李 謙，江宇棟，趙曉鳳，魏俊濤，林福昌

(1. 廣東省電力裝備可靠性企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院)，廣州 510080; 2. 華中科技大學(xué),武漢 430074)

0 引言

連續(xù)雷擊是指短時(shí)間內(nèi)連續(xù)雷擊或多重雷擊，是自然界普遍存在的一種大氣現(xiàn)象。觀測(cè)結(jié)果顯示[1-2]，大多數(shù)地閃過程是由主放電和后續(xù)回?fù)艚M成的連續(xù)雷擊，時(shí)間間隔在100 ms以內(nèi)，回?fù)魯?shù)為2～6次約占所有連續(xù)雷擊的89.53%(最多觀測(cè)到40多次)，雷電流一般為負(fù)極性，幅值為5 kA～50 kA。

對(duì)于雷電侵入波，變電站出線側(cè)開關(guān)、CT和無間隙金屬氧化物避雷器首當(dāng)其沖[3]，其中，位于變電站線路開關(guān)斷口外的線路側(cè)無間隙金屬氧化物避雷器(包括高抗中性點(diǎn)避雷器)更是處于變電站的防雷前沿。南方多雷區(qū)近年來發(fā)生短時(shí)間內(nèi)連續(xù)雷擊侵入波引起的線路側(cè)避雷器熱崩潰和線路開關(guān)斷口擊穿的故障，呈現(xiàn)多發(fā)的態(tài)勢(shì)，嚴(yán)重影響變電站設(shè)備的安全運(yùn)行[4]；除了滿足變電站設(shè)備絕緣配合要求[3]，避雷器自身在連續(xù)雷電侵入波下的運(yùn)行可靠性問題，也引起了越來越多的關(guān)注。

目前，變電站絕緣配合、避雷器能量吸收和開關(guān)斷口絕緣恢復(fù)強(qiáng)度的考核方法和標(biāo)準(zhǔn)，都是針對(duì)單次雷擊或者間隔一定時(shí)間的多次雷擊的工況，均未考慮連續(xù)雷擊的嚴(yán)苛工況[3,5]。

避雷器電阻片的溫升與吸收能量有密切的關(guān)系，傳統(tǒng)的避雷器能量耐受校核是基于單次陡波或方波沖擊，例如方波試驗(yàn)分組進(jìn)行每組試品降至室溫再繼續(xù)試驗(yàn)；而實(shí)際運(yùn)行中，連續(xù)雷擊的回?fù)糸g隔時(shí)間很短(數(shù)十毫秒)，電阻片來不及散熱而被視為一個(gè)絕熱系統(tǒng)，存在能量累積效應(yīng)，在連續(xù)雷擊的嚴(yán)苛工況下，電阻片持續(xù)發(fā)熱而出現(xiàn)劣化，如果在此基礎(chǔ)上承受持續(xù)的系統(tǒng)運(yùn)行電壓或振蕩電壓，避雷器發(fā)展為熱崩潰的風(fēng)險(xiǎn)極高。因此，對(duì)于雷電活動(dòng)強(qiáng)度大，線路遭受連續(xù)雷擊侵入波過電壓頻次高的地區(qū)，連續(xù)雷擊對(duì)無間隙避雷器能量吸收能力(通流容量)的要求較為苛刻，避雷器的能量耐受應(yīng)更加嚴(yán)格考核[5]。

針對(duì)以上問題，筆者以某變電站高抗中性點(diǎn)避雷器在連續(xù)雷擊下熱崩潰故障作為案例，基于連續(xù)雷擊侵入波下避雷器的累積能量吸收，了解連續(xù)雷擊對(duì)電阻片發(fā)熱和劣化的影響，為連續(xù)雷擊下避雷器耐受能力校核和防護(hù)提供指導(dǎo)。

1 故障情況

2020年5月18日，某500 kV變電站近區(qū)雷雨天氣，某同塔雙回的500 kV出線因雷電繞擊引發(fā)A、B相間短路故障，保護(hù)動(dòng)作跳線路重合閘不動(dòng)作?，F(xiàn)場巡視發(fā)現(xiàn)該線路高抗中性點(diǎn)避雷器(以下簡稱“中性點(diǎn)避雷器”)冒煙，取下后發(fā)現(xiàn)已崩裂損壞。

