针对多雷地区易导致变电站断路器击穿分析及防范措施

针对多雷地区易导致变电站断路器击穿分析及防范措施

黄智  杨建忠  黑文斌  王森  武战国  戴吉袁  路海阳  杨文良

钟鸣  刘海龙  张楠  李兴伟  张文龙  张永旺  王丛鑫 

（1.内蒙古电力（集团）有限责任公司，呼和浩特，015099；

2. 锡林郭勒超高压供电分公司，锡林浩特市，026000）

摘要：本文介绍了500kV同塔双回降压运行线路（实际运行电压为220kV）在220kV开闭站近端短时间内某一相相导线遭受多重雷电绕击，致使220kV开闭站线路间隔断路器内部故障引发母线失灵保护动作跳闸。结合雷电定位系统落雷数据、线路故障查巡 、断路器解体实验及继电保护动作时序分析 ，确定220kV开闭站开关雷电侵入波同时受损以及母线跳闸原因。指出断路器断口内绝缘不能短时两次承受雷电侵入波及其反射波的叠加作用，否则将造成断路器断口绝缘击穿。

关键词：雷电绕击、绝缘击穿、绝缘配合、输电线路

一、引言

由于500kV同塔双回线路杆塔较高，在多雷地区易发生引雷现象，降压运行过程中在变电站入口处无避雷器。当500kV降压运行线路相遭受连续多次雷击易造成变电站开关断口绝缘击穿损坏故障，开关断口绝缘击穿后易导致220kV2号母线跳闸。笔者分析故障经过、发生原因和处理情况。

二、故障经过

宝拉格220kV开闭站：2023年7月27日22时38分36秒461ms（定义为基准时间0ms），220kV塔宝I线261 A相跳闸；间隔175ms，220kV塔宝I线261三相跳闸；间隔491ms，分段213、母联234开关三相跳闸；间隔691ms，220kV宝华II线259、宝雅I线263三相跳闸。2023年7月27日22时38分，塔拉500kV变电站塔宝I线261开关A相跳闸，重合闸动作，重合不成功，三相跳闸。

三、故障处理

（一）外观检查情况

变电站方面：宝拉格站220kV 3号母线及相关间隔一二次设备外观检查无异常，220kV 3号母线避雷器计数器（动作值为50A）未动作。

输电线路方面：220kV塔宝I线395号塔中相和416号塔中相玻璃绝缘子、导线挂点、线夹及横担均有明显放电痕迹。

（二）现场处置情况

7月28日 5时31分，塔宝I线及宝拉格站261断路器转检修。6时40分，对塔宝I线宝拉格站261断路器本体进行绝缘试验、气体组分测试以及断路器机械特性等测试。塔宝I线220kV宝拉格站261断路器A相气室二氧化硫含量1005μL/L，回路电阻88.2μΩ。

220kV塔宝I线395号、416号杆塔塔腿接地电阻测试结果，按季节系数修正后，395号杆塔:A腿6.07Ω、B腿5.25Ω、C腿6.2Ω、D腿5.3Ω；416号杆塔:A腿4.39Ω、B腿6.28Ω、C腿5.66Ω、D腿6.71Ω；均符合设计要求和防雷要求（不大于20Ω）。

7月28日17时15分，220kV3号母线及2个无故障间隔恢复运行，220kV塔宝I线261检修状态。

四、雷电定位及故障查找

220kV塔宝I线投运于2016年12月25日，线路长度180.588公里，杆塔数417基，导线为2*LGJ/GIA-400-48/7、4*LGK/GIA-400-48/7型，地线为GLB40/120、GJ-100型。故障区段地形为丘陵，杆塔的接地电阻设计值均为20Ω，雷害等级为1级（少雷区）。2023年7月27日22时至27日23时期间，此地区雷电频发，出现了多年不遇的极端天气，①故障时刻27日22时38分36秒461ms时，392号塔段落雷一次 ，雷电流幅值一61．8kA，与线路第一次故障保护测距10.802km吻合，该次落雷造成塔宝I线第1次跳闸、重合成功；②故障时刻27日22时38分36秒636ms时，416号塔段落雷两次 ，雷电流幅值-51.8，与线路第2次故障保护测距0.64km吻合，第 1次雷击造成塔宝I线两侧跳闸，接着第 2次雷击造成220kV塔宝I线宝拉格220kV开闭站开关击穿。

