南方電網(wǎng)電動(dòng)汽車服務(wù)有限公司 李晨曦

廣東陽江地區(qū)屬多雷地區(qū)，雷電活動(dòng)頻繁，架空線路易遭受雷擊，雷電波會(huì)沿著導(dǎo)線進(jìn)入變電站。按照交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合規(guī)定設(shè)置進(jìn)線保護(hù)段，即采用雙避雷線，并盡可能降低桿塔接地電阻，使進(jìn)線保護(hù)段具有較高的耐雷水平；并在變電所母線上裝設(shè)無間隙金屬氧化物避雷器（MOA），MOA與電氣設(shè)備間的最大距離不超過規(guī)定的數(shù)值，是可以滿足110kV和220kV敞開式變電站的耐受雷電侵入波過電壓要求的。但電網(wǎng)有時(shí)會(huì)存在進(jìn)線斷路器出現(xiàn)暫時(shí)性分閘狀態(tài)，其與雷電侵入波兩種情況的疊加就可能在斷路器末端反射產(chǎn)生很高的過電壓，引起敞開式變電站內(nèi)進(jìn)線斷路器及CT等設(shè)備事故[1]。

例如：斷路器多數(shù)處于熱備用狀態(tài)（隔離刀閘在合閘位置）或當(dāng)兩次雷在1秒鐘內(nèi)擊中同一線路，由于保護(hù)設(shè)置的原因，第二次雷擊時(shí)重合閘未動(dòng)，進(jìn)線斷路器處于分閘狀態(tài)，就可能在斷路器末端反射產(chǎn)生很高的過電壓，造成事故。2019年05月27日6時(shí)，陽江供電局所運(yùn)行的220kV碟平乙線在1秒鐘內(nèi)遭受兩次雷擊，造成與其相連接的220kV平地站站內(nèi)設(shè)備損壞。

1 事故過程

故障前運(yùn)行方式。220kV平地站220kV1、2M母線并列運(yùn)行，220kV母聯(lián)2012開關(guān)在運(yùn)行狀態(tài)；220kV登平甲線、220kV#1變高、220kV#1電壓互感器在1M母線運(yùn)行；220kV平鎳線、平首線、蝶平乙線（同塔架設(shè)蝶平甲線退出運(yùn)行）、220kV#2變高、#2電壓互感器2M母線運(yùn)行；#1主變220kV、110kV中性點(diǎn)接地刀閘在合上位置，#2主變220kV、110kV中性點(diǎn)接地刀閘在拉開位置。

事故過程。2019年05月27日陽江地區(qū)為雷暴天 氣，06時(shí)53分58秒736毫 秒，220kV蝶 平 乙線第75號(hào)塔C相遭雷擊，雷擊點(diǎn)距離220kV平地站1.225公里。平地站220kV蝶平乙線線路保護(hù)動(dòng)作，跳C相；315毫秒后平乙線線路保護(hù)再次動(dòng)作，跳ABC三相，重合閘不動(dòng)作；404ms后220kV母差及失靈保護(hù)動(dòng)作跳220kV母聯(lián)，220kV2M母線上所有運(yùn)行設(shè)備停運(yùn)。故障造成220kV蝶平乙線、平地站220kV2M母線、220kV平首線、平鎳線、220kV#2變高、220kV2M母線停運(yùn)。

故障同時(shí)還造成220kV平地站部分運(yùn)行設(shè)備損壞。經(jīng)檢查損壞情況如下：蝶平乙線CT。SF6CT C相一次對(duì)二次繞組及地絕緣電阻嚴(yán)重下降、二次繞組對(duì)地絕緣電阻為零；C相CT二次接線盒內(nèi)壁燒焦熏黑，C相二次端子盒內(nèi)電流回路三根電纜已燒斷，絕緣皮熔化破損；220kV蝶平乙線開關(guān)。220kV蝶平乙線開關(guān)端子箱接地和零序電流端子燒焦。開關(guān)動(dòng)觸頭底部發(fā)現(xiàn)少量放電粉末，瓷瓶內(nèi)壁附著少量白色放電粉末。解體后發(fā)現(xiàn)動(dòng)靜觸頭后，發(fā)現(xiàn)主觸頭、主觸頭屏蔽罩燒蝕較為嚴(yán)重，噴口外側(cè)表面有黑色燒蝕痕跡，主觸頭的觸指燒蝕嚴(yán)重，部分觸指已經(jīng)燒融，觸指表面附著大量白色放電粉塵。

