500 kV 線路瓷絕緣子雷擊斷串故障分析

李 岳，周路遙，李 特，邵先軍，初金良，高 磊

（1.國網甘肅省電力有限公司經濟技術研究院，蘭州 730000；2.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；3.國網浙江省電力有限公司麗水供電公司，浙江 麗水 323000）

0 引言

瓷質絕緣子因其具有良好的耐熱和抗老化性能，成為使用最早和最廣泛的絕緣子[1]。隨著運行時間的增加，受機電聯合作用，絕緣子的絕緣性能和機械性能會下降，產生低零值等劣化現象[2-3]。當劣化絕緣子串遭受工頻閃絡或雷擊時，強電流通過絕緣子內部，使溫度急劇升高，在瓷件和鐵帽結合處產生較大的內應力和熱應力，導致鐵帽炸裂或脫開，從而引發斷串故障[4-6]。本文針對一起500 kV 線路瓷絕緣子雷擊斷串故障，結合雷電監測定位系統、線路分布式故障診斷系統及絕緣子試驗情況對線路耐雷水平及絕緣子破壞型式進行了分析，可為線路運行維護提供一定的借鑒。

1 線路故障基本情況

2019-04-23 T 18：44：16，某500 kV 線 路C相跳閘，重合失敗。故障現場發現，該線路89 號塔C 相絕緣子單串斷裂，鋼帽掉落，絕緣子串斷裂處的高壓側、低壓側及表面存在放電痕跡，如圖1 所示。

圖1 故障現場情況

此線路通道主要位于山區，沿線地形為：平地占10%，山地占60%，高山占30%。該區域氣候類型為亞熱帶季風氣候，雨量充沛，溫暖濕潤，多年年均氣溫18.5 ℃，年降水量1 407 mm以上。故障時段該線路區段為雷雨天氣，氣溫在19～31 ℃間，西南風5 級，相對濕度為92%，降水量為20 mm，氣壓為1 004 hPa。

故障點位于89 號塔，該塔為單回路直線塔，塔頭布置型式為“IVI”，采用盤型懸式瓷質絕緣子，為160 kN 單聯Ⅰ型懸垂串，故障區段詳細參數見表1。

表1 故障區段詳細參數

2 線路故障監測情況

2.1 雷電監測情況

雷電監測定位系統顯示線路跳閘時刻前后1 min 內線路通道兩側1 km 范圍內共有4 處落雷，見表2。其中，18：44：15.089 時刻的落雷電流大小為-20.3 kA，與線路跳閘時刻及區段吻合。

2.2 線路分布式故障診斷情況

線路分布式故障診斷系統能夠記錄故障發生時的工頻電流、行波電流波形[7]：故障時刻線路C 相跳閘，重合不成功，故障前后的工頻電流波形如圖2（a）所示；故障時刻高頻電流行波主波頭電流上升比較陡，波尾持續時間小于20 μs，且電流幅值較大，主波前無反極性脈沖，符合雷電繞擊故障特征，如圖2（b）所示。

表2 雷電監測情況

圖2 故障時刻線路分布式故障診斷情況

3 線路耐雷水平分析

結合雷電定位系統、分布式故障診斷系統及故障現場巡視情況，可初步判斷本次故障跳閘由雷擊引起。因此，基于ATP-EMTP 仿真平臺建立了故障桿塔多波阻抗模型及雷擊仿真模型[8]。耐雷水平分析表明：C 相繞擊耐雷水平隨雷擊時刻的線路工頻電壓相角而變化，仿真計算平均繞擊耐雷水平約為13.9 kA，如表3 所示。

表3 繞擊耐雷水平仿真結果

當雷電流大小為-20.3 kA，且雷擊時的電壓相角為0°時，線路各相絕緣子串兩端電壓波形如圖3 所示，可見此時C 相承受了較強的的雷擊過電壓。

圖3 雷擊過電壓波形

線路桿塔繞擊計算可采用電氣幾何模型法[9]：分別以避雷線和導線為圓心，以擊距為半徑作兩個圓弧，這兩個圓弧交于F 點；再在離地面高度為βrs 處作一水平線與以D 為圓心的弧交于G點。由圓弧C1，C2和直線C3在沿線路方向形成一個曲面，此曲面叫作定位曲面。在雷電流為I 的先導未到定位曲面之前，其發展不受地面物體的影響。若I 的先導落在C1弧面上，則雷擊避雷線；若落在C2弧面上，則雷繞擊于導線上；若落在C3面上，則雷擊大地。因此C2稱為繞擊暴露面。計算得到該基塔C 相的最大繞擊雷電流幅值約為79.93 kA。由于故障塔位于山區，存在一定的地面傾角，且故障相位于邊相，遭受雷電繞擊的概率較大。

