连续雷击引发无间隙金属氧化物避雷器热崩溃的仿真分析

2022-10-24江宇栋赵晓凤魏俊涛林福昌

电瓷避雷器 2022年5期

李谦，江宇栋，赵晓凤，魏俊涛，林福昌

(1. 广东省电力装备可靠性企业重点实验室(广东电网有限责任公司电力科学研究院)，广州 510080; 2. 华中科技大学,武汉 430074)

0 引言

连续雷击是指短时间内连续雷击或多重雷击，是自然界普遍存在的一种大气现象。观测结果显示[1-2]，大多数地闪过程是由主放电和后续回击组成的连续雷击，时间间隔在100 ms以内，回击数为2～6次约占所有连续雷击的89.53%(最多观测到40多次)，雷电流一般为负极性，幅值为5 kA～50 kA。

对于雷电侵入波，变电站出线侧开关、CT和无间隙金属氧化物避雷器首当其冲[3]，其中，位于变电站线路开关断口外的线路侧无间隙金属氧化物避雷器(包括高抗中性点避雷器)更是处于变电站的防雷前沿。南方多雷区近年来发生短时间内连续雷击侵入波引起的线路侧避雷器热崩溃和线路开关断口击穿的故障，呈现多发的态势，严重影响变电站设备的安全运行[4]；除了满足变电站设备绝缘配合要求[3]，避雷器自身在连续雷电侵入波下的运行可靠性问题，也引起了越来越多的关注。

目前，变电站绝缘配合、避雷器能量吸收和开关断口绝缘恢复强度的考核方法和标准，都是针对单次雷击或者间隔一定时间的多次雷击的工况，均未考虑连续雷击的严苛工况[3,5]。

避雷器电阻片的温升与吸收能量有密切的关系，传统的避雷器能量耐受校核是基于单次陡波或方波冲击，例如方波试验分组进行每组试品降至室温再继续试验；而实际运行中，连续雷击的回击间隔时间很短(数十毫秒)，电阻片来不及散热而被视为一个绝热系统，存在能量累积效应，在连续雷击的严苛工况下，电阻片持续发热而出现劣化，如果在此基础上承受持续的系统运行电压或振荡电压，避雷器发展为热崩溃的风险极高。因此，对于雷电活动强度大，线路遭受连续雷击侵入波过电压频次高的地区，连续雷击对无间隙避雷器能量吸收能力(通流容量)的要求较为苛刻，避雷器的能量耐受应更加严格考核[5]。

针对以上问题，笔者以某变电站高抗中性点避雷器在连续雷击下热崩溃故障作为案例，基于连续雷击侵入波下避雷器的累积能量吸收，了解连续雷击对电阻片发热和劣化的影响，为连续雷击下避雷器耐受能力校核和防护提供指导。

1 故障情况

2020年5月18日，某500 kV变电站近区雷雨天气，某同塔双回的500 kV出线因雷电绕击引发A、B相间短路故障，保护动作跳线路重合闸不动作。现场巡视发现该线路高抗中性点避雷器(以下简称“中性点避雷器”)冒烟，取下后发现已崩裂损坏。

引起相间故障的落雷，是一个由6次连续雷击组成、时间间隔在100 ms左右，共持续535 ms的地闪，除了主放电外，后续还有5个回击，见表1。考虑到连续雷击的主放电通道电导率很高，而后续回击时间间隔很短，一般情况下会共用同一个放电通道，雷击位置重合的几率较高，推断后续5次回击都击中导线，造成沿线路的两相或者单相进波。

从故障录波图看，故障线路跳闸后尽管没有电源，但一直有电压存在，其中相间故障后，线路三相电压经历约0.6 s的异常电压波动阶段，从图1的连续雷击时刻与录波图的时间对应(从上到下分别为线路三相电压和故障相电流，箭头为连续雷击时刻)看，线路电压波动与落雷时间分布强相关。

图1 录波图与连续雷击的时间对应关系

从故障中性点避雷器外观上看，崭新无异常，考虑到正常运行时高抗中性点无电压偏移，中性点避雷器基本没有荷电，可排除电阻片老化的可能性，且交接试验和预防性试验数据合格，投运2年以来的运维巡视也未发现异常[6-12]。

本次故障起始点位于变电站近区，雷电绕击引起相间故障并形成两相进波。相比于单相进波，两相进波在高抗中性点处的折反射所引起的中性点电位偏移更大[2]，可能引起中性点避雷器动作，而避雷器在短时间内(535 ms)连续吸收6次雷电回击侵入波的能量后，引发电阻片发热而出现劣化。

