設備の外部絶縁性能を損なう可能性があり、製品品質を制限する重要な要因となります。

3.4 通常の試験では合格だが特殊試験では不合格

No.5の正常な避雷器に対して直流電圧関連の試験を行い、結果は表1に示されています。

その過電流耐え能力を確認するために、No.4の正常な避雷器に対して高電流インパルス試験を行いました。試験インパルス電流が標準値よりもはるかに低い場合でも、避雷器は破壊され、試験に失敗しました。詳細なデータは表2に示されています。

4. 提案

避雷器（特に配電網向け）の入札および調達を行う際には、供給業者の資格と技術仕様を明確に定義してください。成熟したプロセスと良好な実績を持つ供給業者を選択し、過度に低コストの入札を避けます。

配電網向け避雷器の受け入れ時には、建設および運転部門は「五通過」などの標準に従って項目ごとにチェックを行い、工場試験報告書を保管して合格率を確保します。

省レベルの材料検査センターの試験プラットフォームを利用して、10kV避雷器に対してサンプリング試験（交流/直流、高電流インパルス、密封）を行い、不合格品が電力網に接続されるのを防ぎます。

設置後、稼働前にはGB 50150—2016に従って現地試験を行い、標準化された報告書を作成し、必要な形式で保存します。全プロセスのデータ管理（生産→輸送→受け入れ→引き渡し試験→稼働）を確保します。稼働後は巡回と記録を強化し、雨季には赤外線画像を使用します。異常発熱が見られる場合は、すぐに停電し、交換して故障の拡大を防ぎます。