220kV 断路器多重雷击故障分析

2015-03-02项恩新徐肖伟张恭源程志万彭兆裕

云南电力技术 2015年2期

项恩新，徐肖伟，张恭源，程志万，彭兆裕

(云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217)

0 前言

云南省是一个高原山区省份，是全国重雷击地区之一［1］。本文研究分析了一起220 kV 线路遭受多重雷击后导致高压开关设备绝缘损坏的故障经过及其原因，并对相同规格的高压开关设备进行了外绝缘瓷套试验研究，分析了其外绝缘强度性能，提出开展高海拔云南地区开关设备冲击电压和工频电压联合电压试验的必要［2－5］。

1 故障情况

某220 kV 线路断路器遭受多重雷击，外绝缘击穿导致220 kV II 组母线全部失压，断路器为LTB245E1 型瓷柱式SF6断路器，顶端、下端引流线法兰盘铸铁位置以及断路器瓷群表面均存在电弧严重烧蚀痕迹，断路器瓷瓶上、下端连接位置曾出现电弧短路。灭弧室内检查未发现放电分解产物，无放电迹象。

为研究故障发生原因，对发生故障的220 kV LTB245E1 型断路器及其相同结构的110 kV LTB145E1 断路器干弧距离进行了理论计算分析，并于对其开展了冲击电压与工频电压联合电压试验。

1.1 理论计算

根据相关标准中关于海拔修正系数要求［6－7］，对于使用在海拔高于1 000 m 处的电力设备，其外绝缘在标准参考大气条件下的绝缘水平是将适用场所要求的绝缘耐受电压乘以海拔修正系数Ka［8］。

海拔修正系数Ka计算公式如下:

计算得2 000 米海拔修正系数为1.131。

从理论计算结果来看，二者外绝缘尺寸均不满足2 000 m 海拔修正后空气间隙的最小距离要求。

1.2 试验研究

应用云南电网超高压交直流输变电试验研究基地冲击电压发生器装置，调整输出波形参数为1.27/59 μs 的雷电波，其冲击数据如表1 所示。

表1 冲击电压极性试验

根据最小二乘法对表1 数据进行曲线线性拟合，如图1、图2 所示。

图1 正极性冲击电压和干弧距离之间的拟合关系曲线

图2 负极性冲击电压和干弧距离之间的拟合关系曲线

得到拟合公式为:

正极性:U50(kV)=0.476d+75

负极性:U50(kV)=0.520d+79

通过拟合公式可以看出:在2 000 m 海拔下，110 kV 断路器灭弧室根据拟合公式得到最小干弧距离为1 210 mm，220 kV 断路器灭弧室根据拟合公式得到最小干弧距离为2 468 mm，与理论公式所计算出的2 000 m 海拔下550 kV 雷电冲击值所对应的空气间隙的最小距离为1 243 mm，1 050 kV 雷电冲击值所对应的的空气间隙的最小距离为2 457 mm 是可比的。

为模拟实际断路器运行情况下遭受雷击过程，对经受出厂雷电冲击电压试验合格后的110 kV LTB145E1 型断路器进行雷电冲击电压与工频电压联合电压试验。雷电冲击电压与工频电压联合电压试验接线方式如图3 所示。

图3 雷电冲击电压与工频电压联合电压试验接线图

其中，工频电压施加近似运行电压70 kV，雷电冲击施加550 kV 的标准雷电波。为保护雷电冲击电压下工频电压发生装置不受损坏，设置了直径为10 cm 的保护球隙，同时，为确保70 kV工频电压下保护球隙不闪络，550 kV 雷电冲击电压下闪络，将间隙距离调节为25cm。试验测试结果如表2 所示。

表2 联合电压试验

试验研究表明:即使出厂雷电冲击电压试验合格的110 kV LTB145E1 型断路器，在2000 米高海拔云南地区承受工频运行电压与标准雷电冲击电压时，断路器外表面瓷瓶仍然发生闪络，其绝缘性能不满足高海拔修正系数的外绝缘强度要求。

2 故障分析

发生故障的232 断路器外绝缘闪络而内绝缘未击穿，是因为当线路遭受多次重复雷击时，雷电波沿线路传播至变电站开关设备，根据行波理论，雷电波在处于开路的断路器断口处发生行波全反射［9－11］，断路器断口处承受的过电压幅值将增加到侵入波电压的2 倍，大大高于断路器断口雷电冲击电压绝缘水平，断路器断口外绝缘不能承受雷电入侵波及其反射波的叠加作用而优先发生闪络，在灭弧室上下法兰间形成放电［12－15］。若短路故障电流持续发生，将导致灭弧室上下法兰严重烧毁，且由于瓷套温度骤变的热力效应，很有可能使得灭弧室瓷套发生爆炸，损坏其他临近带电设备，造成更为严重的后果。

值得指出的是，在开关处于分断位、线路发生多重雷击故障时，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。因此，对于110 kV、220 kV SF6开关设备雷电冲击和工频耐压现场和抽检试验，提出考虑雷电冲击电压与工频电压的联合电压试验是必要的。