一起500kV線路多重雷擊事故分析

侯俊宏

(嘉陵江亭子口水利水電開發有限公司,四川 蒼溪 628400)

0 引言

GIS設備由于結構緊湊、占地空間小、維護工作少等優點在電力系統得到廣泛的應用,是電力系統中重要的電氣設備之一,實際運行過程中,GIS熱備斷路器斷口或其他部件因雷擊或多重雷擊發生損壞的情況時有發生[1-3]。由于GIS管道的波阻抗極小(只有同電壓等級架空輸電線路的1/12～1/15)[2],侵入GIS內的雷電波在管道內來回反射,會形成陡度較高的過電壓。對于分斷狀態的GIS斷路器,雷電侵入波在斷路器斷口處形成的過電壓幅值將因為發生反射而得到侵入過電壓的2倍,嚴重威脅了GIS設備的安全運行[4]。

本文以某水電站500 kV線路遭受多重雷擊引起GIS設備故障為例,通過ATP-EMTP建立電磁暫態仿真分析模型,對雷電侵入波過電壓幅值進行仿真計算,分析了雷擊過程原因,并提出了相應的防雷措施。該500 kV線路跨越了四川盆地北部、大巴山南緣等兩個大的地貌單元和嘉陵江、東河、恩陽河、巴河、州河等五大水系,地勢上總體北高南低。區內主要地貌類型可分為侵蝕堆積地貌,侵蝕、剝蝕構造低山丘陵區,侵蝕、剝蝕構造中低山區,分為丘陵、一般山地、高山大嶺三種地形地貌單元,區域內多為雷雨大風和寒潮大風等復雜的氣象環境。本文對于雷擊頻發地區的發電廠GIS開關站和線路防雷工作具有重要參考和借鑒意義。

1 事故簡介

某水電站總裝機容量1100 MW(4臺275 MW混流式水輪發電機組),前期主接線為三角形接線方式,預留一回出線間隔,現單回出線接入川東北電網500 kV變電站。500 kV開關站為室內GIS布置,出線場和主變壓器均采用GIS管道形式布置,主接線如圖1所示。

圖1 電氣主接線示意

1.1 事件前運行方式

2019年10月3日9時,某水電站500 kV線路走廊天氣情況為強降雨,伴隨大風并有雷電。500 kV線路運行,母線電壓524 kV,系統頻率50 Hz,5001、5002、5003開關合環運行,1、2、3、4號主變運行,1號機組負荷34.4 MW,3號機組負荷196.4 MW,4號機組32.8 MW,2號機組停機備用,全廠總負荷263 MW。

1.2 故障經過

2019年10月3日09時55分21秒,500 kV線路1號保護裝置光纖差動保護動作、線路2號保護裝置光纖距離保護動作;5001、5002開關C相跳閘,重合閘動作后勾通三跳,5001、5002開關三相跳閘。

檢查線路1號保護裝置保護C相跳閘出口、線路2號保護裝置保護C相跳閘出口,重合閘動作后三相跳閘出口。

通過向電網申請線路轉檢修,檢查發現500 kV GIS線路側C相氣室SF6氣體分解,出現了SO2、H2S等特征氣體,顯示氣室內部出現了大幅值故障電流。對故障氣室進行開蓋檢查,發現C相氣室原預留高抗引出線蓋板支撐絕緣子放電,如圖2所示。

圖2 故障放電點

從圖2可知,電弧從均壓球下側開始,沿著支柱絕緣子表面向下發展,在GIS管道內壁處彌撒式灼燒,造成均壓球下部金屬鋁部分熔化熔液飛濺,支柱絕緣子及金屬外殼內壁大面積灼燒。

該絕緣子位于GIS出線管道預留高抗引線位置,此處導體結構比較復雜,電場畸變,是GIS絕緣的薄弱點[2]。

2 雷擊過電壓仿真分析

采用ATP-EMTP建立水電廠升壓站雷電侵入波分析模型如圖3所示,其中出線平臺線路間隔避雷器型號為Y20W5-444/1065,戶外場一次設備二分裂連接線型號為2×LGJQT-1400/35。架空線1號桿塔類型為5A-ZM1直線酒杯塔,1號桿塔距離升壓站戶外場300 m,500 kV導線型號為4×LGJ-400/50,地線型號為GJ-70,絕緣子串為28片XP-160型絕緣子,線路檔距為500 m,桿塔接地電阻為2 Ω,雷電流波形采用1.2/50 μs單極脈沖波。500 kV GIS額定雷電沖擊耐受電壓(1.2/50 μs)相對地為1 675 kV,斷口為2 125 kV,GIS管道由單芯電纜模擬。為了便于分析,在故障點和2號斷路器分別設置電壓觀測點1和觀測點2[2]。

