矯立新，王 朔，孫友群，劉 赫，劉俊博，列劍平，朱大銘

（1.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，長(zhǎng)春 130021；2.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司，長(zhǎng)春 130021）

0 引言

目前，金屬氧化物避雷器因其優(yōu)異的過(guò)電壓保護(hù)性能和穩(wěn)定性被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，為電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠保障[1-4]。但近些年來(lái)避雷器故障、爆炸等事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響了電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[5-7]。

本文對(duì)一起變電站500 kV金屬氧化物避雷器故障進(jìn)行研究，結(jié)合雷電定位系統(tǒng)的雷電信息、變電站故障錄波信息和避雷器解體檢查綜合分析避雷器故障原因，并有針對(duì)性地提出防治措施，以提高避雷器的安全運(yùn)行水平[8-10]。

1 故障情況

2017年06月20日16時(shí)13分，500 kV甲乙線路發(fā)生單相接地故障，線路兩側(cè)斷路器B相跳閘，重合不良跳三相，500 kV甲變電站5052避雷器B相壓力釋放動(dòng)作故障。故障錄波器報(bào)文顯示，對(duì)側(cè)500 kV乙變電站測(cè)距：距乙變電站側(cè)40.54 km，故障電流9.549 kA；甲變電站測(cè)距：距甲變電站側(cè)91.83 km，故障電流4.51 kA。

根據(jù)雷電定位系統(tǒng)查詢(xún)，故障時(shí)間點(diǎn)前后1分鐘內(nèi)，故障線路周邊范圍1 km內(nèi)有3處雷電活動(dòng)記錄，雷電流最大不超過(guò)-15.7 kA，與故障時(shí)間最近的落雷雷電流為-15.7 kA，最近桿塔為500 kV甲乙線的236—237號(hào)，其中，16時(shí)13分06.801秒，主放電落雷-15.7 kA，16時(shí)13分07.135秒，后續(xù)第一次回?fù)袈淅?13.3 kA。經(jīng)檢修公司輸電專(zhuān)業(yè)人員現(xiàn)場(chǎng)巡查，發(fā)現(xiàn)236號(hào)桿塔B相絕緣子表面有明顯閃絡(luò)痕跡，故障位置與故障測(cè)距基本吻合，綜合分析確認(rèn)雷電繞擊236號(hào)桿塔導(dǎo)致B相絕緣子閃絡(luò)是500 kV甲乙線跳閘原因。

2 變電站故障錄波分析

分別調(diào)取500 kV甲乙變電站故障錄波信息，因甲變電站為雙母線加旁路母線接線方式，其錄波信息包括母線電壓和線路電流，而乙變電站為二分之三接線方式，其錄波信息包括線路電壓和線路電流。

截取乙變電站故障錄波片段見(jiàn)圖1。

圖1 乙變電站故障錄波片段ⅠFig.1 Fault wave record fragmentⅠof Yi substation

從圖1可看出，雷電繞擊甲乙線B相后，甲乙線兩側(cè)B相斷路器分閘，在重合閘前的7.165 s，甲乙線上出現(xiàn)一次持續(xù)近60 ms的電壓波動(dòng)，而電流基本沒(méi)有變化，與后續(xù)第一次回?fù)袈淅讜r(shí)間基本一致。分析認(rèn)為負(fù)極性后續(xù)第一次回?fù)袈淅自俅卫@擊B相，此時(shí)甲乙線兩側(cè)斷路器處于分閘狀態(tài)，雷電波由雷擊點(diǎn)向兩側(cè)傳遞并在線路末端反射，出現(xiàn)-870.78 kV的高幅值電壓波，因線路上此時(shí)無(wú)接地點(diǎn)，雷電能量只能在不斷反射過(guò)程中通過(guò)線路電阻逐漸消耗，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

仔細(xì)觀察圖1中電壓波動(dòng)部分，電壓存在正負(fù)極性交替變換過(guò)程，僅有雷電波不斷折射和反射，無(wú)法形成該波形。繼續(xù)選取乙變電站其它出線相應(yīng)時(shí)刻波形進(jìn)行分析，見(jiàn)圖2。

