多重雷擊引起500 kV線路避雷器損毀故障分析

馮志強(qiáng)，李籽劍，姚 堯，汪顯康，付劍津，任 想，張耀東，黃俊杰

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077）

0 引言

500 kV架空線路是我國超高壓線路的主要組成部分，其運(yùn)行安全直接影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定［1-3］。500 kV輸電線路具有運(yùn)行電壓高，桿塔尺寸大的顯著特點(diǎn)，且輸電通道中存在山谷、高山等容易遭受雷擊的地形。因此，雷害導(dǎo)致500 kV 輸電線路故障頻繁發(fā)生，某省雷擊造成輸電線路跳閘占比可達(dá)30%以上［2，4］。

根據(jù)國際大電網(wǎng)會(huì)議統(tǒng)計(jì)［5］，自然界中約75%的地閃中存在多重雷擊過程。多重雷擊是指在雷電主放電結(jié)束后的很短時(shí)間內(nèi)，沿著相同的放電通道再次發(fā)生回?fù)舻倪^程。文獻(xiàn)［6］對南方電網(wǎng)范圍內(nèi)75條輸電線路沿線地閃進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)28.3%的地閃極有可能為多重雷擊，大部分回?fù)舸螖?shù)為2次～6次，雷電流幅值多為5 kA～50 kA。文獻(xiàn)［7］對±800 kV 賓金線浙江段線路走廊的多重雷擊特征進(jìn)行了分析，指出平均后續(xù)回?fù)舸螖?shù)為2.6次，含8次及以上后續(xù)回?fù)舻亩嘀乩渍急冉?%。文獻(xiàn)［8］利用ADTD 雷電定位系統(tǒng)，對某省2007 年～2018 年的多重雷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)負(fù)地閃的99%以上為7 次以下回?fù)簦? 次以上回?fù)粽急炔蛔?%；后續(xù)回?fù)糁须娏鞣敌∮?0 kA 的累積概率為69.92%。短時(shí)間內(nèi)沿同一放電路徑發(fā)生的多次回?fù)暨^程對輸電線路本體以及斷路器、避雷器等設(shè)備的安全運(yùn)行構(gòu)成巨大威脅，多重雷擊導(dǎo)致輸電線路斷線、斷路器斷口擊穿、重合閘失敗，避雷器損壞等故障的報(bào)道屢見不鮮［9-14］。

2022 年7 月，某地區(qū)500 kV 線路發(fā)生單相接地故障，線路避雷器損毀。為查明故障原因，對雷電定位數(shù)據(jù)與故障錄波進(jìn)行了詳細(xì)的對比分析，指出線路跳閘由包含一次主放電與7次后續(xù)回?fù)暨^程多重雷繞擊線路引起。本文對注入線路避雷器的能量進(jìn)行估算，分析了避雷器損毀的原因。

1 事故基本情況

2022 年7 月26 日05：09：41.805，某地區(qū)500 kV 線路B相發(fā)生單相接地故障，重合閘成功，故障區(qū)段主要地形為山地，平均海拔高度為451.2 m，屬于C1級(jí)雷害區(qū)；故障桿塔位于山頂，左右為斜坡，屬于典型易受雷擊地形，桿塔塔型為酒杯塔，桿塔接地形式為T5，三相導(dǎo)線水平排列，B 相與A 相裝設(shè)有帶串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器，地線保護(hù)角為11°，塔頂裝設(shè)有可控避雷針，故障前桿塔全景如圖1所示。

圖1 故障桿塔全景圖Fig.1 Overall view of the fault tower

故障發(fā)生后，運(yùn)維人員排查發(fā)現(xiàn)桿塔B 相（左相）氧化鋅避雷器3 節(jié)主體脫落，配套絕緣子斷裂后懸掛在導(dǎo)線上，絕緣子均壓環(huán)扭曲變形，組織人員進(jìn)行登桿檢查，現(xiàn)場情況如圖2所示。現(xiàn)場照片顯示：在桿塔左側(cè)K 節(jié)塔身與塔材表面均發(fā)現(xiàn)電弧燒蝕痕跡；避雷器主件端頭有爆開痕跡；脫落的均壓環(huán)上發(fā)現(xiàn)電弧燒蝕形成的孔洞；避雷器計(jì)數(shù)器外殼破損，計(jì)數(shù)顯示為8次，現(xiàn)場開展接地電阻檢測，測得桿塔接地電阻為6.5 Ω，小于設(shè)計(jì)接地電阻30 Ω，滿足設(shè)計(jì)要求。通過對輸電通道外部環(huán)境進(jìn)行排查，可以基本排除山火、鳥害、風(fēng)偏、外破等故障原因。