引起相間故障的落雷，是一個(gè)由6次連續(xù)雷擊組成、時(shí)間間隔在100 ms左右，共持續(xù)535 ms的地閃，除了主放電外，后續(xù)還有5個(gè)回?fù)?，見??？紤]到連續(xù)雷擊的主放電通道電導(dǎo)率很高，而后續(xù)回?fù)魰r(shí)間間隔很短，一般情況下會(huì)共用同一個(gè)放電通道，雷擊位置重合的幾率較高，推斷后續(xù)5次回?fù)舳紦糁袑?dǎo)線，造成沿線路的兩相或者單相進(jìn)波。

從故障錄波圖看，故障線路跳閘后盡管沒有電源，但一直有電壓存在，其中相間故障后，線路三相電壓經(jīng)歷約0.6 s的異常電壓波動(dòng)階段，從圖1的連續(xù)雷擊時(shí)刻與錄波圖的時(shí)間對(duì)應(yīng)(從上到下分別為線路三相電壓和故障相電流，箭頭為連續(xù)雷擊時(shí)刻)看，線路電壓波動(dòng)與落雷時(shí)間分布強(qiáng)相關(guān)。

圖1 錄波圖與連續(xù)雷擊的時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系

從故障中性點(diǎn)避雷器外觀上看，嶄新無異常，考慮到正常運(yùn)行時(shí)高抗中性點(diǎn)無電壓偏移，中性點(diǎn)避雷器基本沒有荷電，可排除電阻片老化的可能性，且交接試驗(yàn)和預(yù)防性試驗(yàn)數(shù)據(jù)合格，投運(yùn)2年以來的運(yùn)維巡視也未發(fā)現(xiàn)異常[6-12]。

本次故障起始點(diǎn)位于變電站近區(qū)，雷電繞擊引起相間故障并形成兩相進(jìn)波。相比于單相進(jìn)波，兩相進(jìn)波在高抗中性點(diǎn)處的折反射所引起的中性點(diǎn)電位偏移更大[2]，可能引起中性點(diǎn)避雷器動(dòng)作，而避雷器在短時(shí)間內(nèi)(535 ms)連續(xù)吸收6次雷電回?fù)羟秩氩ǖ哪芰亢螅l(fā)電阻片發(fā)熱而出現(xiàn)劣化。

線路跳閘后，線路、高抗和避雷器構(gòu)成孤立的系統(tǒng)，線路電容的靜電能與高抗的磁場能交替轉(zhuǎn)換，并伴隨著同塔架設(shè)線路的感應(yīng)耦合，期間還經(jīng)受5次雷電回?fù)舻拿}沖式電荷注入，激發(fā)了線路三相電壓的持續(xù)振蕩，在高抗中性點(diǎn)上出現(xiàn)明顯的電壓偏移，避雷器承受了長時(shí)間的電壓負(fù)荷。盡管高抗中性點(diǎn)振蕩電壓幅值可能不高(正常的避雷器完全可以承受)，但如果劣化后的避雷器承受該振蕩電壓作用的時(shí)間較長，帶來持續(xù)的能量供給，惡性循環(huán)，流過的續(xù)流越來越大，最終引發(fā)熱崩潰。

為了定量地論證以上對(duì)中性點(diǎn)避雷器故障原因的推斷，基于電磁暫態(tài)仿真程序PSCAD，對(duì)雷電繞擊線路后的暫態(tài)過程進(jìn)行仿真，計(jì)算中性點(diǎn)避雷器電壓、電流和吸收的能量，以了解連續(xù)雷擊和電磁振蕩過程對(duì)中性點(diǎn)避雷器故障的影響程度。

2 仿真建模

2.1 仿真模型

基于電磁暫態(tài)仿真程序PSCAD，建立故障線路雷電繞擊侵入波過程和電磁振蕩過程的仿真計(jì)算模型[13]，見圖2，主要包括線路電容、線路相間電容、時(shí)控開關(guān)模塊、電源模塊、變壓器模塊、高抗模塊、避雷器模塊。

圖2 基于PSCAD的連續(xù)雷擊侵入波過程仿真模型

目前尚無規(guī)定的連續(xù)雷擊標(biāo)準(zhǔn)波形，考慮到不同雷電流波形的雷電流能量差別較大，采用以下幾種典型的雷電波形對(duì)連續(xù)雷擊過程進(jìn)行模擬：1)GB 50057-2016《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，首次負(fù)極性雷擊為1/200 μs沖擊波形，后續(xù)回?fù)魹?.25/100 μs沖擊波形[14]；2)IEC 60099-4∶2006采用一種近似于正弦半波的沖擊電流，其瞬時(shí)值超過5%峰值的持續(xù)時(shí)間為200 μs～230 μs[15]；3)2.6/50 μs的標(biāo)準(zhǔn)雷電流波形，傳統(tǒng)用于定義單次雷電波[14]。