五、保护动作和录波分析

宝拉格220kV开闭站220kV塔宝I线保护第一次动作情况：22时38分36秒461ms（作为基准值0ms），塔宝I线两套保护启动，两套保护15ms距离一段与差动保护动作，261断路器A相跳闸，故障电流一次值为7781.25A，故录测距10.802km。

宝拉格220kV开闭站220kV塔宝I线保护第二次动作情况：保护启动后175ms，220kV塔宝I线再次出现故障，故障电流一次值为10160A，故障相别A相（断路器已处于分位），两套线路差动保护动作261断路器三相跳闸，故录测距0.64km。因261断路器A相电流持续存在，母线失灵保护动作，491ms跳开母联234、分段213，691ms跳220kV宝华II线、220kV宝雅I线并发远方跳闸命令。第二次A相持续电流时间为500ms。

六、线路开关故障原因

（一）理论原因分析

根据流注理论对高压断路器灭弧室内 SF 6 气体击穿过程进行研究分析。流注理论认为电子在外加电场的作用下，随着碰撞电离所引起的初始电子崩不断发展，电子崩头部将不断积聚空间电荷，当空间电荷积聚到一定程度后将会向四周发射光子而引起光电离，空间电荷的增加将引起周围电场的畸变，电子在强电场的作用下将引发二次电子崩和新一轮的电离，从而电子不断运动发展最终形成自持放电。

又因为气体临界击穿判据为：

                                                        （6-1）

α：电离系数

：吸附系数

将α 和 η 做差：

                                                                （6-2）

γ ：有效电离系数

γ与E/N（电场强度和粒子密度之比）近似为线性关系，将γ=0时所对应的 E/N 值，称为临界击穿场强 (E/N)*，故可将式（6-1）击穿判据修正为：

                                 E/N>K(E/N)*                             （6-3）

介质击穿现象首先在介质最薄弱的一点出现，即(E /ρ)值最大一点，其中E为电场强度，ρ为气体密度，进而将式（6-3）击穿判据修正为： 

                               E/ρ>K(E/ρ)*                            （6-4）

其中，气体密度 ρ 为：

                                                               （6-5）

:气体分子量

:阿伏伽德罗常数

故可将击穿判据进一步简化为：即当触头间电场强度大于临界击穿场强时，触头间气隙将被击穿。

（二）设备解体试验分析

解体发现灭弧室内屏蔽罩、活塞以及主触指有严重的烧蚀痕迹，其他部件紧固、无松脱，套管内部及绝缘拉杆等部件均未发现明显放电痕迹，试验结果显示：合闸扭矩169.9N.m,分闸扭矩148.5N.m,大于标准要求值120N.m。 现场测量灭弧室拉杆到法兰端面尺寸L1=99.4mm,支柱绝缘子拉杆到法兰端面尺寸L2=22.8mm, 开距L1+L2=122.2mm，满足设计标准121mm≤L1+L2≤127mm的要求。对灭弧室活塞的插拔力进行测试，结果如表1，在触头刚合点之后部分插拔力偏大，拆解分析确定为主触指被烧损后导致的摩擦阻力变大。

表1： 灭弧室活塞插拔力测量表

七、结语

近年来极易发生极端天气 ，多次发生电网设备损坏现象，缺乏先进的雷电防范手段，500kV降压（220kV）运行同塔双回杆塔较普通200kV杆塔高约20米，极易发生引雷现象，建议后期按照规程规范、反事故措施要求和差异化防雷指导原则，对不满足要求的架空输电线路采取有效的防雷措施。