线路跳闸后，线路、高抗和避雷器构成孤立的系统，线路电容的静电能与高抗的磁场能交替转换，并伴随着同塔架设线路的感应耦合，期间还经受5次雷电回击的脉冲式电荷注入，激发了线路三相电压的持续振荡，在高抗中性点上出现明显的电压偏移，避雷器承受了长时间的电压负荷。尽管高抗中性点振荡电压幅值可能不高(正常的避雷器完全可以承受)，但如果劣化后的避雷器承受该振荡电压作用的时间较长，带来持续的能量供给，恶性循环，流过的续流越来越大，最终引发热崩溃。

为了定量地论证以上对中性点避雷器故障原因的推断，基于电磁暂态仿真程序PSCAD，对雷电绕击线路后的暂态过程进行仿真，计算中性点避雷器电压、电流和吸收的能量，以了解连续雷击和电磁振荡过程对中性点避雷器故障的影响程度。

2 仿真建模

2.1 仿真模型

基于电磁暂态仿真程序PSCAD，建立故障线路雷电绕击侵入波过程和电磁振荡过程的仿真计算模型[13]，见图2，主要包括线路电容、线路相间电容、时控开关模块、电源模块、变压器模块、高抗模块、避雷器模块。

图2 基于PSCAD的连续雷击侵入波过程仿真模型

目前尚无规定的连续雷击标准波形，考虑到不同雷电流波形的雷电流能量差别较大，采用以下几种典型的雷电波形对连续雷击过程进行模拟：1)GB 50057-2016《建筑物防雷设计规范》规定，首次负极性雷击为1/200 μs冲击波形，后续回击为0.25/100 μs冲击波形[14]；2)IEC 60099-4∶2006采用一种近似于正弦半波的冲击电流，其瞬时值超过5%峰值的持续时间为200 μs～230 μs[15]；3)2.6/50 μs的标准雷电流波形，传统用于定义单次雷电波[14]。

连续雷击中的单次回击持续时间较两次回击的间隔时间差3个数量级，两次回击之间的相互影响忽略不计，可对每个回击过程进行独立计算。

2.2 元件模拟

在雷电侵入波下，变压器、隔离开关、互感器等采用电容模型[2]。采用PSCAD的分布式模型对输电线路进行模拟，不仅考虑导线与地线的空间布置，也考虑同塔双回线路间存在相互的感应耦合。

故障线路两侧各安装一组高压并联电抗器(以下简称“高抗”)，高抗中性点经中性点接地电抗器和中性点避雷器入地，变电站侧高抗容量为40 Mvar/相(电感8 H)，对侧高抗容量为30 Mvar/相(电感10 H)，两侧的中性点电抗器容量均为774 kVar(电感5 H)，对于雷电侵入波暂态过程，采用电容电感的链式回路进行模拟[2]。

500 kV线路避雷器型号为Y20W-444/1106 W，中性点避雷器采用YH10W-108/281W1型110 kV避雷器，能量耐受为352 kJ(11 kJ/片，共32片)，采用PSCAD中的无间隙金属氧化物避雷器模型，手工输入制造厂提供的避雷器电阻片伏安特性。

3 仿真结果

3.1 线路跳闸后高抗中性点电压振荡过程

雷电绕击引起线路跳闸后，在线路电容和高抗组成的孤立系统中，电磁场能量转化的基础上，后续5次回击雷击侵入波间歇性地给系统注入能量，激发三相线路频率44 Hz、最高幅值达750 kV的呈衰减的长时间电压振荡，相应地引起的高抗中性点电压出现偏移，形成的振荡电压波形见图3(为严格起见，取两相侵入波的1/200 μs与0.25/100 μs雷电波形)，可以看出，高抗中性点的振荡电压频率与图1的线路振荡电压频率相同(44 Hz)，幅值可达181 kV，中性点避雷器将动作。

图3 雷电回击引起高抗中性点振荡电压的扰动波形图

3.2 中性点避雷器在连续雷击侵入波下能量吸收

不同的雷电侵入波波形下的仿真结果看出：1)两相或单相进波在高抗中性点处折反射，均引起中性点避雷器动作；2)两相进波引起的高抗中性点过电压水平比单相进波要高，可达206 kV。

中性点避雷器流过的电流和吸收的能量见表1和表2(温升由制造厂家根据电阻片参数和吸收能量计算得到，取环境温度为25 ℃)，可以看出：

1)无论是两相还是单相进波，中性点避雷器均吸收了较多能量，并引起一定的温升。

2)对于1/200 μs与0.25/100 μs的雷电波形，避雷器累计吸收能量为302.3 kJ ～401.8 kJ，达到其耐受能力(352 kJ)的水平，相应地温度达到80 ℃～100 ℃，此工况对避雷器的考核最为严重。