連續(xù)雷擊中的單次回?fù)舫掷m(xù)時(shí)間較兩次回?fù)舻拈g隔時(shí)間差3個(gè)數(shù)量級(jí)，兩次回?fù)糁g的相互影響忽略不計(jì)，可對(duì)每個(gè)回?fù)暨^程進(jìn)行獨(dú)立計(jì)算。

2.2 元件模擬

在雷電侵入波下，變壓器、隔離開關(guān)、互感器等采用電容模型[2]。采用PSCAD的分布式模型對(duì)輸電線路進(jìn)行模擬，不僅考慮導(dǎo)線與地線的空間布置，也考慮同塔雙回線路間存在相互的感應(yīng)耦合。

故障線路兩側(cè)各安裝一組高壓并聯(lián)電抗器(以下簡稱“高抗”)，高抗中性點(diǎn)經(jīng)中性點(diǎn)接地電抗器和中性點(diǎn)避雷器入地，變電站側(cè)高抗容量為40 Mvar/相(電感8 H)，對(duì)側(cè)高抗容量為30 Mvar/相(電感10 H)，兩側(cè)的中性點(diǎn)電抗器容量均為774 kVar(電感5 H)，對(duì)于雷電侵入波暫態(tài)過程，采用電容電感的鏈?zhǔn)交芈愤M(jìn)行模擬[2]。

500 kV線路避雷器型號(hào)為Y20W-444/1106 W，中性點(diǎn)避雷器采用YH10W-108/281W1型110 kV避雷器，能量耐受為352 kJ(11 kJ/片，共32片)，采用PSCAD中的無間隙金屬氧化物避雷器模型，手工輸入制造廠提供的避雷器電阻片伏安特性。

3 仿真結(jié)果

3.1 線路跳閘后高抗中性點(diǎn)電壓振蕩過程

雷電繞擊引起線路跳閘后，在線路電容和高抗組成的孤立系統(tǒng)中，電磁場能量轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)上，后續(xù)5次回?fù)衾讚羟秩氩ㄩg歇性地給系統(tǒng)注入能量，激發(fā)三相線路頻率44 Hz、最高幅值達(dá)750 kV的呈衰減的長時(shí)間電壓振蕩，相應(yīng)地引起的高抗中性點(diǎn)電壓出現(xiàn)偏移，形成的振蕩電壓波形見圖3(為嚴(yán)格起見，取兩相侵入波的1/200 μs與0.25/100 μs雷電波形)，可以看出，高抗中性點(diǎn)的振蕩電壓頻率與圖1的線路振蕩電壓頻率相同(44 Hz)，幅值可達(dá)181 kV，中性點(diǎn)避雷器將動(dòng)作。

圖3 雷電回?fù)粢鸶呖怪行渣c(diǎn)振蕩電壓的擾動(dòng)波形圖

3.2 中性點(diǎn)避雷器在連續(xù)雷擊侵入波下能量吸收

不同的雷電侵入波波形下的仿真結(jié)果看出：1)兩相或單相進(jìn)波在高抗中性點(diǎn)處折反射，均引起中性點(diǎn)避雷器動(dòng)作；2)兩相進(jìn)波引起的高抗中性點(diǎn)過電壓水平比單相進(jìn)波要高，可達(dá)206 kV。

中性點(diǎn)避雷器流過的電流和吸收的能量見表1和表2(溫升由制造廠家根據(jù)電阻片參數(shù)和吸收能量計(jì)算得到，取環(huán)境溫度為25 ℃)，可以看出：

1)無論是兩相還是單相進(jìn)波，中性點(diǎn)避雷器均吸收了較多能量，并引起一定的溫升。

2)對(duì)于1/200 μs與0.25/100 μs的雷電波形，避雷器累計(jì)吸收能量為302.3 kJ ～401.8 kJ，達(dá)到其耐受能力(352 kJ)的水平，相應(yīng)地溫度達(dá)到80 ℃～100 ℃，此工況對(duì)避雷器的考核最為嚴(yán)重。

3)對(duì)于5%峰值持續(xù)時(shí)間230 μs的半正弦波和2.6/50 μs的單次標(biāo)準(zhǔn)雷電波下避雷器吸收總能量稍低，但也達(dá)到100 kJ的水平，溫度超過60 ℃。