圖2 故障后現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.2 Photos of the site after failure

2 事故原因分析

2.1 雷電定位系統(tǒng)查詢

根據(jù)氣象部門發(fā)布數(shù)據(jù)，故障時(shí)段內(nèi)該區(qū)域?yàn)榇箫L(fēng)雷雨天氣，氣溫27 ℃～29 ℃，相對濕度99% RH，風(fēng)力5級(jí)。查詢雷電定位系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，在故障前后1 min內(nèi)，故障線路附近共探測到16次落雷，其中位于故障桿塔附近的有7次，極性均為負(fù)極性，包含1次主放電與6次后續(xù)回?fù)簦渲泻罄m(xù)第6次回?fù)魰r(shí)刻與線路故障時(shí)刻完全吻合。后續(xù)回?fù)魰r(shí)間間隔為66 ms～327 ms，雷電流幅值為-9.2 kA～-36.1 kA，落雷詳細(xì)信息如表1所示。

表1 線路附近落雷情況Table 1 Lightning strike near the line

2.2 故障錄波分析

故障相B相電流的錄波如圖3所示，t=0時(shí)刻為接地故障發(fā)生時(shí)刻。故障發(fā)生前B相電流基波有效值為0.26 kA，故障發(fā)生后的短路電流基波有效值為9.96 kA。從錄波圖中可以看出，在故障發(fā)生前的1 100 ms 內(nèi)，B 相電流波形中存在數(shù)個(gè)電流脈沖尖峰。典型的電流脈沖波形如圖3（b）所示，脈沖上升時(shí)間為數(shù)百μs，下降沿持續(xù)數(shù)ms，峰值為數(shù)kA。脈沖電流出現(xiàn)時(shí)刻與雷電定位系統(tǒng)記錄的回?fù)魰r(shí)刻完全相符，每個(gè)電流脈沖對應(yīng)的雷擊過程標(biāo)注在圖3（a）中。在后續(xù)第5和第6次回?fù)糁g，還存在一個(gè)幅值較低的脈沖尖峰，如圖3（a）中虛線框所示。該脈沖尖峰應(yīng)該對應(yīng)1 次雷電回?fù)暨^程，可能由于幅值較低所以并沒有被雷電定位系統(tǒng)探測和記錄。綜合上述分析可以得出結(jié)論，B相短路接地故障是多重雷擊造成，該多重雷擊包括一次主放電和7次后續(xù)回?fù)簦ɡ纂姸ㄎ幌到y(tǒng)僅記錄6次），總共8次雷擊過程與避雷器計(jì)數(shù)器示數(shù)相符。

圖3 B 相電流錄波Fig.3 B-phase oscillogram

在明確故障原因?yàn)槎嘀乩讚舻幕A(chǔ)上，通過計(jì)算桿塔耐雷水平，可以進(jìn)一步確定故障類型為繞擊還是反擊。根據(jù)規(guī)程法［15-16］，忽略線路運(yùn)行電壓的影響，計(jì)算得到桿塔反擊耐雷水平為187.1 kA，繞擊耐雷水平為15.3 kA。根據(jù)電氣幾何模型EGM 及擊距理論［17］，計(jì)算得到繞擊臨界電流為56.9 kA。故障時(shí)刻雷電流幅值為18.8 kA，大于桿塔繞擊耐雷水平為15.3 kA，小于繞擊臨界電流為56.9 kA，滿足繞擊條件。結(jié)合現(xiàn)場巡視情況、雷電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)、故障錄波分析與耐雷水平計(jì)算，可以斷定本次故障為一次多重雷繞擊B 相導(dǎo)線引起的單相接地故障。

2.4 避雷器損毀原因分析

孝獅線上安裝避雷器為帶串聯(lián)間隙避雷器，正常工況下線路電壓主要由串聯(lián)間隙承受，避雷器本體基本不承受電壓，因此泄漏電流可以忽略。事故對非故障相（A相）的YH20CX-396/1050型金屬氧化物避雷器取樣，并對每一節(jié)進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如表2所示。其中，直流參考電壓、泄漏電流、局放量等重要指標(biāo)均符合《GB 11032-2010 交流無間隙金屬氧化物避雷器》標(biāo)準(zhǔn)要求，排除了正常工作電壓下避雷器本體泄漏電流過大從而導(dǎo)致熱崩潰的可能性。故障錄波表明，線路避雷器承受6次雷電流，在第7次雷電流沖擊下本體發(fā)生破損，導(dǎo)致線路對塔身放電并引起單相接地故障，因此判斷雷電流是導(dǎo)致避雷器破損解體的主要原因。

