變電站500 kV金屬氧化物避雷器故障分析

矯立新，王 朔，孫友群，劉 赫，劉俊博，列劍平，朱大銘

（1.國網吉林省電力有限公司電力科學研究院，長春 130021；2.國網吉林省電力有限公司，長春 130021）

0 引言

目前，金屬氧化物避雷器因其優異的過電壓保護性能和穩定性被廣泛應用于電力系統中，為電網的安全穩定運行提供可靠保障[1-4]。但近些年來避雷器故障、爆炸等事故時有發生，嚴重影響了電力系統的安全穩定運行[5-7]。

本文對一起變電站500 kV金屬氧化物避雷器故障進行研究，結合雷電定位系統的雷電信息、變電站故障錄波信息和避雷器解體檢查綜合分析避雷器故障原因，并有針對性地提出防治措施，以提高避雷器的安全運行水平[8-10]。

1 故障情況

2017年06月20日16時13分，500 kV甲乙線路發生單相接地故障，線路兩側斷路器B相跳閘，重合不良跳三相，500 kV甲變電站5052避雷器B相壓力釋放動作故障。故障錄波器報文顯示，對側500 kV乙變電站測距：距乙變電站側40.54 km，故障電流9.549 kA；甲變電站測距：距甲變電站側91.83 km，故障電流4.51 kA。

根據雷電定位系統查詢，故障時間點前后1分鐘內，故障線路周邊范圍1 km內有3處雷電活動記錄，雷電流最大不超過-15.7 kA，與故障時間最近的落雷雷電流為-15.7 kA，最近桿塔為500 kV甲乙線的236—237號，其中，16時13分06.801秒，主放電落雷-15.7 kA，16時13分07.135秒，后續第一次回擊落雷-13.3 kA。經檢修公司輸電專業人員現場巡查，發現236號桿塔B相絕緣子表面有明顯閃絡痕跡，故障位置與故障測距基本吻合，綜合分析確認雷電繞擊236號桿塔導致B相絕緣子閃絡是500 kV甲乙線跳閘原因。

2 變電站故障錄波分析

分別調取500 kV甲乙變電站故障錄波信息，因甲變電站為雙母線加旁路母線接線方式，其錄波信息包括母線電壓和線路電流，而乙變電站為二分之三接線方式，其錄波信息包括線路電壓和線路電流。

截取乙變電站故障錄波片段見圖1。

圖1 乙變電站故障錄波片段ⅠFig.1 Fault wave record fragmentⅠof Yi substation

從圖1可看出，雷電繞擊甲乙線B相后，甲乙線兩側B相斷路器分閘，在重合閘前的7.165 s，甲乙線上出現一次持續近60 ms的電壓波動，而電流基本沒有變化，與后續第一次回擊落雷時間基本一致。分析認為負極性后續第一次回擊落雷再次繞擊B相，此時甲乙線兩側斷路器處于分閘狀態，雷電波由雷擊點向兩側傳遞并在線路末端反射，出現-870.78 kV的高幅值電壓波，因線路上此時無接地點，雷電能量只能在不斷反射過程中通過線路電阻逐漸消耗，持續時間較長。

仔細觀察圖1中電壓波動部分，電壓存在正負極性交替變換過程，僅有雷電波不斷折射和反射，無法形成該波形。繼續選取乙變電站其它出線相應時刻波形進行分析，見圖2。

圖2中給出了乙變電站500 kV 1號線和2號線的電壓波形，與母線電壓波形相當。由圖2可知，雷電波在甲乙線上折射和反射的過程中，1號線和2號線上出現了零序電壓，認為系統中有操作沖擊影響。其它500 kV出線，均有相似零序電壓出現，而電流沒有波動。

圖2 乙變電站故障錄波片段ⅡFig.2 Fault wave record fragmentⅡof Yi substation

分析認為雷電波在乙變電站側線路末端反射出現-870.78 kV的高幅值電壓波，相應時刻乙變電站母線B相電壓剛好在正峰值432.18 kV附近，斷路器兩側形成1302.96 kV的壓差，在正常運行條件下，斷口間雷電沖擊耐受電壓為1740 kV的SF6罐式斷路器不會發生斷口擊穿，但在分閘后350 ms內滅弧室的絕緣水平可能尚未完全恢復，如果斷口間的恢復電壓上升速度高于斷路器介質恢復強度的增長，則斷路器可能發生重擊穿[11]。斷路器重擊穿后相當于乙變電站側合空載長線，處于線路末端的5052避雷器承受高幅值操作電壓沖擊，短時間內吸收巨大的能量并累積。

7.542 s乙變電站側斷路器先于甲變電站側斷路器重合閘，波形見圖3。

圖3 乙變電站故障錄波片段ⅢFig.3 Fault wave record fragmentⅢof Yi substation

由圖3可知，甲乙線上重合閘瞬間即有操作過電壓出現，峰值816.094 kV，但甲乙線上的故障電流滯后了18 ms，認為在乙變電站側斷路器重合閘之后，發生了接地短路故障，即5052避雷器B相在操作過電壓和工頻過電壓的共同作用下發生爆炸故障。

