多重雷擊線路導致開關設備故障分析

李 峰，湯 磊，夏曉賓，劉惠群

（青島供電公司，山東 青島 266000）

0 引言

目前，雷擊仍是電力系統輸電線路安全可靠運行的主要危害，雷電波入侵電力系統可造成開關設備擊穿甚至爆炸事故的發生［1］。2010年8月22日下午，青島地區某220 kV線路遭受連續雷擊，造成該220 kV變電站（受電側）開關B相開關內部多次擊穿故障，保護多次動作，而對側500 kV變電站開關未受損。

1 故障經過

線路全長18.36km，故障時受電側變電站220 kV I母、II母并列運行，15：57， 該 220 kV 線路 B相故障，保護正常跳閘，斷路器成功開斷電流，故障電流消失后一段時間電弧重啟，故障電流峰值較大，故障電流峰值約為22.4 kA，較短時間內（約20 ms）故障電流消失，開關三相跳閘，一段時間后B相電弧再次重啟，較短時間內（約20 ms）故障電流消失，可以斷定此次故障為多重雷擊故障，開關開斷后線路又遭受兩次雷擊。故障線路開關三相本體外觀無異常，無電弧放電痕跡。開關為西門子3AP1-FI型SF6開關，額定電壓252 kV，額定電流4 000 A，額定短路開斷電流50 kA，額定工頻耐受電壓460kV，額定雷電沖擊耐受電壓1050kV，2003年投產。

2 故障處理

此次雷擊事故造成該220 kV線路B相開關斷口擊穿故障過程基本明確，決定實施對B相開關進行更換并做工廠解體檢查。

事故后委托西門子（杭州）高壓開關有限公司對受損的B相開關極柱進行工廠解體檢查。開關極柱外觀檢查均無異常；測量開關100A接觸電阻值為33μΩ，符合開關廠家標準（標準值30±4μΩ）；開關極柱解體可見絕緣操作桿和滅弧室內部機械及其連接等相關的傳動部件情況正常；絕緣子部分外觀無明顯損傷，內壁干凈，絕緣拉桿無損傷變形，絕緣子部分無異常狀況。

圖1 故障線路B相開關滅弧室解體情況

對滅弧室滅弧單元（滅弧噴嘴、動靜弧觸頭及其組件）做解體處理，如圖1所示。滅弧單元絕緣瓷套盆口處有散落的分解物，滅弧室靜觸頭因電弧烘烤而出現發黑痕跡，無明顯變形或熔損，其下部有掉落的分解物，接觸表帶沒有損傷痕跡，無過電壓痕跡，見圖1（a）；滅弧室基圈內壁有明顯爬弧現象，見圖1（b）；主噴嘴內壁存在明顯的燒灼痕跡，灼燒部位有很多分解物附著，見圖1（c），動導電加熱筒表面鍍銀層基本完好，有金屬光澤；滅弧主噴嘴內壁及副噴嘴內噴口均有明顯的燒灼痕跡，其中副噴嘴內噴口內徑因燒灼導致擴大了約為1.5 mm，見圖1（d），而動觸頭則呈顯均勻的黑色，無明顯變形或熔損。

由以上可知，B相開關極柱內部存在明顯的放電痕跡，動靜觸頭均經灼燒呈現黑色，同時生成大量分解產物，其擴散范圍限于滅弧單元內部，多呈散落態或附著于噴嘴等部件之上，副噴嘴內徑有較明顯的灼燒，其他部件無明顯損傷。

3 錄波及保護動作行為分析

保護裝置錄波圖如圖2所示，當日15：57，該220kV線路發生B相故障，20 ms后保護發B相跳閘指令，B相正常跳閘，保護測距故障點距離為2.1 km。50 ms后B相故障電流消失，保護測距故障點距離為2.1 km，170 ms又一次故障電流涌入，其電流峰值約22.4 kA，保護距離加速動作，開關三相跳閘，190 ms后故障電流消失，470 ms后又一次故障電流涌入，故障電流峰值約23 kA，500 ms后故障電流消失。

