李博江，葉 倩

（1.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330096；2.江西中醫(yī)藥大學(xué)，江西 南昌 330004）

0 引言

如今，500 kV 超高壓電網(wǎng)現(xiàn)在已經(jīng)成為中國(guó)電網(wǎng)的主網(wǎng)架，但500 kV 電網(wǎng)網(wǎng)架故障也時(shí)有發(fā)生，且故障原因多種多樣[1-10]。500 kV 網(wǎng)架如果發(fā)生故障，必將嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[11-16]，造成大面積的用戶(hù)停電。因此500 kV 電網(wǎng)故障原因分析與處理是非常重要的。

2021 年7 月4 日，江西電網(wǎng)500 kV 潭廣I 線(xiàn)發(fā)生跳閘2 次，第1 次跳閘重合成功，第2 次跳閘重合不成功。該起跳閘事件引起了較大規(guī)模、較長(zhǎng)時(shí)間的用戶(hù)停電，國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司立即組織各單位進(jìn)行故障處理、原因分析等工作。這次故障跳閘原因比較復(fù)雜，筆者將在文中對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)論述。

1 故障過(guò)程

2021 年7 月4 日18 時(shí)37 分，江西省檢生產(chǎn)指揮中心調(diào)度集控班監(jiān)屏發(fā)現(xiàn)江西電網(wǎng)500 kV 潭廣I 線(xiàn)C 相故障跳閘，重合閘動(dòng)作，重合成功。潭埠變、廣豐變運(yùn)維人員現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)500 kV 潭廣I 線(xiàn)間隔（潭埠、廣豐）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備正常，線(xiàn)路雙套主保護(hù)正確動(dòng)作，故障測(cè)距為潭埠變側(cè)30.23 km、廣豐變側(cè)64.16 km，查詢(xún)雷電定位系統(tǒng)顯示雷擊范圍在59～65 號(hào)桿塔附近。

2021 年7 月4 日19 時(shí)08 分，江西省檢生產(chǎn)指揮中心調(diào)度集控班監(jiān)屏發(fā)現(xiàn)500 kV 潭廣I 線(xiàn)C 相故障跳閘，重合閘動(dòng)作，重合不成功跳三相。潭埠變、廣豐變運(yùn)維人員現(xiàn)場(chǎng)檢查潭埠變潭廣I 線(xiàn)間隔一、二次設(shè)備無(wú)異常，發(fā)現(xiàn)廣豐變潭廣I 線(xiàn)線(xiàn)路避雷器C 相中下瓷瓶連接處有燒灼痕跡。潭埠變A 套保護(hù)測(cè)距94.41 km，B 套保護(hù)測(cè)距91.648 km，故障錄波測(cè)距為94.132 km，現(xiàn)場(chǎng)天氣雷雨。廣豐變A 套保護(hù)測(cè)距0.25 km，B 套保護(hù)測(cè)距2.09 km，故障錄波測(cè)距為0.116 km，現(xiàn)場(chǎng)天氣雷雨。

2 解體檢查情況

2021 年7 月9 日，國(guó)網(wǎng)江西電科院、國(guó)網(wǎng)江西檢修公司和設(shè)備廠(chǎng)家在江西省昌南檢修中心對(duì)故障避雷器進(jìn)行了解體檢查。

1）避雷器由上、中、下三節(jié)組成，檢查三節(jié)避雷器外瓷套，未見(jiàn)瓷套有放電及閃絡(luò)痕跡。

2）檢查三節(jié)避雷器壓力釋放裝置，發(fā)現(xiàn)壓力釋放噴口蓋板脫落，且防爆膜已脫落，壓力釋放通道有嚴(yán)重過(guò)流燒黑痕跡。

3）拆開(kāi)三節(jié)避雷器上下密封件，密封圈完好，未見(jiàn)變形。檢查內(nèi)部金屬部件，未見(jiàn)受潮痕跡。

4）將避雷器閥片抽出，仔細(xì)檢查避雷器內(nèi)部玻璃纖維環(huán)氧筒，玻璃纖維環(huán)氧筒外表面未見(jiàn)異常，但內(nèi)表面有過(guò)熱燒黑痕跡，沒(méi)有閃絡(luò)痕跡，根據(jù)檢查情況可以排除環(huán)氧筒發(fā)生放電擊穿情況。

5）通過(guò)檢查避雷器閥片，發(fā)現(xiàn)避雷器閥片受損嚴(yán)重，閥片表面全部有過(guò)熱燒蝕痕跡。中節(jié)避雷器相對(duì)完好，上下節(jié)避雷器大部分閥片擊穿破裂，如圖1所示。避雷器閥片未見(jiàn)受潮痕跡。