圖2中給出了乙變電站500 kV 1號(hào)線和2號(hào)線的電壓波形，與母線電壓波形相當(dāng)。由圖2可知，雷電波在甲乙線上折射和反射的過(guò)程中，1號(hào)線和2號(hào)線上出現(xiàn)了零序電壓，認(rèn)為系統(tǒng)中有操作沖擊影響。其它500 kV出線，均有相似零序電壓出現(xiàn)，而電流沒(méi)有波動(dòng)。

圖2 乙變電站故障錄波片段ⅡFig.2 Fault wave record fragmentⅡof Yi substation

分析認(rèn)為雷電波在乙變電站側(cè)線路末端反射出現(xiàn)-870.78 kV的高幅值電壓波，相應(yīng)時(shí)刻乙變電站母線B相電壓剛好在正峰值432.18 kV附近，斷路器兩側(cè)形成1302.96 kV的壓差，在正常運(yùn)行條件下，斷口間雷電沖擊耐受電壓為1740 kV的SF6罐式斷路器不會(huì)發(fā)生斷口擊穿，但在分閘后350 ms內(nèi)滅弧室的絕緣水平可能尚未完全恢復(fù)，如果斷口間的恢復(fù)電壓上升速度高于斷路器介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度的增長(zhǎng)，則斷路器可能發(fā)生重?fù)舸11]。斷路器重?fù)舸┖笙喈?dāng)于乙變電站側(cè)合空載長(zhǎng)線，處于線路末端的5052避雷器承受高幅值操作電壓沖擊，短時(shí)間內(nèi)吸收巨大的能量并累積。

7.542 s乙變電站側(cè)斷路器先于甲變電站側(cè)斷路器重合閘，波形見(jiàn)圖3。

圖3 乙變電站故障錄波片段ⅢFig.3 Fault wave record fragmentⅢof Yi substation

由圖3可知，甲乙線上重合閘瞬間即有操作過(guò)電壓出現(xiàn)，峰值816.094 kV，但甲乙線上的故障電流滯后了18 ms，認(rèn)為在乙變電站側(cè)斷路器重合閘之后，發(fā)生了接地短路故障，即5052避雷器B相在操作過(guò)電壓和工頻過(guò)電壓的共同作用下發(fā)生爆炸故障。

3 避雷器解體檢查

3.1 避雷器歷史運(yùn)行情況

5052避雷器的型號(hào)為Y20W1-444/1063W，查看近幾年停電檢修的電氣試驗(yàn)報(bào)告中B相避雷器U1mA和75%U1mA下泄漏電流試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果均合格，部分?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)表1。且2017年雷雨季節(jié)前帶電阻性電流與全電流試驗(yàn)結(jié)果均合格。

表1 B相避雷器電氣試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Electrical test results of B phase MOA

3.2 故障相避雷器解體檢查

故障發(fā)生后，立即組織相關(guān)人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行排查，檢查發(fā)現(xiàn)5052避雷器B相3節(jié)避雷器均壓力釋放動(dòng)作，有大量黑色粉末狀物質(zhì)自防爆孔噴出附著在瓷套表面。隨后對(duì)故障避雷器進(jìn)行解體檢查，3節(jié)避雷器端部均密封良好，排除受潮可能，取出內(nèi)部電阻片進(jìn)一步分析，見(jiàn)圖4。

圖4 B相避雷器解體照片F(xiàn)ig.4 Dissection pictures of phase B MOA

由圖4可知，上節(jié)避雷器和中節(jié)避雷器有若干電阻片完全碎裂或存在裂紋，電阻片柱表面通體呈黑色，有明顯沿面放電痕跡。下節(jié)避雷器的電阻片全部碎裂呈塊狀，認(rèn)為是熱崩潰所致。

3.3 非故障相避雷器解體檢查

按相同流程對(duì)C相避雷器進(jìn)行解體檢查，避雷器端部密封良好，電阻片柱整體完好，見(jiàn)圖5。

圖5 C相避雷器解體照片F(xiàn)ig.5 Dissection pictures of phase C MOA

對(duì)拆解出的電阻片依次進(jìn)行比例單元絕緣電阻、U1mA和75%U1mA下泄漏電流試驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果：絕緣電阻均在2 GΩ以上，U1mA分散性較小，75%U1mA下泄漏電流均在50 μA以下，表明非故障相避雷器沒(méi)有劣化跡象。

