多重雷击线路导致开关设备故障分析

李 峰，汤 磊，夏晓宾，刘惠群

（青岛供电公司，山东 青岛 266000）

0 引言

目前，雷击仍是电力系统输电线路安全可靠运行的主要危害，雷电波入侵电力系统可造成开关设备击穿甚至爆炸事故的发生［1］。2010年8月22日下午，青岛地区某220 kV线路遭受连续雷击，造成该220 kV变电站（受电侧）开关B相开关内部多次击穿故障，保护多次动作，而对侧500 kV变电站开关未受损。

1 故障经过

线路全长18.36km，故障时受电侧变电站220 kV I母、II母并列运行，15：57， 该 220 kV 线路 B相故障，保护正常跳闸，断路器成功开断电流，故障电流消失后一段时间电弧重启，故障电流峰值较大，故障电流峰值约为22.4 kA，较短时间内（约20 ms）故障电流消失，开关三相跳闸，一段时间后B相电弧再次重启，较短时间内（约20 ms）故障电流消失，可以断定此次故障为多重雷击故障，开关开断后线路又遭受两次雷击。故障线路开关三相本体外观无异常，无电弧放电痕迹。开关为西门子3AP1-FI型SF6开关，额定电压252 kV，额定电流4 000 A，额定短路开断电流50 kA，额定工频耐受电压460kV，额定雷电冲击耐受电压1050kV，2003年投产。

2 故障处理

此次雷击事故造成该220 kV线路B相开关断口击穿故障过程基本明确，决定实施对B相开关进行更换并做工厂解体检查。

事故后委托西门子（杭州）高压开关有限公司对受损的B相开关极柱进行工厂解体检查。开关极柱外观检查均无异常；测量开关100A接触电阻值为33μΩ，符合开关厂家标准（标准值30±4μΩ）；开关极柱解体可见绝缘操作杆和灭弧室内部机械及其连接等相关的传动部件情况正常；绝缘子部分外观无明显损伤，内壁干净，绝缘拉杆无损伤变形，绝缘子部分无异常状况。

图1 故障线路B相开关灭弧室解体情况

对灭弧室灭弧单元（灭弧喷嘴、动静弧触头及其组件）做解体处理，如图1所示。灭弧单元绝缘瓷套盆口处有散落的分解物，灭弧室静触头因电弧烘烤而出现发黑痕迹，无明显变形或熔损，其下部有掉落的分解物，接触表带没有损伤痕迹，无过电压痕迹，见图1（a）；灭弧室基圈内壁有明显爬弧现象，见图1（b）；主喷嘴内壁存在明显的烧灼痕迹，灼烧部位有很多分解物附着，见图1（c），动导电加热筒表面镀银层基本完好，有金属光泽；灭弧主喷嘴内壁及副喷嘴内喷口均有明显的烧灼痕迹，其中副喷嘴内喷口内径因烧灼导致扩大了约为1.5 mm，见图1（d），而动触头则呈显均匀的黑色，无明显变形或熔损。

由以上可知，B相开关极柱内部存在明显的放电痕迹，动静触头均经灼烧呈现黑色，同时生成大量分解产物，其扩散范围限于灭弧单元内部，多呈散落态或附着于喷嘴等部件之上，副喷嘴内径有较明显的灼烧，其他部件无明显损伤。

3 录波及保护动作行为分析

保护装置录波图如图2所示，当日15：57，该220kV线路发生B相故障，20 ms后保护发B相跳闸指令，B相正常跳闸，保护测距故障点距离为2.1 km。50 ms后B相故障电流消失，保护测距故障点距离为2.1 km，170 ms又一次故障电流涌入，其电流峰值约22.4 kA，保护距离加速动作，开关三相跳闸，190 ms后故障电流消失，470 ms后又一次故障电流涌入，故障电流峰值约23 kA，500 ms后故障电流消失。

图2 保护装置录波图

当线路B相遭受雷击时，线路纵联保护起动发信后动作，由于线路为单相重合闸，保护发单相跳闸命令将故障相B相切除。B相开关完全跳闸后170ms，又一次雷电波涌入，保护发加速跳指令，开关三相跳闸。470 ms时又一次雷电波涌入，保护再次发三相跳闸命令。由以上分析，保护动作行为正确，及时快速地将故障线路切除。

4 故障原因分析

4.1 故障情况和原因分析

故障时段故障线路在未装设线路避雷器的情况下，遭受连续多重雷击，首次雷击造成B相线路接地短路故障后，断路器成功开断了B相故障电流，这时B相处于暂时分闸状态，类似于热备用的工况，B相灭弧室动、静触头已完全分开。120 ms后B相第二次遭受雷电冲击，雷电侵入波沿线路B相传播至变电站，在处于开路的开关断口处发生行波全反射，由于故障点与开关距离较近，仅为2.1 km，因此开关断口将承受雷电侵入波与其反射波的叠加冲击，极端情况下，断口承受的过电压幅值将增加到侵入波电压的两倍，大大高于开关额定雷电冲击耐受电压，由于开关线路侧未安装避雷器，灭弧室两端将无法承受超过自身承受极限的过电压，最终造成B相灭弧室断口间击穿，电流峰值高达22.4 kA。

由于该开关在线路受电侧，不存在工频电源电压，故断口间在短时间（20 ms）燃弧后，故障电流随着雷电波的消失而衰减为零，电弧自然熄灭，电弧热效应时间较短，未造成灭弧室瓷套爆炸，但喷嘴的喷口在故障电弧电流的短时间作用下烧损。

4.2 灭弧室断口内击穿的原因

一定电压条件下，SF6气体中的电子在向阳极运动的过程中会产生电子崩，并转化成流注导致击穿，且负极性较正极性更容易导致击穿，而雷电波大都为负极性的。冲击电压时间大于1 μs时，其击穿点大都在伏—秒特性曲线的下包线（5%）附近［2］，即击穿电压相对较小，而从录波图上可以看出雷电冲击事件要大于1 μs，此时 SF6气体击穿电压较小，容易击穿。在按照断路器灭弧室的设计时，断口的内绝缘均应大于外部的绝缘，但当雷电冲击电压的上升沿时间较短时，由于灭弧室内外气体（SF6、空气）伏—秒特性的差异［3］，如图 3所示，会发生灭弧室内部的SF6气体先于外部的空气击穿的情况。且由于B相开关刚开断过较大的短路电流，此时开关内电场并不均匀，而在电场稍不均匀的情况下，SF6气体耐受雷电波冲击的水平较低［4］。所以开关内部灭弧室被外部雷击过电压击穿而外部瓷瓶完好。

图3 SF6气体与空气的伏—秒特性比较

5 结语

由于开关线路测未装设避雷器，开关内部灭弧室不能承受雷电侵入波及其反射波的叠加而击穿，由于故障开关在受电侧，开关灭弧室瓷套完好。在开关处于分断位、线路再次发生雷击故障时，开关断口除承受雷电侵入波及其反射波叠加作用外，还承受母线侧工频电压作用，极端情况下可能遭遇与侵入波反极性的工频电压峰值叠加作用，造成开关灭弧室瓷套爆炸。建议在110 kV、220 kV架空线路开关线路侧加装避雷器，并进行开关断口的雷电冲击和工频耐压试验，防止类似设备损坏事故的发生。