500 kV 潭广Ⅰ线C 相线路避雷器击穿事件仿真分析

李博江，叶 倩

（1.国网江西省电力有限公司电力科学研究院，江西 南昌 330096；2.江西中医药大学，江西 南昌 330004）

0 引言

如今，500 kV 超高压电网现在已经成为中国电网的主网架，但500 kV 电网网架故障也时有发生，且故障原因多种多样[1-10]。500 kV 网架如果发生故障，必将严重影响电网的安全稳定运行[11-16]，造成大面积的用户停电。因此500 kV 电网故障原因分析与处理是非常重要的。

2021 年7 月4 日，江西电网500 kV 潭广I 线发生跳闸2 次，第1 次跳闸重合成功，第2 次跳闸重合不成功。该起跳闸事件引起了较大规模、较长时间的用户停电，国网江西省电力有限公司立即组织各单位进行故障处理、原因分析等工作。这次故障跳闸原因比较复杂，笔者将在文中对其进行详细论述。

1 故障过程

2021 年7 月4 日18 时37 分，江西省检生产指挥中心调度集控班监屏发现江西电网500 kV 潭广I 线C 相故障跳闸，重合闸动作，重合成功。潭埠变、广丰变运维人员现场检查发现500 kV 潭广I 线间隔（潭埠、广丰）现场设备正常，线路双套主保护正确动作，故障测距为潭埠变侧30.23 km、广丰变侧64.16 km，查询雷电定位系统显示雷击范围在59～65 号杆塔附近。

2021 年7 月4 日19 时08 分，江西省检生产指挥中心调度集控班监屏发现500 kV 潭广I 线C 相故障跳闸，重合闸动作，重合不成功跳三相。潭埠变、广丰变运维人员现场检查潭埠变潭广I 线间隔一、二次设备无异常，发现广丰变潭广I 线线路避雷器C 相中下瓷瓶连接处有烧灼痕迹。潭埠变A 套保护测距94.41 km，B 套保护测距91.648 km，故障录波测距为94.132 km，现场天气雷雨。广丰变A 套保护测距0.25 km，B 套保护测距2.09 km，故障录波测距为0.116 km，现场天气雷雨。

2 解体检查情况

2021 年7 月9 日，国网江西电科院、国网江西检修公司和设备厂家在江西省昌南检修中心对故障避雷器进行了解体检查。

1）避雷器由上、中、下三节组成，检查三节避雷器外瓷套，未见瓷套有放电及闪络痕迹。

2）检查三节避雷器压力释放装置，发现压力释放喷口盖板脱落，且防爆膜已脱落，压力释放通道有严重过流烧黑痕迹。

3）拆开三节避雷器上下密封件，密封圈完好，未见变形。检查内部金属部件，未见受潮痕迹。

4）将避雷器阀片抽出，仔细检查避雷器内部玻璃纤维环氧筒，玻璃纤维环氧筒外表面未见异常，但内表面有过热烧黑痕迹，没有闪络痕迹，根据检查情况可以排除环氧筒发生放电击穿情况。

5）通过检查避雷器阀片，发现避雷器阀片受损严重，阀片表面全部有过热烧蚀痕迹。中节避雷器相对完好，上下节避雷器大部分阀片击穿破裂，如图1所示。避雷器阀片未见受潮痕迹。

图1 500kV潭广Ⅰ线C相线路避雷器

3 故障录波及雷电定位情况

3.1 第一次跳闸

2021 年7 月4 日18 时37 分16 秒，潭广Ⅰ线C 相发生接地故障，线路主保护动作两侧断路器C 相跳闸，故障持续时间为47 ms，最大短路电流峰值为9.2 kA。跳闸后800 ms，重合闸动作，潭广Ⅰ线双侧断路器C相重合。

C 相发生单相接地故障时刻为18:37:16，查阅雷电定位系统，发现此时线路上有落雷，雷电流幅值48.1 kA，落雷点为63～64号杆塔，距离广丰变距离为65.5 km。C 相线路跳闸后，线路上监测到多次电压波形畸变及电压抬升，出现时刻与雷电回击时刻一致。

潭广Ⅰ线第1 次雷击跳闸后，潭广Ⅰ线两端开路。由录波图可知，跳闸后潭广Ⅰ线电压约为0，表明潭广Ⅰ线雷击故障点电弧未熄灭（潜供电流影响）。根据雷电定位系统数据，在潭广Ⅰ线重合闸之前潭广Ⅰ线共遭受5次雷电回击，前4次雷电回击，线路上未出现过电压，表明雷电流通过雷击故障点入地。在第5 次雷电回击前，潭广Ⅰ线出现56 kV 左右的恢复电压，表明此时接地电弧已熄灭。500 kV 潭广Ⅰ线第一次跳闸故障录波如图2所示。