圖1 500kV潭廣Ⅰ線(xiàn)C相線(xiàn)路避雷器

3 故障錄波及雷電定位情況

3.1 第一次跳閘

2021 年7 月4 日18 時(shí)37 分16 秒，潭廣Ⅰ線(xiàn)C 相發(fā)生接地故障，線(xiàn)路主保護(hù)動(dòng)作兩側(cè)斷路器C 相跳閘，故障持續(xù)時(shí)間為47 ms，最大短路電流峰值為9.2 kA。跳閘后800 ms，重合閘動(dòng)作，潭廣Ⅰ線(xiàn)雙側(cè)斷路器C相重合。

C 相發(fā)生單相接地故障時(shí)刻為18:37:16，查閱雷電定位系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)此時(shí)線(xiàn)路上有落雷，雷電流幅值48.1 kA，落雷點(diǎn)為63～64號(hào)桿塔，距離廣豐變距離為65.5 km。C 相線(xiàn)路跳閘后，線(xiàn)路上監(jiān)測(cè)到多次電壓波形畸變及電壓抬升，出現(xiàn)時(shí)刻與雷電回?fù)魰r(shí)刻一致。

潭廣Ⅰ線(xiàn)第1 次雷擊跳閘后，潭廣Ⅰ線(xiàn)兩端開(kāi)路。由錄波圖可知，跳閘后潭廣Ⅰ線(xiàn)電壓約為0，表明潭廣Ⅰ線(xiàn)雷擊故障點(diǎn)電弧未熄滅（潛供電流影響）。根據(jù)雷電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)，在潭廣Ⅰ線(xiàn)重合閘之前潭廣Ⅰ線(xiàn)共遭受5次雷電回?fù)?，?次雷電回?fù)?，線(xiàn)路上未出現(xiàn)過(guò)電壓，表明雷電流通過(guò)雷擊故障點(diǎn)入地。在第5 次雷電回?fù)羟?，潭廣Ⅰ線(xiàn)出現(xiàn)56 kV 左右的恢復(fù)電壓，表明此時(shí)接地電弧已熄滅。500 kV 潭廣Ⅰ線(xiàn)第一次跳閘故障錄波如圖2所示。

圖2 第一次跳閘故障錄波

3.2 第二次跳閘

19 時(shí)08 分21 秒，500kV 潭廣Ⅰ線(xiàn)兩側(cè)主保護(hù)再次動(dòng)作C 相跳閘。根據(jù)錄波情況可以確定潭廣Ⅰ線(xiàn)C 相發(fā)生單相接地故障，故障持續(xù)時(shí)間為40 ms，最大短路電流峰值為11.3 kA。800 ms后重合閘不成功跳三相斷路器。潭廣Ⅰ線(xiàn)第2 次故障時(shí)，線(xiàn)路上沒(méi)有落雷。潭廣Ⅰ線(xiàn)第1 次故障重合成功至第2 次跳閘期間，5 km 線(xiàn)路走廊內(nèi)共有230 次雷擊（包含回?fù)簦淅准性?-97號(hào)塔。

4 避雷器故障擊穿原因初步分析

從故障過(guò)程、故障錄波及雷電定位情況可以看出，第二次跳閘時(shí)（即避雷器徹底擊穿接地），潭廣Ⅰ線(xiàn)并未遭受雷擊，雷擊是在避雷器故障前發(fā)生的，所以避雷器閥片擊穿并非因?yàn)槔讚魧?dǎo)致，有可能是該500 kV系統(tǒng)中的某種內(nèi)部過(guò)電壓導(dǎo)致的。

從圖2 可以看出，當(dāng)500 kV 潭廣Ⅰ線(xiàn)遭受第5次雷擊后，C 相電壓呈現(xiàn)出較高幅值的暫態(tài)過(guò)電壓，該暫態(tài)過(guò)電壓持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，這不是雷電過(guò)電壓（因?yàn)槔纂娺^(guò)電壓持續(xù)時(shí)間非常短，為μs 級(jí)別），而是某種過(guò)渡過(guò)程中產(chǎn)生的暫態(tài)過(guò)電壓，C 相線(xiàn)路避雷器很有可能是在這個(gè)暫態(tài)過(guò)電壓下慢慢損壞的。

下面我們將通過(guò)ATP 電磁暫態(tài)仿真來(lái)還原500 kV 潭廣Ⅰ線(xiàn)第5次雷擊時(shí)的狀態(tài)，找出究竟是何種過(guò)渡過(guò)程產(chǎn)生了這種暫態(tài)過(guò)電壓。

5 仿真分析

在電磁暫態(tài)仿真軟件ATP 中搭建500 kV 潭廣Ⅰ線(xiàn)及所連接變電站的系統(tǒng)模型，如圖3所示。

圖3 ATP 500 kV潭廣Ⅰ線(xiàn)系統(tǒng)模型

500 kV 系統(tǒng)等效阻抗為2.5∠84°Ω，500 kV 潭廣Ⅰ線(xiàn)模型為L(zhǎng)CC 輸電線(xiàn)路模型，在ATP 模型中令t=54 ms時(shí)，有一幅值為20 kA的雷電流侵入500 kV潭廣Ⅰ線(xiàn)A相。潭廣Ⅰ線(xiàn)C相線(xiàn)路斷路器用壓控開(kāi)關(guān)元件模擬，將斷路器重燃起弧電壓設(shè)為700 kV，斷路器初始狀態(tài)為斷開(kāi)狀態(tài)，只有在斷路器兩端電位差達(dá)到700 kV才會(huì)閉合斷路器，以模擬潭廣Ⅰ線(xiàn)在第1次跳閘至重合成功之間的狀態(tài)。仿真時(shí)長(zhǎng)為100 ms。500 kV潭廣Ⅰ線(xiàn)C 相電壓仿真結(jié)果如圖4所示，500 kV 潭廣Ⅰ線(xiàn)C相線(xiàn)路斷路器兩端電位差如圖5所示。