氧化鋅電阻片呈負(fù)溫度特性，隨著溫度升高，伏安特性將下降，由制造廠提供的避雷器參考電壓隨溫度變化的關(guān)系，當(dāng)電阻片溫度超過60 ℃時(shí)，避雷器整體1 mA參考電壓下降的變化率變大，出現(xiàn)劣化；當(dāng)電阻片溫度接近100 ℃時(shí)，1 mA參考電壓將下降超過8%，呈現(xiàn)較明顯的劣化特征。

由仿真計(jì)算結(jié)果，可以推斷：

1)中性點(diǎn)避雷器短時(shí)間內(nèi)吸收較多的連續(xù)雷擊能量，最嚴(yán)重情況下，吸收能量達(dá)到避雷器設(shè)計(jì)能量耐受能力水平，足以造成避雷器嚴(yán)重劣化。

2)即便對(duì)于不嚴(yán)苛的雷電波形條件，中性點(diǎn)避雷器吸收能量也達(dá)到本體能量耐受能力的25%，電阻片溫度達(dá)60 ℃，電阻片出現(xiàn)劣化趨勢(shì)。

表1 1/200 μs與0.25/100 μs雷電波形下中性點(diǎn)避雷器電流、吸收能量和溫升

表2 5%峰值持續(xù)時(shí)間230 μs的半正弦雷電波形和 2.6/50 μs標(biāo)準(zhǔn)雷電波形下中性點(diǎn)避雷器吸收能量

3.3 中性點(diǎn)避雷器流過的電流

雷擊過程同時(shí)引起中性點(diǎn)電抗器過流保護(hù)動(dòng)作，線路相間短路引起中性點(diǎn)電流突變并超過定值(37.8 A，有效值)，且電流維持在返回值(定值的95%)以上超過6 s并引起保護(hù)出口。

中性點(diǎn)電流為中性點(diǎn)接地電抗器和中性點(diǎn)避雷器電流之和，正常運(yùn)行時(shí)避雷器電流幾近0，實(shí)際為流過中性點(diǎn)電抗器的電流。

從仿真計(jì)算結(jié)果看，在持續(xù)0.6 s的連續(xù)雷擊過程中，中性點(diǎn)接地電抗器流過的電流較大，有效值超過中性點(diǎn)電抗器過流保護(hù)啟動(dòng)值(37.8 A)，最大幅值達(dá)159 A，中性點(diǎn)避雷器動(dòng)作且最大電流達(dá)到6.1 A；雷擊過程后，隨著系統(tǒng)電磁能量的消耗，上述電流逐漸下降。

連續(xù)雷擊過程之后，中性點(diǎn)電抗器流過的電流為21 A(有效值)，中性點(diǎn)避雷器流過的電流僅為1 μA，中性點(diǎn)電流為21 A，低于中性點(diǎn)電抗器過流保護(hù)返回值(35.9 A)，中性點(diǎn)電抗器過流保護(hù)不可能動(dòng)作。

以上與實(shí)際情況的矛盾可見，中性點(diǎn)避雷器狀態(tài)完好的假設(shè)不成立。實(shí)際上，在吸收連續(xù)雷擊能量后，電阻片出現(xiàn)劣化態(tài)勢(shì)，伏安特性降低，即便在較低的中性點(diǎn)振蕩電壓下，劣化的中性點(diǎn)避雷器續(xù)流達(dá)到數(shù)十安的較高水平，以彌補(bǔ)中性點(diǎn)接地電抗器電流下降的部分，維持中性點(diǎn)電流高于中性點(diǎn)電抗器過流保護(hù)返回值。

4 中性點(diǎn)避雷器故障原因

中性點(diǎn)避雷器故障經(jīng)歷了兩個(gè)過程：1)連續(xù)雷電侵入波下的能量吸收；2)儲(chǔ)能元件之間電磁能量轉(zhuǎn)換所激發(fā)的電壓振蕩。避雷器故障的起因是雷電繞擊侵入波，而故障的原因，一方面是電阻片對(duì)連續(xù)雷擊能量吸收能力不足，另一方面則是電阻片劣化后的避雷器承受長時(shí)間較高的振蕩電壓，避雷器的負(fù)擔(dān)加重，續(xù)流持續(xù)增大，最終導(dǎo)致避雷器熱崩潰。

以上分析基于事前中性點(diǎn)避雷器狀態(tài)正常的假設(shè)，如果避雷器因密封不良受潮或者遭受連續(xù)雷擊存在電阻片劣化的累積效應(yīng)，情況更為嚴(yán)重。