設(shè)備基本情況。220kV平地變電站蝶平乙線間隔為2019年擴(kuò)建工程，間隔內(nèi)安裝了一臺(tái)220kV開關(guān)和一組CT。蝶平乙線開關(guān)型號(hào)為3AP1-FI，為西門子(杭州)高壓開關(guān)有限公司生產(chǎn)。CT型號(hào)LVQB-220，為山東泰開互感器有限公司生產(chǎn)。由兩臺(tái)隔離開關(guān)分別于1，2M母線連接，事故當(dāng)天在2母運(yùn)行；蝶平乙線出線間隔的出線避雷器布置在220kV平地站外蝶平乙線終端塔上，選用的避雷器為線路絕緣子防雷用的帶串聯(lián)間隙的YH10CX-204/592型金屬氧化物避雷器，該型避雷器正極性50%雷電沖擊放電電壓為862.6kV（峰值）、負(fù)極性50%雷電沖擊放電電壓為1004kV。事故發(fā)生后，對(duì)蝶平乙線出線間隔的出線避雷器按DL/T596-1996電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行了試驗(yàn)，符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)蝶平乙線開關(guān)機(jī)構(gòu)和蝶平乙線CT進(jìn)行解體檢查，排除設(shè)備質(zhì)量問題。

雷電定位。經(jīng)雷電定位系統(tǒng)查詢，2019年05月27日06時(shí)53分58秒736毫秒及其后315毫秒，該時(shí)間段內(nèi)陽江地區(qū)有兩個(gè)落地雷，故障時(shí)段前后的記錄時(shí)間及雷電流大（kA）分別為：06:53:58/-12.00，06:53:58/-20.00，06:53:59/-12.00，06:53:59/-16.00，性質(zhì)均為地閃。巡線發(fā)現(xiàn)第75號(hào)塔C相遭雷擊，距離220kV平地站1.225km。

2 仿真計(jì)算

2.1 計(jì)算軟件及計(jì)算參數(shù)

采用ATP-EMTPE（Electromagnetic Transient& Power Electronics）電磁暫態(tài)計(jì)算程序，本文用以輸電線路雷電過電壓仿真計(jì)算，計(jì)算在國網(wǎng)電科院防雷中心進(jìn)行。

經(jīng)巡視，距離220kV平地站1.225公里處的第75號(hào)塔上絕緣子有明顯閃絡(luò)痕跡，220kV平地站未發(fā)現(xiàn)落雷點(diǎn)。蝶平乙線75號(hào)桿塔參數(shù)為：導(dǎo)線型號(hào)2×LJGX-630/45；導(dǎo)線排列方式為垂直排列；相序排列（面向大號(hào)側(cè)）垂直排列：上B中C下A；架空地線型號(hào)左邊OPGW光纜、右邊LJGX-120/70；絕緣子型號(hào)FXBW4-220/160-2420；桿塔類型為直線塔；桿塔型號(hào)2Z2C5-44；接地類型RH5-10；接地電阻實(shí)測值5.5歐、設(shè)計(jì)值20歐。

根據(jù)塔型結(jié)構(gòu)、導(dǎo)/地線型號(hào)、接地電阻等參數(shù)，建立桿塔本體多波阻抗、沖擊接地電阻和絕緣閃絡(luò)模型。雷電流采用2.6/50μs負(fù)極性沖擊電流源（圖1）；桿塔多波阻抗根據(jù)2Z2C5塔型特征采用4層模型（N=4），75#塔接地電阻取5.5Ω，絕緣閃絡(luò)模型使用先導(dǎo)法；蝶平甲線在檢修，仿真中將蝶平甲線兩側(cè)接地。絕緣子串干弧距離由結(jié)構(gòu)長度減去金屬構(gòu)件及均壓環(huán)短接部分，取值2.3m。為使仿真波形變化更明顯，在仿真時(shí)間的第10微秒再開啟雷電流。

