杜修明， 童 濤， 龍國華， 徐碧川， 萬 華， 鄢文清， 李唐兵， 王 鵬， 周友武， 童 超， 曾磊磊， 葉心平

(1.國家電網(wǎng)有限公司，北京 100031； 2.國網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，南昌 330000； 3.國網(wǎng)江西省電力有限公司，南昌 330000)

0 引 言

避雷器是保護(hù)電力系統(tǒng)免受過電壓侵害的重要電氣設(shè)備，在系統(tǒng)發(fā)生各種類型過電壓時(shí)，起到快速泄放超限電流，從而限制設(shè)備過電壓的作用[1-5]。近年來，金屬氧化物避雷器電阻片因具有優(yōu)異的非線性、良好的通流容量和持久的抗老化能力[6-8]，已經(jīng)成為電力系統(tǒng)主要的過電壓保護(hù)設(shè)備[9-10]。

金屬氧化物避雷器電阻片在運(yùn)行電壓下呈絕緣狀態(tài)，通過的電流很小，但是若避雷器存在受潮、老化、臟污等缺陷，將導(dǎo)致其性能劣化，嚴(yán)重者甚至發(fā)生避雷器爆炸、對地短路等事件[11-13]。

掌握避雷器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并分析其現(xiàn)場故障成因，對設(shè)備診斷、故障預(yù)防、標(biāo)準(zhǔn)制度起到重要作用[14-19]。本研究介紹一起雷擊造成的避雷器故障案例，該案例中線路遭受多重回?fù)衾?，造成避雷器閥片溫度持續(xù)上升并發(fā)生熱崩潰，電磁暫態(tài)仿真重現(xiàn)了該電磁過程，也為避雷器的故障分析和診斷性試驗(yàn)提供一定經(jīng)驗(yàn)。

1 故障概述及排查情況

1.1 故障概況

2021年7月4日18時(shí)37分，某500 kV線路C相雷擊故障跳閘，重合成功。19時(shí)08分，該線C相再次故障跳閘，重合不成功跳三相。

1.2 一次設(shè)備檢查

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)線路一端500 kV變電站(A站)內(nèi)該線路C相避雷器壓力釋放噴口有燒黑痕跡，避雷器泄漏電流表及附近金屬支柱有熏黑痕跡，見圖1。故障避雷器型號為Y20W5-420/1046，2017年1月投運(yùn)。其余一次設(shè)備及對端站(B站)內(nèi)一次設(shè)備未見異常。

圖1 避雷器噴口和計(jì)數(shù)器受損Fig.1 Damage to the arrester nozzle and counter

檢查發(fā)現(xiàn)線路64號塔C相橫擔(dān)及橫擔(dān)端第2片、第8片絕緣子碗頭有明顯放電痕跡，第13片、第20片玻璃絕緣子爆裂。

對A站故障避雷器開展直流1 mA參考電壓(U1 mA)及75%U1 mA下的泄漏電流測量。C相避雷器上中下3節(jié)均無法施加試驗(yàn)電壓，試驗(yàn)不合格，A、B相避雷器試驗(yàn)數(shù)據(jù)合格，見表1。對C相避雷器的上中下節(jié)及底座分別進(jìn)行絕緣電阻測試，結(jié)果見表2，試驗(yàn)結(jié)果不合格。

表1 避雷器直流試驗(yàn)結(jié)果Table 1 DC test results of arresters

表2 C相避雷器絕緣電阻測試值Table 2 C-phase arrester insulation resistance test value

1.3 二次保護(hù)動作情況

線路第1次跳閘線路保護(hù)情況：7月4日18時(shí)37分955毫秒，C相接地故障，48 ms后B站5022、5023 C相斷路器跳閘，66 ms后A站5012、5013斷路器C相跳閘，944 ms后A站5013斷路器C相重合，950 ms后B站5023斷路器C相重合，1 443 ms后B站5022斷路器C相重合,1 451 ms后A站5012斷路器C相重合。A站側(cè)故障測距67.22 km，故障相電流1.118×4 000 A(即4.472 kA)。