事實(shí)上，故障前24天內(nèi)，中性點(diǎn)避雷器動(dòng)作5次，由于正常運(yùn)行時(shí)中性點(diǎn)電位無偏移，避雷器基本上不承受電壓，且這期間線路沒有發(fā)生故障，可以肯定中性點(diǎn)避雷器至少經(jīng)受過5次雷電繞擊侵入波的沖擊，且連續(xù)雷擊的可能性很大，給內(nèi)部電阻片的劣化帶來累積效應(yīng)。

相比之下，同樣承受連續(xù)雷擊侵入波的500 kV線路側(cè)避雷器，仿真計(jì)算的累計(jì)能量吸收最高達(dá)到1.126 MJ，達(dá)到其通流容量(3.276 MJ)大約35%的水平，但核算的溫升較低(僅18.4 ℃)；更重要的，由于故障線路被切除，后續(xù)電磁振蕩過程中線路側(cè)避雷器承受電壓較運(yùn)行電壓低得多(最高峰值只有312 kV)，避雷器荷電較輕，對(duì)避雷器的安全運(yùn)行沒有影響，事后電氣試驗(yàn)結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。

繞擊雷電流幅值一般較低(小于30 kA)，避雷器的能量吸收負(fù)擔(dān)應(yīng)處于設(shè)計(jì)能承受的范圍內(nèi)，然而，對(duì)于連續(xù)雷擊的工況，避雷器電阻片在很短的時(shí)間間隔內(nèi)來不及散熱，可視為一個(gè)絕熱系統(tǒng)，電阻片連續(xù)吸收后續(xù)雷電回?fù)舻哪芰亢螅掷m(xù)發(fā)熱而加速劣化，如果在此基礎(chǔ)上承受持續(xù)的電壓，避雷器發(fā)展到熱崩潰的風(fēng)險(xiǎn)很高。

從本次損壞高抗中性點(diǎn)避雷器的外觀判斷，避雷器應(yīng)該是承受數(shù)百毫秒到數(shù)秒時(shí)間的連續(xù)雷擊侵入波導(dǎo)致電阻片劣化的基礎(chǔ)上，隨著系統(tǒng)的電磁能量持續(xù)通過避雷器泄放，避雷器的劣化將導(dǎo)致續(xù)流持續(xù)較大，由于線路和高抗中性點(diǎn)一直存在振蕩電壓，即便只余下同塔架設(shè)的臨近線路的感應(yīng)耦合，也足以維持熱崩潰后的中性點(diǎn)避雷器流過較大的續(xù)流，這就是線路跳閘后較長時(shí)間，變電站現(xiàn)場巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)中性點(diǎn)避雷器仍在冒煙的合理解釋。

5 結(jié) 論

1)線路側(cè)避雷器(含高抗中性點(diǎn)避雷器)是連續(xù)雷擊侵入波防護(hù)的薄弱環(huán)節(jié)，與單次雷擊過程不同，由于連續(xù)雷擊間隔時(shí)間很短，無間隙避雷器吸收連續(xù)雷擊侵入波的能量而發(fā)熱后，來不及散熱，易造成電阻片劣化。

2)在電阻片劣化基礎(chǔ)上，如果避雷器承受正常系統(tǒng)電壓或者承受持續(xù)振蕩電壓，續(xù)流較大，溫度持續(xù)升高，發(fā)展為熱崩潰的風(fēng)險(xiǎn)很高。

3)連續(xù)雷擊對(duì)線路側(cè)避雷器能量吸收能力的要求較為苛刻，在連續(xù)雷擊風(fēng)險(xiǎn)較高的地區(qū)，應(yīng)提高避雷器對(duì)連續(xù)雷擊的能量吸收能力。

4)建議研究基于連續(xù)雷擊的避雷器能量吸收校核方法，完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和避雷器技術(shù)條件；此外，開展降低連續(xù)雷擊侵入波帶來的避雷器和開關(guān)斷口運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的變電站絕緣配合優(yōu)化策略研究。

5)對(duì)于變電站近區(qū)落雷密度和線路繞擊概率較高的情形，避雷器劣化和熱崩潰的風(fēng)險(xiǎn)較高，應(yīng)加強(qiáng)線路側(cè)避雷器的運(yùn)行維護(hù)，同時(shí)探討通過常規(guī)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)避雷器劣化早期缺陷的可行性。