3 避雷器解體檢查

3.1 避雷器歷史運行情況

5052避雷器的型號為Y20W1-444/1063W，查看近幾年停電檢修的電氣試驗報告中B相避雷器U1mA和75%U1mA下泄漏電流試驗結果，試驗結果均合格，部分數據見表1。且2017年雷雨季節前帶電阻性電流與全電流試驗結果均合格。

表1 B相避雷器電氣試驗結果Table 1 Electrical test results of B phase MOA

3.2 故障相避雷器解體檢查

故障發生后，立即組織相關人員到現場進行排查，檢查發現5052避雷器B相3節避雷器均壓力釋放動作，有大量黑色粉末狀物質自防爆孔噴出附著在瓷套表面。隨后對故障避雷器進行解體檢查，3節避雷器端部均密封良好，排除受潮可能，取出內部電阻片進一步分析，見圖4。

圖4 B相避雷器解體照片Fig.4 Dissection pictures of phase B MOA

由圖4可知，上節避雷器和中節避雷器有若干電阻片完全碎裂或存在裂紋，電阻片柱表面通體呈黑色，有明顯沿面放電痕跡。下節避雷器的電阻片全部碎裂呈塊狀，認為是熱崩潰所致。

3.3 非故障相避雷器解體檢查

按相同流程對C相避雷器進行解體檢查，避雷器端部密封良好，電阻片柱整體完好，見圖5。

圖5 C相避雷器解體照片Fig.5 Dissection pictures of phase C MOA

對拆解出的電阻片依次進行比例單元絕緣電阻、U1mA和75%U1mA下泄漏電流試驗。測試結果：絕緣電阻均在2 GΩ以上，U1mA分散性較小，75%U1mA下泄漏電流均在50 μA以下，表明非故障相避雷器沒有劣化跡象。

根據避雷器解體檢查情況和相應試驗結果，認為排除5052避雷器B相3節避雷器進水受潮和電阻片劣化可能性，故障原因為避雷器短時間內吸收了大于其耐受能力的沖擊過電壓能量引起下節避雷器熱崩潰，進而導致中、上節避雷器電阻片在工頻過電壓作用下沿面閃絡。

4 避雷器故障過程和原因分析

綜合上述故障錄波情況和避雷器解體檢查，確定5052避雷器B相故障過程如下：

1）16時13分6.801秒，-15.7 kA雷電繞擊500 kV甲乙線236號桿塔B相，造成B相絕緣子閃絡，發生單相接地故障后，線路兩側斷路器B相跳閘。

2）16時13分7.165秒，-13.3 kA后續第一次回擊落雷再次繞擊236號桿塔B相，B相絕緣子未閃絡，雷電波由雷擊點向兩側傳遞并在線路末端反射，造成乙變電站側斷路器斷口重擊穿，5052避雷器B相短時間內連續承受雷電過電壓、操作過電壓和工頻過電壓沖擊。

3）16時13分7.540秒，500 kV甲乙線單相重合閘，乙變電站側斷路器先動作，5052避雷器B相在承受18 ms的操作過電壓和工頻過電壓后發生故障，重合閘失敗跳三相。

5052避雷器B相故障原因：在500 kV甲乙線B相跳閘和單相重合閘之間，多重雷再次繞擊故障相，導致近雷擊點側斷路器斷口重擊穿，造成5052避雷器短時間內承受兩次雷電過電壓沖擊和一次操作過電壓與工頻過電壓的綜合沖擊，吸收巨大能量并累積，熱平衡來不及恢復；重合閘時，乙變電站側斷路器先動作，5052避雷器時隔近375 ms再次承受操作過電壓和工頻過電壓沖擊，近18 ms后避雷器吸收能量遠大于其耐受能力，下節避雷器最先熱崩潰，在工頻過電壓作用下，上節和中節避雷器內部電阻片沿面閃絡，3節避雷器均壓力釋放動作。

5 結論

1）5052避雷器B相故障原因：多重雷誘發線路跳閘和斷路器斷口重擊穿，導致5052避雷器短時間內多次承受雷電過電壓、操作過電壓和工頻過電壓沖擊，最終引起電阻片熱崩潰和沿面閃絡。

2）正確選擇避雷器。從解體情況分析，上節和中節避雷器個別電阻片破裂，下節避雷器完全碎裂，在遭受多重過電壓沖擊的特殊工況下，避雷器的釋放電流超出了其承受能力。為保證電站安全運行，防止類似事故再次發生，應當選擇通流能力更高、耐受能力更強或多柱并聯的避雷器。

3）加強運行檢測。帶電測試是保證金屬氧化物避雷器安全可靠運行的重要措施之一。根據規程規定，新投入電網運行的500 kV及以上電壓等級的避雷器，投運后半年內測量一次運行電壓下的交流泄漏電流帶電測試，運行一年后，每年雷雨季前應測量一次。同時按照相關規程定期進行紅外檢測，發現問題及時處理，避免事故的發生。