圖1 仿真計(jì)算采用的雷電流波形

2.2 第一次雷擊計(jì)算

由雷擊記錄可知無法造成反擊閃絡(luò)，此處僅對(duì)繞擊做仿真。仿真中考慮到雷擊時(shí)刻220kV線路工頻電壓影響，在一個(gè)工頻周期內(nèi)每隔60°計(jì)算一次，其中相角以A相電壓余弦表達(dá)式為基準(zhǔn)，計(jì)算雷電繞擊C相的耐雷水平，計(jì)算結(jié)果為：相角分別為0/60/120/180/240/300°時(shí)，繞擊C相分別為8.9/8.0/8.9/10.2/10.9/10.2kA，均值為9.5kA。當(dāng)-20kA超過C相繞擊閃絡(luò)耐雷水平（約9.5kA，具體與工頻相角有關(guān)），可造成C相繞擊閃絡(luò)。

2.3 第二次雷擊計(jì)算

在線路第一次遭雷擊時(shí)平地站220kV蝶平乙線線路保護(hù)動(dòng)作，蝶平乙線線路開關(guān)跳閘。由于蝶平乙線線路開關(guān)重合閘的設(shè)置為1s，在315ms后線路遭第二次雷擊時(shí)線路開關(guān)未動(dòng)，開關(guān)為斷開狀態(tài)。其仿真計(jì)算如圖2。

圖2 75#塔繞擊閃絡(luò)典型過電壓波形（C相閃絡(luò)）

220kV蝶平乙線C相第二次接地故障時(shí)，雷電波沿著蝶平乙線向平地站方向傳播，此時(shí)線路C相開關(guān)處于分閘狀態(tài)，雷電波在開關(guān)端口位置發(fā)生波反射，避雷器距離開關(guān)斷口較遠(yuǎn)（79m），開關(guān)斷口處的電壓將大幅提高。對(duì)此進(jìn)行仿真，將變電站等效為帶內(nèi)阻的電壓源，電阻按容量折算，蝶平甲線檢修不帶電源。終端塔三相均安裝線路避雷器。在-12kA雷電流繞擊C相情況下，75#塔C相導(dǎo)線電位達(dá)到約1518kV，傳播至終端塔，避雷器盡管吸收一部分能量，斷口電壓達(dá)1437kV超過開關(guān)沖擊耐受電壓1050kV，即斷路器斷口和CT端部的雷電過電壓均明顯超過其絕緣的雷電沖擊耐受電壓，造成斷路器斷口擊穿和CT主絕緣擊穿。

3 原因分析和改進(jìn)措施

3.1 原因分析

斷路器斷口擊穿和CT主絕緣擊穿斷路器后，工頻電流流過斷路器斷口并通過CT主絕緣擊穿點(diǎn)接地。直至220kV母差及失靈保護(hù)一C相穩(wěn)態(tài)量差動(dòng)動(dòng)作跳220kV母聯(lián)，220kV2M母線上所有設(shè)備退出運(yùn)行；斷路器是在分閘情況下發(fā)生擊穿，擊穿通道為主觸頭間沿大噴口表面閃絡(luò)，此時(shí)開關(guān)不具備滅弧能力。持續(xù)了132ms的燃弧將主觸頭、主觸頭屏蔽罩嚴(yán)重?zé)g，主觸頭的觸指嚴(yán)重?zé)g、部分觸指燒融，噴口外側(cè)表面有黑色燒蝕痕跡；過電壓使得C相CT主絕緣擊穿，工頻電流流經(jīng)二次接線盒將內(nèi)壁燒焦熏黑，二次端子盒內(nèi)電流回路三根電纜已燒斷、絕緣皮熔化破損。故障電流沿二次線串入斷路器的二次端子盒內(nèi)，將蝶平乙線開關(guān)端子箱中的接地和零序電流端子燒焦。