圖4 電氣幾何模型

根據上述分析計算，可確定本次故障跳閘發生時線路C 相遭受了雷電流大小為-20.3 kA 的繞擊。此時避雷線的屏蔽保護失效，雷電繞過避雷線直擊于導線，雷電流經雷擊點注入導線，并沿導線兩側傳播。

4 絕緣子斷串原因分析

4.1 絕緣子試驗情況

對比現場絕緣子破壞型式，低零值絕緣子引發斷串的可能性較大，在實驗室對絕緣子進行絕緣電阻測試、工頻耐壓試驗、溫度循環與孔隙性測試，以及機械破壞負荷測試[10]。

（1）絕緣電阻測試

對于500 kV 及以上線路，盤型懸式絕緣子絕緣電阻低于500 MΩ 的被認為是發生劣化的低零值絕緣子[11]。對C 相絕緣子（故障相）、A 相絕緣子（非故障相）采用5 000 V 進行絕緣電阻測量，試驗結果顯示：C 相絕緣子存在4 片低零值絕緣子，分別為33.0 MΩ，23.2 MΩ，41.1 MΩ，8.56 MΩ；A 相絕緣子無低零值絕緣子存在，但存在一片700 MΩ 的絕緣子。

（2）工頻耐壓測試

對A 相單片絕緣子施加60 kV 工頻電壓并耐受1 min，結果顯示A 相所有絕緣子均成功耐受[12]。對C 相低零值絕緣子進行工頻耐壓試驗，該試品絕緣電阻值為23.2 MΩ，當加壓至23.4 kV 時流過試品的電流值已達57.1 A，判斷其內部絕緣已出現明顯劣化。

（3）溫度循環、孔隙性測試

選取7 片A 相絕緣子進行溫度循環、孔隙性試驗，結果均符合相關標準要求[13]。

（4）機械破壞負荷測試

選取3 片A 相絕緣子進行機械破壞負荷測試，A 相為與斷串相同批次的160 kN 絕緣子，對3 片試品施加至100%額定機械負荷后均未發生破壞。

4.2 絕緣子破壞型式

故障盤型懸式瓷絕緣子的鋼帽與瓷件完全分離，同時鋼帽內部有明顯氧化發黑痕跡，判斷絕緣子盤內部炸裂并脫開。對于低零值絕緣子，由于絕緣子頭部瓷件存在細微裂紋等缺陷，隨著運行中潮氣的侵入，絕緣子頭部瓷件絕緣電阻降低，一旦絕緣子串遭受雷擊或其他原因造成的閃絡，由于瓷件頭部電阻較小、沿傘盤放電距離較長電阻較大，導致大部分工頻續流能量從絕緣子頭部瓷件內放電通道泄放，使其溫度急劇升高，在瓷件和鐵帽結合處產生較大的內應力和熱應力，導致鐵帽炸裂或脫開，從而引發斷串故障，如圖5 所示。

圖5 頭部缺陷瓷絕緣子擊穿路徑

5 結語

本文對一起500 kV 線路瓷絕緣子雷擊斷串故障進行分析，結合雷電定位系統、線路分布式故障定位系統及絕緣子試驗情況，可確定此次故障跳閘原因為故障前絕緣子串中已存在多片低零值絕緣子，當雷電繞擊C 相造成絕緣子串閃絡后，大部分工頻續流能量從低零值絕緣子頭部瓷件內放電通道泄放，產生的熱量導致絕緣子炸裂脫開并引發斷串。

針對輸電線路雷電繞擊故障，減小地線保護角是最為有效的防護方法；對于線路中可能存在的瓷絕緣子零值問題，建議開展線路絕緣子測零工作，排查低零值絕緣子；對于風險等級評估較高的多雷區瓷絕緣子單串配置塔位，可優先采用線路避雷器等疏導性防雷手段。