線路第2次跳閘線路保護(hù)情況：第1次故障后約30分鐘，7月4日19時(shí)08分21秒423毫秒，線路C相故障，55 ms后B站5022、5023C相斷路器跳閘，58 ms后A站5012、5013斷路器C相跳閘，937 ms后A站5013斷路器C相重合于永久性故障，940 ms后B站5023斷路器C相重合于永久性故障，982.5 ms后A站5012、5013斷路器三相跳閘，994 ms后B站5012、5013斷路器三相跳閘。A站側(cè)故障測距0.11 km，故障相電流：1.898×4 000 A(即7.592 kA)。

1.4 故障錄波及雷電定位情況

A站第一次故障錄波見圖2，線路C相發(fā)生單相接地故障時(shí)刻為18時(shí)37分16秒956毫秒，查閱雷電定位系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)此時(shí)線路有落雷，雷電流幅值48.1 kA，落雷點(diǎn)為63～64號桿塔，距離A站65.5 km，與線路C相64號塔上的絕緣子放電痕跡對應(yīng)。C相線路跳閘后，線路上監(jiān)測到多次電壓波形暫態(tài)過程，出現(xiàn)時(shí)刻與雷電回?fù)魰r(shí)刻一致，見表3。

圖2 A站第一次故障錄波圖Fig.2 The first fault oscillogram of station A

表3 雷電定位系統(tǒng)與錄波信息對應(yīng)情況Table 3 The correspondence between the lightning location system and the recorded wave information

線路在雷擊跳閘后至重合閘之前，遭受了5次雷電回?fù)簦渲械?次雷電回?fù)魹樵诰€路上產(chǎn)生了毫秒級別的過電壓，根據(jù)波形特征推測，該過電壓疑似為A站側(cè)斷路器斷口重燃引起的操作過電壓。

19時(shí)08分21秒424毫秒，該線路C相再次故障，故障持續(xù)時(shí)間為40 ms，最大短路電流峰值為11.3 kA，900 ms后重合閘不成功跳三相斷路器。線路第2次故障時(shí)，線路上沒有落雷。

2 解體檢查情況

根據(jù)試驗(yàn)和排查情況，現(xiàn)場對C相避雷器進(jìn)行解體檢查。避雷器由上、中、下3節(jié)組成，檢查3節(jié)避雷器外瓷套，未見瓷套有放電及閃絡(luò)痕跡，見圖3。

圖3 故障CVT電容單元Fig.3 Faulty CVT capacitor unit

檢查3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，見圖4。防爆膜已脫落，壓力釋放通道有嚴(yán)重?zé)诤圹E，見圖5。

圖4 避雷器壓力釋放噴口Fig.4 Arrester pressure relief nozzle

圖5 避雷器防爆膜和壓力釋放通道Fig.5 Arrester explosion-proof diaphragm and pressure relief channel

檢查3節(jié)避雷器充氣口，未見異常，見圖6。

圖6 避雷器充氣口Fig.6 Surge arrester gas port

拆開3節(jié)避雷器上下密封件，密封圈完好，未見變形，檢查內(nèi)部金屬部件，未見受潮痕跡，見圖7。

圖7 避雷器密封圈和內(nèi)部金屬支撐件Fig.7 Arrester seal and inner metal support

抽出避雷器閥片，檢查避雷器內(nèi)部玻璃纖維環(huán)氧筒，玻璃纖維環(huán)氧筒外表面未見異常，內(nèi)表面有過熱熏黑痕跡，未見閃絡(luò)放電痕跡，見圖8。

圖8 避雷器內(nèi)部玻璃纖維環(huán)氧筒Fig.8 The inner glass fiber epoxy barrel of the arrester

檢查避雷器閥片，發(fā)現(xiàn)避雷器閥片受損嚴(yán)重，閥片表面全部有過熱燒蝕痕跡。中節(jié)避雷器相對完好，上下節(jié)避雷器大部分閥片擊穿破裂，見圖9。避雷器閥片未見受潮痕跡。