圖3 GIS升壓站雷電侵入波分析模型

2.1 雷擊過程仿真計算

2.1.1 第一次雷擊時過電壓

500 kV線路遭受第一次雷擊時,兩端變電站均處于正常運行方式,升壓站設備耐雷電沖擊過電壓的水平較高[1],且雷擊點距升壓站較遠(約76 km處),在升壓站1、2號斷路器合閘時,在雷電侵入波傳播路徑上,線路避雷器、兩組GIS母線避雷器均動作,致使雷電流的陡度和幅值均降低,雷電侵入波得到有效限制,未出現超過GIS耐受電壓幅值的過電壓,兩側縱聯距離啟動后均未動作,縱聯差動保護動作。通過仿真計算在斷路器合閘時電壓波形和避雷器電流波形如圖4所示。

2.1.2 第二次雷擊時過電壓

500 kV線路遭受第二次雷擊時,升壓站1、2號斷路器處于熱備用狀態,升壓站的耐雷電沖擊過電壓的水平較正常情況低,雖然戶外場避雷器動作且釋放的雷電流幅值較大,但是由于雷電侵入波在斷路器斷口的反射,觀測點處仍然出現了高幅值的過電壓[2],超過了GIS設備耐雷水平,設備絕緣薄弱點將首先擊穿。通過仿真計算在斷路器分閘時電壓波形和避雷器電流波形如圖5所示。

圖5 斷路器分閘狀態電壓波形和避雷器電流波形

3 原因分析

基于仿真計算與故障錄波及保護裝置的錄波綜合分析故障原因如下:500 kV線路C相在09時55分21秒178毫秒至22秒365毫秒,在1068毫秒內連續發生兩次故障。線路第一次雷擊時,兩套保護均動作,行波測距顯示約76 km,1、2號斷路器C相跳閘,在斷路器重合閘動作時間內,線路遭受第二次雷擊,雷電侵入波達到斷路器斷口處發生反射,過電壓大幅度提高,此次故障中電壓峰值1 236 kV,波頭時間600 μs,為緩波頭過電壓,已超過GIS的理論過電壓耐受值。此時1、2號斷路器C相重合閘動作,C相重合在永久故障點上,縱聯差動、縱聯距離、距離I段等保護動作,線路重合閘不成功,斷路器三相跳閘,行波測距顯示為0.1 km和72.2 km,上述表明,保護動作正確,存在兩個故障點。近端故障點位于管道預留高抗位置,此處導體結構比較復雜且安裝了支柱絕緣子,電場在此處出現畸變,是GIS絕緣的薄弱點[2],因此,在大幅值過電壓作用下擊穿。

4 防雷措施

(1)通過在復雜地形多雷地區的線路安裝線路避雷器、改造桿塔接地電阻,在升壓站出線場加裝避雷器,實現雷電能量沿傳播路徑逐步釋放,可采用輸電線路防雷與升壓站防雷相結合的升壓站防雷治理策略。

(2)采用增強絕緣的技術手段,通過使用高絕緣強度的絕緣材料、合理設計設備結構、嚴格控制工藝等方式,以提高電氣設備的絕緣性能和耐壓水平,降低絕緣擊穿的風險。

(3)提出升壓站安裝雷電侵入波阻礙電抗器的設想,利用電抗器對陡波頭雷電流的阻礙作用,將雷電侵入波能量阻止在升壓站外并通過站用避雷器釋放,解決大幅值雷電侵入波進入升壓站的問題,可有效避免升壓站雷擊事故。

5 結語

針對上述500 kV線路遭受多重雷擊發生的設備事故案列,可知在線路遭受雷擊,同時,升壓站斷路器處于熱備用狀態,雷電侵入波過電壓會在開路末端發生電壓全反射,造成過電壓水平大幅度提高,可能大大超過設備耐受過電壓能力,對電氣設備造成威脅或損壞。建議在設計、采購時要充分考慮設備本身的耐受過電壓能力,在日常運維中采取相應的過電壓保護防范措施,確保設備安全穩定運行。