根據(jù)避雷器解體檢查情況和相應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為排除5052避雷器B相3節(jié)避雷器進(jìn)水受潮和電阻片劣化可能性，故障原因?yàn)楸芾灼鞫虝r(shí)間內(nèi)吸收了大于其耐受能力的沖擊過(guò)電壓能量引起下節(jié)避雷器熱崩潰，進(jìn)而導(dǎo)致中、上節(jié)避雷器電阻片在工頻過(guò)電壓作用下沿面閃絡(luò)。

4 避雷器故障過(guò)程和原因分析

綜合上述故障錄波情況和避雷器解體檢查，確定5052避雷器B相故障過(guò)程如下：

1）16時(shí)13分6.801秒，-15.7 kA雷電繞擊500 kV甲乙線236號(hào)桿塔B相，造成B相絕緣子閃絡(luò)，發(fā)生單相接地故障后，線路兩側(cè)斷路器B相跳閘。

2）16時(shí)13分7.165秒，-13.3 kA后續(xù)第一次回?fù)袈淅自俅卫@擊236號(hào)桿塔B相，B相絕緣子未閃絡(luò)，雷電波由雷擊點(diǎn)向兩側(cè)傳遞并在線路末端反射，造成乙變電站側(cè)斷路器斷口重?fù)舸?052避雷器B相短時(shí)間內(nèi)連續(xù)承受雷電過(guò)電壓、操作過(guò)電壓和工頻過(guò)電壓沖擊。

3）16時(shí)13分7.540秒，500 kV甲乙線單相重合閘，乙變電站側(cè)斷路器先動(dòng)作，5052避雷器B相在承受18 ms的操作過(guò)電壓和工頻過(guò)電壓后發(fā)生故障，重合閘失敗跳三相。

5052避雷器B相故障原因：在500 kV甲乙線B相跳閘和單相重合閘之間，多重雷再次繞擊故障相，導(dǎo)致近雷擊點(diǎn)側(cè)斷路器斷口重?fù)舸?，造?052避雷器短時(shí)間內(nèi)承受兩次雷電過(guò)電壓沖擊和一次操作過(guò)電壓與工頻過(guò)電壓的綜合沖擊，吸收巨大能量并累積，熱平衡來(lái)不及恢復(fù)；重合閘時(shí)，乙變電站側(cè)斷路器先動(dòng)作，5052避雷器時(shí)隔近375 ms再次承受操作過(guò)電壓和工頻過(guò)電壓沖擊，近18 ms后避雷器吸收能量遠(yuǎn)大于其耐受能力，下節(jié)避雷器最先熱崩潰，在工頻過(guò)電壓作用下，上節(jié)和中節(jié)避雷器內(nèi)部電阻片沿面閃絡(luò)，3節(jié)避雷器均壓力釋放動(dòng)作。

5 結(jié)論

1）5052避雷器B相故障原因：多重雷誘發(fā)線路跳閘和斷路器斷口重?fù)舸?，?dǎo)致5052避雷器短時(shí)間內(nèi)多次承受雷電過(guò)電壓、操作過(guò)電壓和工頻過(guò)電壓沖擊，最終引起電阻片熱崩潰和沿面閃絡(luò)。

2）正確選擇避雷器。從解體情況分析，上節(jié)和中節(jié)避雷器個(gè)別電阻片破裂，下節(jié)避雷器完全碎裂，在遭受多重過(guò)電壓沖擊的特殊工況下，避雷器的釋放電流超出了其承受能力。為保證電站安全運(yùn)行，防止類(lèi)似事故再次發(fā)生，應(yīng)當(dāng)選擇通流能力更高、耐受能力更強(qiáng)或多柱并聯(lián)的避雷器。

3）加強(qiáng)運(yùn)行檢測(cè)。帶電測(cè)試是保證金屬氧化物避雷器安全可靠運(yùn)行的重要措施之一。根據(jù)規(guī)程規(guī)定，新投入電網(wǎng)運(yùn)行的500 kV及以上電壓等級(jí)的避雷器，投運(yùn)后半年內(nèi)測(cè)量一次運(yùn)行電壓下的交流泄漏電流帶電測(cè)試，運(yùn)行一年后，每年雷雨季前應(yīng)測(cè)量一次。同時(shí)按照相關(guān)規(guī)程定期進(jìn)行紅外檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理，避免事故的發(fā)生。