一起500 kV避雷器故障原因分析

杜修明， 童 涛， 龙国华， 徐碧川， 万 华， 鄢文清， 李唐兵， 王 鹏， 周友武， 童 超， 曾磊磊， 叶心平

(1.国家电网有限公司，北京 100031； 2.国网江西省电力有限公司电力科学研究院，南昌 330000； 3.国网江西省电力有限公司，南昌 330000)

0 引 言

避雷器是保护电力系统免受过电压侵害的重要电气设备，在系统发生各种类型过电压时，起到快速泄放超限电流，从而限制设备过电压的作用[1-5]。近年来，金属氧化物避雷器电阻片因具有优异的非线性、良好的通流容量和持久的抗老化能力[6-8]，已经成为电力系统主要的过电压保护设备[9-10]。

金属氧化物避雷器电阻片在运行电压下呈绝缘状态，通过的电流很小，但是若避雷器存在受潮、老化、脏污等缺陷，将导致其性能劣化，严重者甚至发生避雷器爆炸、对地短路等事件[11-13]。

掌握避雷器的内部结构，并分析其现场故障成因，对设备诊断、故障预防、标准制度起到重要作用[14-19]。本研究介绍一起雷击造成的避雷器故障案例，该案例中线路遭受多重回击雷，造成避雷器阀片温度持续上升并发生热崩溃，电磁暂态仿真重现了该电磁过程，也为避雷器的故障分析和诊断性试验提供一定经验。

1 故障概述及排查情况

1.1 故障概况

2021年7月4日18时37分，某500 kV线路C相雷击故障跳闸，重合成功。19时08分，该线C相再次故障跳闸，重合不成功跳三相。

1.2 一次设备检查

现场检查发现线路一端500 kV变电站(A站)内该线路C相避雷器压力释放喷口有烧黑痕迹，避雷器泄漏电流表及附近金属支柱有熏黑痕迹，见图1。故障避雷器型号为Y20W5-420/1046，2017年1月投运。其余一次设备及对端站(B站)内一次设备未见异常。

图1 避雷器喷口和计数器受损Fig.1 Damage to the arrester nozzle and counter

检查发现线路64号塔C相横担及横担端第2片、第8片绝缘子碗头有明显放电痕迹，第13片、第20片玻璃绝缘子爆裂。

对A站故障避雷器开展直流1 mA参考电压(U1 mA)及75%U1 mA下的泄漏电流测量。C相避雷器上中下3节均无法施加试验电压，试验不合格，A、B相避雷器试验数据合格，见表1。对C相避雷器的上中下节及底座分别进行绝缘电阻测试，结果见表2，试验结果不合格。

表1 避雷器直流试验结果Table 1 DC test results of arresters

表2 C相避雷器绝缘电阻测试值Table 2 C-phase arrester insulation resistance test value

1.3 二次保护动作情况

线路第1次跳闸线路保护情况：7月4日18时37分955毫秒，C相接地故障，48 ms后B站5022、5023 C相断路器跳闸，66 ms后A站5012、5013断路器C相跳闸，944 ms后A站5013断路器C相重合，950 ms后B站5023断路器C相重合，1 443 ms后B站5022断路器C相重合,1 451 ms后A站5012断路器C相重合。A站侧故障测距67.22 km，故障相电流1.118×4 000 A(即4.472 kA)。

线路第2次跳闸线路保护情况：第1次故障后约30分钟，7月4日19时08分21秒423毫秒，线路C相故障，55 ms后B站5022、5023C相断路器跳闸，58 ms后A站5012、5013断路器C相跳闸，937 ms后A站5013断路器C相重合于永久性故障，940 ms后B站5023断路器C相重合于永久性故障，982.5 ms后A站5012、5013断路器三相跳闸，994 ms后B站5012、5013断路器三相跳闸。A站侧故障测距0.11 km，故障相电流：1.898×4 000 A(即7.592 kA)。

1.4 故障录波及雷电定位情况

A站第一次故障录波见图2，线路C相发生单相接地故障时刻为18时37分16秒956毫秒，查阅雷电定位系统，发现此时线路有落雷，雷电流幅值48.1 kA，落雷点为63～64号杆塔，距离A站65.5 km，与线路C相64号塔上的绝缘子放电痕迹对应。C相线路跳闸后，线路上监测到多次电压波形暂态过程，出现时刻与雷电回击时刻一致，见表3。

图2 A站第一次故障录波图Fig.2 The first fault oscillogram of station A

表3 雷电定位系统与录波信息对应情况Table 3 The correspondence between the lightning location system and the recorded wave information

线路在雷击跳闸后至重合闸之前，遭受了5次雷电回击，其中第5次雷电回击为在线路上产生了毫秒级别的过电压，根据波形特征推测，该过电压疑似为A站侧断路器断口重燃引起的操作过电压。