3.2 避雷器選型錯(cuò)誤

變電站用避雷器是根據(jù)站內(nèi)電氣設(shè)備的絕緣水平選擇的，一般考慮操作過電壓、雷電過電壓和沖擊過電壓等因素，要綜合考慮這些因素確定避雷器的動(dòng)作電壓和殘壓。由于出線設(shè)備與其它變電設(shè)備的耐雷水平相同，變電站出線避雷器的選擇原則應(yīng)與變電站母線避雷同樣[4]。即當(dāng)線路遭受雷擊過電壓、雷擊過電壓侵入變電站時(shí)出線避雷器動(dòng)作，消除雷擊過電壓。特別是出線開關(guān)因檢修、試驗(yàn)或其它原因處于分閘狀態(tài)時(shí)，只有出線間隔避雷器保護(hù)出線間隔設(shè)備。

線路用避雷器是專門用于消除安裝桿塔在遭受雷擊后出現(xiàn)的過電壓。不考慮操作過電壓，即要求在操作過電壓下間隙不擊穿，避雷器不動(dòng)作，以免避雷器頻繁動(dòng)作影響線路正常運(yùn)行。線路避雷器是由一個(gè)間隙和一個(gè)氧化鋅避雷器串聯(lián)組成。當(dāng)線路遭到雷擊時(shí)，雷電過電壓擊穿空氣間隙，然后使避雷器導(dǎo)通泄露雷電能量。雷電過電壓消失后，氧化鋅電阻片又恢復(fù)絕緣狀態(tài)。因此它的動(dòng)作電壓為U50%放電電壓，要比站用避雷器動(dòng)作電壓高得多[2]，不同避雷器型號(hào)的起始動(dòng)作電壓（kV）與殘壓（kV）分別為：YH10W-200/496W為304、496；Y(H)10W-204/532為304、532；YH10CX-204/592為862/1004、592。

氧化物避雷器是用于線路防雷，它的作用是消除安裝桿塔出現(xiàn)的雷擊過電壓，保護(hù)線路絕緣子。當(dāng)出線斷路器斷開時(shí)，實(shí)際就等于線路開關(guān)和CT處于沒有過電壓保護(hù)狀態(tài)。

3.3 出線避雷器安裝位置不當(dāng)

文獻(xiàn)[3]分別對(duì)220kV變電所的MOA至分閘斷路器間不同保護(hù)距離下的危險(xiǎn)波曲線進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算出了在進(jìn)線保護(hù)段長度2.0km，斷路器、CT絕緣水平850/950kV條件下，MOA至分閘斷路器間的最大保護(hù)距離為50/80m。蝶平乙線出線避雷器安裝在變電站外的終端塔上，距開關(guān)79m。如果絕緣水平為950kV已達(dá)到最大距離；如果絕緣水平是850kV已遠(yuǎn)超過50米的最大保護(hù)距離。

可以用傅里葉函數(shù)將雷電波分解，得到很多高頻波。也就是說雷電波是由多種高頻波合成的。電感對(duì)高頻波的傳播影響極大，有較大的衰減作用。在本故障中，當(dāng)線路第二次遭雷擊時(shí)，由于系統(tǒng)保護(hù)和開關(guān)本身的動(dòng)作特性使開關(guān)處于分閘狀態(tài)，侵入波在開關(guān)斷口前產(chǎn)生了過電壓。而過電壓向避雷器傳播中由于導(dǎo)線阻抗的衰減，使得避雷器承受的過電壓沒有達(dá)到它的起始動(dòng)作電壓，沒有動(dòng)作。

3.4 改進(jìn)措施

在變電站線路出口處加裝避雷器，避免線路遭雷擊后雷電過電壓侵入變電站。技術(shù)參數(shù)應(yīng)與變電站避雷器選型相同。站內(nèi)避雷器采用無間隙的MOA[4]；將出線避雷器移至變電站內(nèi)線路出線處；蝶平乙線#57桿處于相鄰一片開闊地區(qū)的較高位置，遭受雷擊的概率較大，應(yīng)加裝線路避雷器，防止雷擊造成線路跳閘。

綜上，這次設(shè)備故障是由雷擊線路導(dǎo)致線路絕緣子閃絡(luò)放電，引發(fā)單相接地故障導(dǎo)致的；應(yīng)正確選擇避雷器，站內(nèi)避雷器采用無間隙的MOA，且避雷器移應(yīng)與被保護(hù)的設(shè)備距離在有效范圍內(nèi)。