表2 非故障相避雷器檢測結(jié)果Table 2 Test results of non-fault phase arresters

脈沖電流沖擊下避雷器吸收的能量可以由式（1）進(jìn)行估算。

式（1）中，ur（t）為避雷器殘壓，i（t）為注入避雷器的瞬時(shí)電流。對于本次故障中的500 kV線路避雷器，主放電和后續(xù)6次回?fù)暨^程中線路避雷器吸收的能量如圖4所示，由于雷電定位系統(tǒng)僅定位了6次后續(xù)回?fù)簦▽?shí)際應(yīng)有7次），因此按照6次回?fù)暨M(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果偏寬松。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GB 11032-2010 交流無間隙金屬氧化物避雷器》，500 kV 線路避雷器需通過長持續(xù)時(shí)間電流沖擊（方波電流沖擊）試驗(yàn)。試驗(yàn)中對避雷器本體施加18次1.2 kA峰值2 ms的方波電流沖擊，3次為1組，每次時(shí)間間隔為50 s～60 s，相鄰組之間需待避雷器冷卻至室溫。可以將連續(xù)3次方波電流沖擊的吸收能量7 560 kJ作為避雷器額定耐受能量［6］。由于3次方波電流脈沖之間存在50 s～60 s的冷卻時(shí)間，因此7 560 kJ的校核標(biāo)準(zhǔn)偏寬松。

圖4 避雷器吸收能量Fig.4 Absorbed energy of the arrester

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，B 相氧化鋅避雷器故障前共計(jì)吸收能約11 000 kJ，大幅超出一般500 kV線路避雷器方波耐受能量7 560 kJ，避雷器吸收能量嚴(yán)重過載。在1 s 的時(shí)間內(nèi)，大量能量注入避雷器，氧化鋅閥片溫度急速上升［18-19］。一方面，由于溫升帶來的熱效應(yīng)加劇，氧化鋅閥片電性能參數(shù)和耐受沖擊能力發(fā)生改變，導(dǎo)致避雷器的電氣性能降低［20］；另一方面由于電流集中分布產(chǎn)生的焦耳熱不能及時(shí)傳遞，氧化鋅閥片溫度梯度較高，閥片在較大熱應(yīng)力可能發(fā)生破損［21］。最終，在后續(xù)第6 次回?fù)舻臎_擊下，整支避雷器崩潰進(jìn)而發(fā)生嚴(yán)重?fù)p毀，失去了吸收雷電流和抑制雷電過電壓的能力，導(dǎo)致B 相導(dǎo)線通過損毀的避雷器主體對塔身放電，引發(fā)單相接地故障。

3 結(jié)語

針對2022 年7 月某地區(qū)500 kV 線路發(fā)生的避雷器損毀故障，結(jié)合雷電定位數(shù)據(jù)對故障錄波進(jìn)行了詳細(xì)分析，指出本次故障是多重雷繞擊B 相導(dǎo)線引起。該次多重雷擊包括1次主放電與7次后續(xù)回?fù)暨^程，回?fù)綦娏骺蛇_(dá)36.1 kA，與主放電相當(dāng)。對注入線路避雷器的能量進(jìn)行估算，發(fā)現(xiàn)多重雷擊注入避雷器的能量可達(dá)避雷器耐受值的2 倍，明確了熱擊穿是造成避雷器損毀的主要原因。

相較于單次雷擊，多重雷擊對線路避雷器能量吸收能力的要求更為嚴(yán)苛。在多重雷擊風(fēng)險(xiǎn)較高地區(qū)，應(yīng)考慮在避雷器選型過程中適當(dāng)提高避雷器的通流能力。此外，雖然線路避雷器通過了額定短路電流型式試驗(yàn)，但在本次故障中線路避雷器脫離安裝位置和范圍，發(fā)生破壞性爆炸，表明試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求不嚴(yán)謹(jǐn)，試驗(yàn)方法不完全等效，建議開展相關(guān)研究，進(jìn)一步完善針對多重雷擊的避雷器能量吸收能力的校核方法。