圖2 保護裝置錄波圖

當線路B相遭受雷擊時，線路縱聯保護起動發信后動作，由于線路為單相重合閘，保護發單相跳閘命令將故障相B相切除。B相開關完全跳閘后170ms，又一次雷電波涌入，保護發加速跳指令，開關三相跳閘。470 ms時又一次雷電波涌入，保護再次發三相跳閘命令。由以上分析，保護動作行為正確，及時快速地將故障線路切除。

4 故障原因分析

4.1 故障情況和原因分析

故障時段故障線路在未裝設線路避雷器的情況下，遭受連續多重雷擊，首次雷擊造成B相線路接地短路故障后，斷路器成功開斷了B相故障電流，這時B相處于暫時分閘狀態，類似于熱備用的工況，B相滅弧室動、靜觸頭已完全分開。120 ms后B相第二次遭受雷電沖擊，雷電侵入波沿線路B相傳播至變電站，在處于開路的開關斷口處發生行波全反射，由于故障點與開關距離較近，僅為2.1 km，因此開關斷口將承受雷電侵入波與其反射波的疊加沖擊，極端情況下，斷口承受的過電壓幅值將增加到侵入波電壓的兩倍，大大高于開關額定雷電沖擊耐受電壓，由于開關線路側未安裝避雷器，滅弧室兩端將無法承受超過自身承受極限的過電壓，最終造成B相滅弧室斷口間擊穿，電流峰值高達22.4 kA。

由于該開關在線路受電側，不存在工頻電源電壓，故斷口間在短時間（20 ms）燃弧后，故障電流隨著雷電波的消失而衰減為零，電弧自然熄滅，電弧熱效應時間較短，未造成滅弧室瓷套爆炸，但噴嘴的噴口在故障電弧電流的短時間作用下燒損。

4.2 滅弧室斷口內擊穿的原因

一定電壓條件下，SF6氣體中的電子在向陽極運動的過程中會產生電子崩，并轉化成流注導致擊穿，且負極性較正極性更容易導致擊穿，而雷電波大都為負極性的。沖擊電壓時間大于1 μs時，其擊穿點大都在伏—秒特性曲線的下包線（5%）附近［2］，即擊穿電壓相對較小，而從錄波圖上可以看出雷電沖擊事件要大于1 μs，此時 SF6氣體擊穿電壓較小，容易擊穿。在按照斷路器滅弧室的設計時，斷口的內絕緣均應大于外部的絕緣，但當雷電沖擊電壓的上升沿時間較短時，由于滅弧室內外氣體（SF6、空氣）伏—秒特性的差異［3］，如圖 3所示，會發生滅弧室內部的SF6氣體先于外部的空氣擊穿的情況。且由于B相開關剛開斷過較大的短路電流，此時開關內電場并不均勻，而在電場稍不均勻的情況下，SF6氣體耐受雷電波沖擊的水平較低［4］。所以開關內部滅弧室被外部雷擊過電壓擊穿而外部瓷瓶完好。

圖3 SF6氣體與空氣的伏—秒特性比較

5 結語

由于開關線路測未裝設避雷器，開關內部滅弧室不能承受雷電侵入波及其反射波的疊加而擊穿，由于故障開關在受電側，開關滅弧室瓷套完好。在開關處于分斷位、線路再次發生雷擊故障時，開關斷口除承受雷電侵入波及其反射波疊加作用外，還承受母線側工頻電壓作用，極端情況下可能遭遇與侵入波反極性的工頻電壓峰值疊加作用，造成開關滅弧室瓷套爆炸。建議在110 kV、220 kV架空線路開關線路側加裝避雷器，并進行開關斷口的雷電沖擊和工頻耐壓試驗，防止類似設備損壞事故的發生。