多重雷擊線路導(dǎo)致開關(guān)設(shè)備故障分析

李 峰，湯 磊，夏曉賓，劉惠群

（青島供電公司，山東 青島 266000）

0 引言

目前，雷擊仍是電力系統(tǒng)輸電線路安全可靠運(yùn)行的主要危害，雷電波入侵電力系統(tǒng)可造成開關(guān)設(shè)備擊穿甚至爆炸事故的發(fā)生［1］。2010年8月22日下午，青島地區(qū)某220 kV線路遭受連續(xù)雷擊，造成該220 kV變電站（受電側(cè)）開關(guān)B相開關(guān)內(nèi)部多次擊穿故障，保護(hù)多次動(dòng)作，而對(duì)側(cè)500 kV變電站開關(guān)未受損。

1 故障經(jīng)過(guò)

線路全長(zhǎng)18.36km，故障時(shí)受電側(cè)變電站220 kV I母、II母并列運(yùn)行，15：57， 該 220 kV 線路 B相故障，保護(hù)正常跳閘，斷路器成功開斷電流，故障電流消失后一段時(shí)間電弧重啟，故障電流峰值較大，故障電流峰值約為22.4 kA，較短時(shí)間內(nèi)（約20 ms）故障電流消失，開關(guān)三相跳閘，一段時(shí)間后B相電弧再次重啟，較短時(shí)間內(nèi)（約20 ms）故障電流消失，可以斷定此次故障為多重雷擊故障，開關(guān)開斷后線路又遭受兩次雷擊。故障線路開關(guān)三相本體外觀無(wú)異常，無(wú)電弧放電痕跡。開關(guān)為西門子3AP1-FI型SF6開關(guān)，額定電壓252 kV，額定電流4 000 A，額定短路開斷電流50 kA，額定工頻耐受電壓460kV，額定雷電沖擊耐受電壓1050kV，2003年投產(chǎn)。

2 故障處理

此次雷擊事故造成該220 kV線路B相開關(guān)斷口擊穿故障過(guò)程基本明確，決定實(shí)施對(duì)B相開關(guān)進(jìn)行更換并做工廠解體檢查。

事故后委托西門子（杭州）高壓開關(guān)有限公司對(duì)受損的B相開關(guān)極柱進(jìn)行工廠解體檢查。開關(guān)極柱外觀檢查均無(wú)異常；測(cè)量開關(guān)100A接觸電阻值為33μΩ，符合開關(guān)廠家標(biāo)準(zhǔn)（標(biāo)準(zhǔn)值30±4μΩ）；開關(guān)極柱解體可見(jiàn)絕緣操作桿和滅弧室內(nèi)部機(jī)械及其連接等相關(guān)的傳動(dòng)部件情況正常；絕緣子部分外觀無(wú)明顯損傷，內(nèi)壁干凈，絕緣拉桿無(wú)損傷變形，絕緣子部分無(wú)異常狀況。

圖1 故障線路B相開關(guān)滅弧室解體情況

對(duì)滅弧室滅弧單元（滅弧噴嘴、動(dòng)靜弧觸頭及其組件）做解體處理，如圖1所示。滅弧單元絕緣瓷套盆口處有散落的分解物，滅弧室靜觸頭因電弧烘烤而出現(xiàn)發(fā)黑痕跡，無(wú)明顯變形或熔損，其下部有掉落的分解物，接觸表帶沒(méi)有損傷痕跡，無(wú)過(guò)電壓痕跡，見(jiàn)圖1（a）；滅弧室基圈內(nèi)壁有明顯爬弧現(xiàn)象，見(jiàn)圖1（b）；主噴嘴內(nèi)壁存在明顯的燒灼痕跡，灼燒部位有很多分解物附著，見(jiàn)圖1（c），動(dòng)導(dǎo)電加熱筒表面鍍銀層基本完好，有金屬光澤；滅弧主噴嘴內(nèi)壁及副噴嘴內(nèi)噴口均有明顯的燒灼痕跡，其中副噴嘴內(nèi)噴口內(nèi)徑因燒灼導(dǎo)致擴(kuò)大了約為1.5 mm，見(jiàn)圖1（d），而動(dòng)觸頭則呈顯均勻的黑色，無(wú)明顯變形或熔損。

由以上可知，B相開關(guān)極柱內(nèi)部存在明顯的放電痕跡，動(dòng)靜觸頭均經(jīng)灼燒呈現(xiàn)黑色，同時(shí)生成大量分解產(chǎn)物，其擴(kuò)散范圍限于滅弧單元內(nèi)部，多呈散落態(tài)或附著于噴嘴等部件之上，副噴嘴內(nèi)徑有較明顯的灼燒，其他部件無(wú)明顯損傷。

3 錄波及保護(hù)動(dòng)作行為分析

保護(hù)裝置錄波圖如圖2所示，當(dāng)日15：57，該220kV線路發(fā)生B相故障，20 ms后保護(hù)發(fā)B相跳閘指令，B相正常跳閘，保護(hù)測(cè)距故障點(diǎn)距離為2.1 km。50 ms后B相故障電流消失，保護(hù)測(cè)距故障點(diǎn)距離為2.1 km，170 ms又一次故障電流涌入，其電流峰值約22.4 kA，保護(hù)距離加速動(dòng)作，開關(guān)三相跳閘，190 ms后故障電流消失，470 ms后又一次故障電流涌入，故障電流峰值約23 kA，500 ms后故障電流消失。

