变电站500 kV金属氧化物避雷器故障分析

矫立新，王 朔，孙友群，刘 赫，刘俊博，列剑平，朱大铭

（1.国网吉林省电力有限公司电力科学研究院，长春 130021；2.国网吉林省电力有限公司，长春 130021）

0 引言

目前，金属氧化物避雷器因其优异的过电压保护性能和稳定性被广泛应用于电力系统中，为电网的安全稳定运行提供可靠保障[1-4]。但近些年来避雷器故障、爆炸等事故时有发生，严重影响了电力系统的安全稳定运行[5-7]。

本文对一起变电站500 kV金属氧化物避雷器故障进行研究，结合雷电定位系统的雷电信息、变电站故障录波信息和避雷器解体检查综合分析避雷器故障原因，并有针对性地提出防治措施，以提高避雷器的安全运行水平[8-10]。

1 故障情况

2017年06月20日16时13分，500 kV甲乙线路发生单相接地故障，线路两侧断路器B相跳闸，重合不良跳三相，500 kV甲变电站5052避雷器B相压力释放动作故障。故障录波器报文显示，对侧500 kV乙变电站测距：距乙变电站侧40.54 km，故障电流9.549 kA；甲变电站测距：距甲变电站侧91.83 km，故障电流4.51 kA。

根据雷电定位系统查询，故障时间点前后1分钟内，故障线路周边范围1 km内有3处雷电活动记录，雷电流最大不超过-15.7 kA，与故障时间最近的落雷雷电流为-15.7 kA，最近杆塔为500 kV甲乙线的236—237号，其中，16时13分06.801秒，主放电落雷-15.7 kA，16时13分07.135秒，后续第一次回击落雷-13.3 kA。经检修公司输电专业人员现场巡查，发现236号杆塔B相绝缘子表面有明显闪络痕迹，故障位置与故障测距基本吻合，综合分析确认雷电绕击236号杆塔导致B相绝缘子闪络是500 kV甲乙线跳闸原因。

2 变电站故障录波分析

分别调取500 kV甲乙变电站故障录波信息，因甲变电站为双母线加旁路母线接线方式，其录波信息包括母线电压和线路电流，而乙变电站为二分之三接线方式，其录波信息包括线路电压和线路电流。

截取乙变电站故障录波片段见图1。

图1 乙变电站故障录波片段ⅠFig.1 Fault wave record fragmentⅠof Yi substation

从图1可看出，雷电绕击甲乙线B相后，甲乙线两侧B相断路器分闸，在重合闸前的7.165 s，甲乙线上出现一次持续近60 ms的电压波动，而电流基本没有变化，与后续第一次回击落雷时间基本一致。分析认为负极性后续第一次回击落雷再次绕击B相，此时甲乙线两侧断路器处于分闸状态，雷电波由雷击点向两侧传递并在线路末端反射，出现-870.78 kV的高幅值电压波，因线路上此时无接地点，雷电能量只能在不断反射过程中通过线路电阻逐渐消耗，持续时间较长。

仔细观察图1中电压波动部分，电压存在正负极性交替变换过程，仅有雷电波不断折射和反射，无法形成该波形。继续选取乙变电站其它出线相应时刻波形进行分析，见图2。

图2中给出了乙变电站500 kV 1号线和2号线的电压波形，与母线电压波形相当。由图2可知，雷电波在甲乙线上折射和反射的过程中，1号线和2号线上出现了零序电压，认为系统中有操作冲击影响。其它500 kV出线，均有相似零序电压出现，而电流没有波动。

图2 乙变电站故障录波片段ⅡFig.2 Fault wave record fragmentⅡof Yi substation

分析认为雷电波在乙变电站侧线路末端反射出现-870.78 kV的高幅值电压波，相应时刻乙变电站母线B相电压刚好在正峰值432.18 kV附近，断路器两侧形成1302.96 kV的压差，在正常运行条件下，断口间雷电冲击耐受电压为1740 kV的SF6罐式断路器不会发生断口击穿，但在分闸后350 ms内灭弧室的绝缘水平可能尚未完全恢复，如果断口间的恢复电压上升速度高于断路器介质恢复强度的增长，则断路器可能发生重击穿[11]。断路器重击穿后相当于乙变电站侧合空载长线，处于线路末端的5052避雷器承受高幅值操作电压冲击，短时间内吸收巨大的能量并累积。

7.542 s乙变电站侧断路器先于甲变电站侧断路器重合闸，波形见图3。

图3 乙变电站故障录波片段ⅢFig.3 Fault wave record fragmentⅢof Yi substation

由图3可知，甲乙线上重合闸瞬间即有操作过电压出现，峰值816.094 kV，但甲乙线上的故障电流滞后了18 ms，认为在乙变电站侧断路器重合闸之后，发生了接地短路故障，即5052避雷器B相在操作过电压和工频过电压的共同作用下发生爆炸故障。