图2 第一次跳闸故障录波

3.2 第二次跳闸

19 时08 分21 秒，500kV 潭广Ⅰ线两侧主保护再次动作C 相跳闸。根据录波情况可以确定潭广Ⅰ线C 相发生单相接地故障，故障持续时间为40 ms，最大短路电流峰值为11.3 kA。800 ms后重合闸不成功跳三相断路器。潭广Ⅰ线第2 次故障时，线路上没有落雷。潭广Ⅰ线第1 次故障重合成功至第2 次跳闸期间，5 km 线路走廊内共有230 次雷击（包含回击），落雷集中在1-97号塔。

4 避雷器故障击穿原因初步分析

从故障过程、故障录波及雷电定位情况可以看出，第二次跳闸时（即避雷器彻底击穿接地），潭广Ⅰ线并未遭受雷击，雷击是在避雷器故障前发生的，所以避雷器阀片击穿并非因为雷击导致，有可能是该500 kV系统中的某种内部过电压导致的。

从图2 可以看出，当500 kV 潭广Ⅰ线遭受第5次雷击后，C 相电压呈现出较高幅值的暂态过电压，该暂态过电压持续时间较长，这不是雷电过电压（因为雷电过电压持续时间非常短，为μs 级别），而是某种过渡过程中产生的暂态过电压，C 相线路避雷器很有可能是在这个暂态过电压下慢慢损坏的。

下面我们将通过ATP 电磁暂态仿真来还原500 kV 潭广Ⅰ线第5次雷击时的状态，找出究竟是何种过渡过程产生了这种暂态过电压。

5 仿真分析

在电磁暂态仿真软件ATP 中搭建500 kV 潭广Ⅰ线及所连接变电站的系统模型，如图3所示。

图3 ATP 500 kV潭广Ⅰ线系统模型

500 kV 系统等效阻抗为2.5∠84°Ω，500 kV 潭广Ⅰ线模型为LCC 输电线路模型，在ATP 模型中令t=54 ms时，有一幅值为20 kA的雷电流侵入500 kV潭广Ⅰ线A相。潭广Ⅰ线C相线路断路器用压控开关元件模拟，将断路器重燃起弧电压设为700 kV，断路器初始状态为断开状态，只有在断路器两端电位差达到700 kV才会闭合断路器，以模拟潭广Ⅰ线在第1次跳闸至重合成功之间的状态。仿真时长为100 ms。500 kV潭广Ⅰ线C 相电压仿真结果如图4所示，500 kV 潭广Ⅰ线C相线路断路器两端电位差如图5所示。

图4 500 kV潭广Ⅰ线C相电压

图5 500 kV潭广Ⅰ线C相线路断路器两端电位差

从图4、图5可以看出，在500 kV潭广Ⅰ线遭受雷击前，C相电压为感应电压，约为56 kV。在t=54 ms时（即第5 次雷击），20 kA 雷电流侵入500 kV 潭广Ⅰ线A 相。从图4 可以看出，潭广Ⅰ线C 相出现了较高幅值的暂态过电压，幅值达到500 kV左右。从图5可以看出，在雷电波侵入前，500 kV 潭广Ⅰ线C 相线路断路器两端电位差幅值为463 kV，未超过断路器重燃阈值（700 kV），故断路器维持在断开状态，两端电位差稳定；雷电侵入后（t≥54 ms），可以看到C 相断路器两端电位差已达到甚至超过了700 kV，断路器开始重燃起弧，断路器两端电位差进入暂态振荡过渡过程。

可以看到，C 相电压和C 相断路器两端电位差的暂态过渡过程相互对应，C 相幅值达到500 kV 的暂态过电压正是由C 相断路器反复熄弧重燃的变化过程导致的，并且可以从图4 中看到，C 相暂态过电压的衰减速度较慢，持续时间较长，和实际波形相符。

6 避雷器崩溃击穿原因分析及故障状态演变过程描述

因此，可以得出结论：在第5 次雷击后，C 相线路断路器进入反复重燃熄弧的状态，使得C 相线路（负荷侧）产生了幅值较高、持续时间较长、衰减较慢的暂态过电压，C 相线路避雷器长时间处在这种暂态过电压下，避雷器阀片承受不住，但并没有立马击穿，而是逐渐崩溃，重燃熄弧过程一直持续到C 相重合闸开启，这时断路器反复重燃熄弧过程结束，C 相线路电压恢复到正常工频电压，但此时避雷器阀片因为之前的暂态过电压已经进入逐渐崩溃状态，阀片在线路工频正常电压下继续崩溃，直至彻底击穿接地，引起了第二次跳闸，这时因为避雷器阀片已经彻底击穿，已成永久接地状态，故线路第二次跳闸，且重合闸失败。

7 结语

文中使用ATP 电磁暂态仿真软件搭建了500 kV 潭广Ⅰ线系统模型，模拟了第5 次雷击时系统呈现出的状态，通过仿真计算发现系统产生了一种幅值较高，持续时间较长，衰减速度较慢的暂态过电压，并详细分析了该暂态过电压的产生原因。结合仿真分析结果，得出了500 kV 潭广Ⅰ线C 相线路避雷器崩溃击穿原因（即避雷器在该持续时间较长、幅值较高的暂态过电压下进入崩溃状态，而后又在正常工频电压下彻底击穿），并详细描述了第5 次雷击后至第二次跳闸的整个动态演变过程。