圖2 保護(hù)裝置錄波圖

當(dāng)線路B相遭受雷擊時(shí)，線路縱聯(lián)保護(hù)起動(dòng)發(fā)信后動(dòng)作，由于線路為單相重合閘，保護(hù)發(fā)單相跳閘命令將故障相B相切除。B相開關(guān)完全跳閘后170ms，又一次雷電波涌入，保護(hù)發(fā)加速跳指令，開關(guān)三相跳閘。470 ms時(shí)又一次雷電波涌入，保護(hù)再次發(fā)三相跳閘命令。由以上分析，保護(hù)動(dòng)作行為正確，及時(shí)快速地將故障線路切除。

4 故障原因分析

4.1 故障情況和原因分析

故障時(shí)段故障線路在未裝設(shè)線路避雷器的情況下，遭受連續(xù)多重雷擊，首次雷擊造成B相線路接地短路故障后，斷路器成功開斷了B相故障電流，這時(shí)B相處于暫時(shí)分閘狀態(tài)，類似于熱備用的工況，B相滅弧室動(dòng)、靜觸頭已完全分開。120 ms后B相第二次遭受雷電沖擊，雷電侵入波沿線路B相傳播至變電站，在處于開路的開關(guān)斷口處發(fā)生行波全反射，由于故障點(diǎn)與開關(guān)距離較近，僅為2.1 km，因此開關(guān)斷口將承受雷電侵入波與其反射波的疊加沖擊，極端情況下，斷口承受的過(guò)電壓幅值將增加到侵入波電壓的兩倍，大大高于開關(guān)額定雷電沖擊耐受電壓，由于開關(guān)線路側(cè)未安裝避雷器，滅弧室兩端將無(wú)法承受超過(guò)自身承受極限的過(guò)電壓，最終造成B相滅弧室斷口間擊穿，電流峰值高達(dá)22.4 kA。

由于該開關(guān)在線路受電側(cè)，不存在工頻電源電壓，故斷口間在短時(shí)間（20 ms）燃弧后，故障電流隨著雷電波的消失而衰減為零，電弧自然熄滅，電弧熱效應(yīng)時(shí)間較短，未造成滅弧室瓷套爆炸，但噴嘴的噴口在故障電弧電流的短時(shí)間作用下燒損。

4.2 滅弧室斷口內(nèi)擊穿的原因

一定電壓條件下，SF6氣體中的電子在向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生電子崩，并轉(zhuǎn)化成流注導(dǎo)致?lián)舸邑?fù)極性較正極性更容易導(dǎo)致?lián)舸?，而雷電波大都為?fù)極性的。沖擊電壓時(shí)間大于1 μs時(shí)，其擊穿點(diǎn)大都在伏—秒特性曲線的下包線（5%）附近［2］，即擊穿電壓相對(duì)較小，而從錄波圖上可以看出雷電沖擊事件要大于1 μs，此時(shí) SF6氣體擊穿電壓較小，容易擊穿。在按照斷路器滅弧室的設(shè)計(jì)時(shí)，斷口的內(nèi)絕緣均應(yīng)大于外部的絕緣，但當(dāng)雷電沖擊電壓的上升沿時(shí)間較短時(shí)，由于滅弧室內(nèi)外氣體（SF6、空氣）伏—秒特性的差異［3］，如圖 3所示，會(huì)發(fā)生滅弧室內(nèi)部的SF6氣體先于外部的空氣擊穿的情況。且由于B相開關(guān)剛開斷過(guò)較大的短路電流，此時(shí)開關(guān)內(nèi)電場(chǎng)并不均勻，而在電場(chǎng)稍不均勻的情況下，SF6氣體耐受雷電波沖擊的水平較低［4］。所以開關(guān)內(nèi)部滅弧室被外部雷擊過(guò)電壓擊穿而外部瓷瓶完好。

圖3 SF6氣體與空氣的伏—秒特性比較

5 結(jié)語(yǔ)

由于開關(guān)線路測(cè)未裝設(shè)避雷器，開關(guān)內(nèi)部滅弧室不能承受雷電侵入波及其反射波的疊加而擊穿，由于故障開關(guān)在受電側(cè)，開關(guān)滅弧室瓷套完好。在開關(guān)處于分?jǐn)辔弧⒕€路再次發(fā)生雷擊故障時(shí)，開關(guān)斷口除承受雷電侵入波及其反射波疊加作用外，還承受母線側(cè)工頻電壓作用，極端情況下可能遭遇與侵入波反極性的工頻電壓峰值疊加作用，造成開關(guān)滅弧室瓷套爆炸。建議在110 kV、220 kV架空線路開關(guān)線路側(cè)加裝避雷器，并進(jìn)行開關(guān)斷口的雷電沖擊和工頻耐壓試驗(yàn)，防止類似設(shè)備損壞事故的發(fā)生。