圖9 避雷器被擊穿閥片F(xiàn)ig.9 The arrester is broken down by the valve plate

根據(jù)解體檢查結(jié)果，排除了閥片受潮、玻璃纖維環(huán)氧筒絕緣性能不良等原因，判斷本次故障為閥片熱崩潰導(dǎo)致避雷器擊穿。

3 原因分析

3.1 電磁暫態(tài)仿真

在ATP-EMTP軟件中建立該線路第5次線路繞擊過電壓計(jì)算模型[20-23]，見圖10。雷電流取5.2 kA，斷路器斷口入口電容取900 pF，CVT電容5 000 pF，架空線路采用Jmarti模型，單回布置。計(jì)算得到C相斷路器斷口的過電壓峰值為904 kV(負(fù)極性)見圖11?？紤]電源側(cè)電壓峰值為408 kV，在極端情況下斷口間電壓最大值為1 312 kV，超過斷路器操作絕緣水平(1 300 kV)?？紤]到斷路器開斷短路電流后滅弧室溫度尚高，絕緣可能未完全恢復(fù)，斷路器斷口此時(shí)容易發(fā)生重燃[24]。

圖10 繞擊過電壓計(jì)算模型Fig.10 Calculation model of the overvoltage of the shielding

圖11 繞擊后C相斷口過電壓(未考慮電源側(cè)電壓)Fig.11 Overvoltage of phase-C break after shielding (without considering the voltage on the power supply side)

根據(jù)故障錄波中線路C相及零序電壓高頻分量出現(xiàn)時(shí)間，判斷斷口重燃時(shí)刻，在高頻電流第1次過零時(shí)熄滅，約二分一周波后出現(xiàn)第2次重燃。結(jié)合上述分析，建立線路C相斷路器斷口間兩次重燃的操作過電壓仿真模型，見圖12。

圖12 線路C相斷路器斷口間兩次重?fù)舸┻^電壓仿真模型
Fig.12 Simulation model of the voltage through the two strokes between the breakers of the C-phase circuit breaker

根據(jù)仿真結(jié)果可知，第1次斷口重燃時(shí)刻，過電壓幅值約為-645 kV，第2次斷口重燃時(shí)刻，過電壓幅值約為1 220 kV，與故障錄波值1 042 kV相差不大，見圖13。其誤差來源包括設(shè)備等值參數(shù)、錄波采樣率限制無法獲得高頻分量等[25-26]。

圖13 故障線路斷路器過電壓仿真及故障錄波圖Fig.13 Overvoltage simulation and oscillogram record of faulty circuit breaker

3.2 避雷器吸收能量估算

根據(jù)錄波圖，取A站故障線路避雷器最大殘壓時(shí)刻2 ms時(shí)段內(nèi)的平均電壓950 kV用于估算。根據(jù)避雷器伏安特性曲線，查出此電壓下避雷器通過的電流約10 kA，估算該避雷器在2 ms內(nèi)吸收的能量約為19 MJ，遠(yuǎn)大于GB 11032-2020《交流無間隙金屬氧化物避雷器》中要求的額定熱能量5.9 MJ(額定電壓420 kV)[27-30]。

從兩側(cè)避雷器額定電壓看，B站線路避雷器額定電壓444 kV(1.4 p.u.)，A站為420 kV(1.3 p.u.)，根據(jù)電阻片伏安特性，420 kV側(cè)吸收能量占比較大，更容易發(fā)生熱崩潰損壞。

4 總結(jié)

根據(jù)上述分析情況，本次避雷器故障原因?yàn)椋汗收暇€路C相雷擊跳閘后，重合過程中遭受多重回?fù)衾祝秩氩ㄔ跀嗦菲鲾嗫谔幦瓷?，致使斷路器斷口重燃引發(fā)操作過電壓，避雷器短時(shí)間內(nèi)吸收的能量累積遠(yuǎn)超過其耐受值，避雷器閥片溫度持續(xù)上升，最終在承受運(yùn)行電壓30 min后發(fā)生熱崩潰故障。為防范類似故障，建議后續(xù)加強(qiáng)以下防范措施：

1)對多雷區(qū)線路加裝線路避雷器，提升線路防雷水平。

2)綜合考慮過電壓耐受裕度、能量分布均衡等因素，500 kV線路側(cè)避雷器額定電壓應(yīng)優(yōu)先按照444 kV(1.4 p.u.)選取[31-32]。

3)避免輸電線路兩側(cè)斷路器長期處于熱備用運(yùn)行狀態(tài)。