圖4 500 kV潭廣Ⅰ線(xiàn)C相電壓

圖5 500 kV潭廣Ⅰ線(xiàn)C相線(xiàn)路斷路器兩端電位差

從圖4、圖5可以看出，在500 kV潭廣Ⅰ線(xiàn)遭受雷擊前，C相電壓為感應(yīng)電壓，約為56 kV。在t=54 ms時(shí)（即第5 次雷擊），20 kA 雷電流侵入500 kV 潭廣Ⅰ線(xiàn)A 相。從圖4 可以看出，潭廣Ⅰ線(xiàn)C 相出現(xiàn)了較高幅值的暫態(tài)過(guò)電壓，幅值達(dá)到500 kV左右。從圖5可以看出，在雷電波侵入前，500 kV 潭廣Ⅰ線(xiàn)C 相線(xiàn)路斷路器兩端電位差幅值為463 kV，未超過(guò)斷路器重燃閾值（700 kV），故斷路器維持在斷開(kāi)狀態(tài)，兩端電位差穩(wěn)定；雷電侵入后（t≥54 ms），可以看到C 相斷路器兩端電位差已達(dá)到甚至超過(guò)了700 kV，斷路器開(kāi)始重燃起弧，斷路器兩端電位差進(jìn)入暫態(tài)振蕩過(guò)渡過(guò)程。

可以看到，C 相電壓和C 相斷路器兩端電位差的暫態(tài)過(guò)渡過(guò)程相互對(duì)應(yīng)，C 相幅值達(dá)到500 kV 的暫態(tài)過(guò)電壓正是由C 相斷路器反復(fù)熄弧重燃的變化過(guò)程導(dǎo)致的，并且可以從圖4 中看到，C 相暫態(tài)過(guò)電壓的衰減速度較慢，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，和實(shí)際波形相符。

6 避雷器崩潰擊穿原因分析及故障狀態(tài)演變過(guò)程描述

因此，可以得出結(jié)論：在第5 次雷擊后，C 相線(xiàn)路斷路器進(jìn)入反復(fù)重燃熄弧的狀態(tài)，使得C 相線(xiàn)路（負(fù)荷側(cè)）產(chǎn)生了幅值較高、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)、衰減較慢的暫態(tài)過(guò)電壓，C 相線(xiàn)路避雷器長(zhǎng)時(shí)間處在這種暫態(tài)過(guò)電壓下，避雷器閥片承受不住，但并沒(méi)有立馬擊穿，而是逐漸崩潰，重燃熄弧過(guò)程一直持續(xù)到C 相重合閘開(kāi)啟，這時(shí)斷路器反復(fù)重燃熄弧過(guò)程結(jié)束，C 相線(xiàn)路電壓恢復(fù)到正常工頻電壓，但此時(shí)避雷器閥片因?yàn)橹暗臅簯B(tài)過(guò)電壓已經(jīng)進(jìn)入逐漸崩潰狀態(tài)，閥片在線(xiàn)路工頻正常電壓下繼續(xù)崩潰，直至徹底擊穿接地，引起了第二次跳閘，這時(shí)因?yàn)楸芾灼鏖y片已經(jīng)徹底擊穿，已成永久接地狀態(tài)，故線(xiàn)路第二次跳閘，且重合閘失敗。

7 結(jié)語(yǔ)

文中使用ATP 電磁暫態(tài)仿真軟件搭建了500 kV 潭廣Ⅰ線(xiàn)系統(tǒng)模型，模擬了第5 次雷擊時(shí)系統(tǒng)呈現(xiàn)出的狀態(tài)，通過(guò)仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)產(chǎn)生了一種幅值較高，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，衰減速度較慢的暫態(tài)過(guò)電壓，并詳細(xì)分析了該暫態(tài)過(guò)電壓的產(chǎn)生原因。結(jié)合仿真分析結(jié)果，得出了500 kV 潭廣Ⅰ線(xiàn)C 相線(xiàn)路避雷器崩潰擊穿原因（即避雷器在該持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)、幅值較高的暫態(tài)過(guò)電壓下進(jìn)入崩潰狀態(tài)，而后又在正常工頻電壓下徹底擊穿），并詳細(xì)描述了第5 次雷擊后至第二次跳閘的整個(gè)動(dòng)態(tài)演變過(guò)程。