19时08分21秒424毫秒，该线路C相再次故障，故障持续时间为40 ms，最大短路电流峰值为11.3 kA，900 ms后重合闸不成功跳三相断路器。线路第2次故障时，线路上没有落雷。

2 解体检查情况

根据试验和排查情况，现场对C相避雷器进行解体检查。避雷器由上、中、下3节组成，检查3节避雷器外瓷套，未见瓷套有放电及闪络痕迹，见图3。

图3 故障CVT电容单元Fig.3 Faulty CVT capacitor unit

检查3节避雷器压力释放装置，发现压力释放喷口盖板脱落，见图4。防爆膜已脱落，压力释放通道有严重烧黑痕迹，见图5。

图4 避雷器压力释放喷口Fig.4 Arrester pressure relief nozzle

图5 避雷器防爆膜和压力释放通道Fig.5 Arrester explosion-proof diaphragm and pressure relief channel

检查3节避雷器充气口，未见异常，见图6。

图6 避雷器充气口Fig.6 Surge arrester gas port

拆开3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，见图7。

图7 避雷器密封圈和内部金属支撑件Fig.7 Arrester seal and inner metal support

抽出避雷器阀片，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，内表面有过热熏黑痕迹，未见闪络放电痕迹，见图8。

图8 避雷器内部玻璃纤维环氧筒Fig.8 The inner glass fiber epoxy barrel of the arrester

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，见图9。避雷器阀片未见受潮痕迹。

图9 避雷器被击穿阀片Fig.9 The arrester is broken down by the valve plate

根据解体检查结果，排除了阀片受潮、玻璃纤维环氧筒绝缘性能不良等原因，判断本次故障为阀片热崩溃导致避雷器击穿。

3 原因分析

3.1 电磁暂态仿真

在ATP-EMTP软件中建立该线路第5次线路绕击过电压计算模型[20-23]，见图10。雷电流取5.2 kA，断路器断口入口电容取900 pF，CVT电容5 000 pF，架空线路采用Jmarti模型，单回布置。计算得到C相断路器断口的过电压峰值为904 kV(负极性)见图11。考虑电源侧电压峰值为408 kV，在极端情况下断口间电压最大值为1 312 kV，超过断路器操作绝缘水平(1 300 kV)。考虑到断路器开断短路电流后灭弧室温度尚高，绝缘可能未完全恢复，断路器断口此时容易发生重燃[24]。

图10 绕击过电压计算模型Fig.10 Calculation model of the overvoltage of the shielding

图11 绕击后C相断口过电压(未考虑电源侧电压)Fig.11 Overvoltage of phase-C break after shielding (without considering the voltage on the power supply side)

根据故障录波中线路C相及零序电压高频分量出现时间，判断断口重燃时刻，在高频电流第1次过零时熄灭，约二分一周波后出现第2次重燃。结合上述分析，建立线路C相断路器断口间两次重燃的操作过电压仿真模型，见图12。

图12 线路C相断路器断口间两次重击穿过电压仿真模型
Fig.12 Simulation model of the voltage through the two strokes between the breakers of the C-phase circuit breaker

根据仿真结果可知，第1次断口重燃时刻，过电压幅值约为-645 kV，第2次断口重燃时刻，过电压幅值约为1 220 kV，与故障录波值1 042 kV相差不大，见图13。其误差来源包括设备等值参数、录波采样率限制无法获得高频分量等[25-26]。

图13 故障线路断路器过电压仿真及故障录波图Fig.13 Overvoltage simulation and oscillogram record of faulty circuit breaker

3.2 避雷器吸收能量估算

根据录波图，取A站故障线路避雷器最大残压时刻2 ms时段内的平均电压950 kV用于估算。根据避雷器伏安特性曲线，查出此电压下避雷器通过的电流约10 kA，估算该避雷器在2 ms内吸收的能量约为19 MJ，远大于GB 11032-2020《交流无间隙金属氧化物避雷器》中要求的额定热能量5.9 MJ(额定电压420 kV)[27-30]。

从两侧避雷器额定电压看，B站线路避雷器额定电压444 kV(1.4 p.u.)，A站为420 kV(1.3 p.u.)，根据电阻片伏安特性，420 kV侧吸收能量占比较大，更容易发生热崩溃损坏。

4 总结

根据上述分析情况，本次避雷器故障原因为：故障线路C相雷击跳闸后，重合过程中遭受多重回击雷，侵入波在断路器断口处全反射，致使断路器断口重燃引发操作过电压，避雷器短时间内吸收的能量累积远超过其耐受值，避雷器阀片温度持续上升，最终在承受运行电压30 min后发生热崩溃故障。为防范类似故障，建议后续加强以下防范措施：

1)对多雷区线路加装线路避雷器，提升线路防雷水平。

2)综合考虑过电压耐受裕度、能量分布均衡等因素，500 kV线路侧避雷器额定电压应优先按照444 kV(1.4 p.u.)选取[31-32]。

3)避免输电线路两侧断路器长期处于热备用运行状态。