3 避雷器解体检查

3.1 避雷器历史运行情况

5052避雷器的型号为Y20W1-444/1063W，查看近几年停电检修的电气试验报告中B相避雷器U1mA和75%U1mA下泄漏电流试验结果，试验结果均合格，部分数据见表1。且2017年雷雨季节前带电阻性电流与全电流试验结果均合格。

表1 B相避雷器电气试验结果Table 1 Electrical test results of B phase MOA

3.2 故障相避雷器解体检查

故障发生后，立即组织相关人员到现场进行排查，检查发现5052避雷器B相3节避雷器均压力释放动作，有大量黑色粉末状物质自防爆孔喷出附着在瓷套表面。随后对故障避雷器进行解体检查，3节避雷器端部均密封良好，排除受潮可能，取出内部电阻片进一步分析，见图4。

图4 B相避雷器解体照片Fig.4 Dissection pictures of phase B MOA

由图4可知，上节避雷器和中节避雷器有若干电阻片完全碎裂或存在裂纹，电阻片柱表面通体呈黑色，有明显沿面放电痕迹。下节避雷器的电阻片全部碎裂呈块状，认为是热崩溃所致。

3.3 非故障相避雷器解体检查

按相同流程对C相避雷器进行解体检查，避雷器端部密封良好，电阻片柱整体完好，见图5。

图5 C相避雷器解体照片Fig.5 Dissection pictures of phase C MOA

对拆解出的电阻片依次进行比例单元绝缘电阻、U1mA和75%U1mA下泄漏电流试验。测试结果：绝缘电阻均在2 GΩ以上，U1mA分散性较小，75%U1mA下泄漏电流均在50 μA以下，表明非故障相避雷器没有劣化迹象。

根据避雷器解体检查情况和相应试验结果，认为排除5052避雷器B相3节避雷器进水受潮和电阻片劣化可能性，故障原因为避雷器短时间内吸收了大于其耐受能力的冲击过电压能量引起下节避雷器热崩溃，进而导致中、上节避雷器电阻片在工频过电压作用下沿面闪络。

4 避雷器故障过程和原因分析

综合上述故障录波情况和避雷器解体检查，确定5052避雷器B相故障过程如下：

1）16时13分6.801秒，-15.7 kA雷电绕击500 kV甲乙线236号杆塔B相，造成B相绝缘子闪络，发生单相接地故障后，线路两侧断路器B相跳闸。

2）16时13分7.165秒，-13.3 kA后续第一次回击落雷再次绕击236号杆塔B相，B相绝缘子未闪络，雷电波由雷击点向两侧传递并在线路末端反射，造成乙变电站侧断路器断口重击穿，5052避雷器B相短时间内连续承受雷电过电压、操作过电压和工频过电压冲击。

3）16时13分7.540秒，500 kV甲乙线单相重合闸，乙变电站侧断路器先动作，5052避雷器B相在承受18 ms的操作过电压和工频过电压后发生故障，重合闸失败跳三相。

5052避雷器B相故障原因：在500 kV甲乙线B相跳闸和单相重合闸之间，多重雷再次绕击故障相，导致近雷击点侧断路器断口重击穿，造成5052避雷器短时间内承受两次雷电过电压冲击和一次操作过电压与工频过电压的综合冲击，吸收巨大能量并累积，热平衡来不及恢复；重合闸时，乙变电站侧断路器先动作，5052避雷器时隔近375 ms再次承受操作过电压和工频过电压冲击，近18 ms后避雷器吸收能量远大于其耐受能力，下节避雷器最先热崩溃，在工频过电压作用下，上节和中节避雷器内部电阻片沿面闪络，3节避雷器均压力释放动作。

5 结论

1）5052避雷器B相故障原因：多重雷诱发线路跳闸和断路器断口重击穿，导致5052避雷器短时间内多次承受雷电过电压、操作过电压和工频过电压冲击，最终引起电阻片热崩溃和沿面闪络。

2）正确选择避雷器。从解体情况分析，上节和中节避雷器个别电阻片破裂，下节避雷器完全碎裂，在遭受多重过电压冲击的特殊工况下，避雷器的释放电流超出了其承受能力。为保证电站安全运行，防止类似事故再次发生，应当选择通流能力更高、耐受能力更强或多柱并联的避雷器。

3）加强运行检测。带电测试是保证金属氧化物避雷器安全可靠运行的重要措施之一。根据规程规定，新投入电网运行的500 kV及以上电压等级的避雷器，投运后半年内测量一次运行电压下的交流泄漏电流带电测试，运行一年后，每年雷雨季前应测量一次。同时按照相关规程定期进行红外检测，发现问题及时处理，避免事故的发生。