3)对于5%峰值持续时间230 μs的半正弦波和2.6/50 μs的单次标准雷电波下避雷器吸收总能量稍低，但也达到100 kJ的水平，温度超过60 ℃。

氧化锌电阻片呈负温度特性，随着温度升高，伏安特性将下降，由制造厂提供的避雷器参考电压随温度变化的关系，当电阻片温度超过60 ℃时，避雷器整体1 mA参考电压下降的变化率变大，出现劣化；当电阻片温度接近100 ℃时，1 mA参考电压将下降超过8%，呈现较明显的劣化特征。

由仿真计算结果，可以推断：

1)中性点避雷器短时间内吸收较多的连续雷击能量，最严重情况下，吸收能量达到避雷器设计能量耐受能力水平，足以造成避雷器严重劣化。

2)即便对于不严苛的雷电波形条件，中性点避雷器吸收能量也达到本体能量耐受能力的25%，电阻片温度达60 ℃，电阻片出现劣化趋势。

表1 1/200 μs与0.25/100 μs雷电波形下中性点避雷器电流、吸收能量和温升

表2 5%峰值持续时间230 μs的半正弦雷电波形和 2.6/50 μs标准雷电波形下中性点避雷器吸收能量

3.3 中性点避雷器流过的电流

雷击过程同时引起中性点电抗器过流保护动作，线路相间短路引起中性点电流突变并超过定值(37.8 A，有效值)，且电流维持在返回值(定值的95%)以上超过6 s并引起保护出口。

中性点电流为中性点接地电抗器和中性点避雷器电流之和，正常运行时避雷器电流几近0，实际为流过中性点电抗器的电流。

从仿真计算结果看，在持续0.6 s的连续雷击过程中，中性点接地电抗器流过的电流较大，有效值超过中性点电抗器过流保护启动值(37.8 A)，最大幅值达159 A，中性点避雷器动作且最大电流达到6.1 A；雷击过程后，随着系统电磁能量的消耗，上述电流逐渐下降。

连续雷击过程之后，中性点电抗器流过的电流为21 A(有效值)，中性点避雷器流过的电流仅为1 μA，中性点电流为21 A，低于中性点电抗器过流保护返回值(35.9 A)，中性点电抗器过流保护不可能动作。

以上与实际情况的矛盾可见，中性点避雷器状态完好的假设不成立。实际上，在吸收连续雷击能量后，电阻片出现劣化态势，伏安特性降低，即便在较低的中性点振荡电压下，劣化的中性点避雷器续流达到数十安的较高水平，以弥补中性点接地电抗器电流下降的部分，维持中性点电流高于中性点电抗器过流保护返回值。

4 中性点避雷器故障原因

中性点避雷器故障经历了两个过程：1)连续雷电侵入波下的能量吸收；2)储能元件之间电磁能量转换所激发的电压振荡。避雷器故障的起因是雷电绕击侵入波，而故障的原因，一方面是电阻片对连续雷击能量吸收能力不足，另一方面则是电阻片劣化后的避雷器承受长时间较高的振荡电压，避雷器的负担加重，续流持续增大，最终导致避雷器热崩溃。

以上分析基于事前中性点避雷器状态正常的假设，如果避雷器因密封不良受潮或者遭受连续雷击存在电阻片劣化的累积效应，情况更为严重。

事实上，故障前24天内，中性点避雷器动作5次，由于正常运行时中性点电位无偏移，避雷器基本上不承受电压，且这期间线路没有发生故障，可以肯定中性点避雷器至少经受过5次雷电绕击侵入波的冲击，且连续雷击的可能性很大，给内部电阻片的劣化带来累积效应。

相比之下，同样承受连续雷击侵入波的500 kV线路侧避雷器，仿真计算的累计能量吸收最高达到1.126 MJ，达到其通流容量(3.276 MJ)大约35%的水平，但核算的温升较低(仅18.4 ℃)；更重要的，由于故障线路被切除，后续电磁振荡过程中线路侧避雷器承受电压较运行电压低得多(最高峰值只有312 kV)，避雷器荷电较轻，对避雷器的安全运行没有影响，事后电气试验结果也证明了这一点。

绕击雷电流幅值一般较低(小于30 kA)，避雷器的能量吸收负担应处于设计能承受的范围内，然而，对于连续雷击的工况，避雷器电阻片在很短的时间间隔内来不及散热，可视为一个绝热系统，电阻片连续吸收后续雷电回击的能量后，持续发热而加速劣化，如果在此基础上承受持续的电压，避雷器发展到热崩溃的风险很高。

从本次损坏高抗中性点避雷器的外观判断，避雷器应该是承受数百毫秒到数秒时间的连续雷击侵入波导致电阻片劣化的基础上，随着系统的电磁能量持续通过避雷器泄放，避雷器的劣化将导致续流持续较大，由于线路和高抗中性点一直存在振荡电压，即便只余下同塔架设的临近线路的感应耦合，也足以维持热崩溃后的中性点避雷器流过较大的续流，这就是线路跳闸后较长时间，变电站现场巡检时发现中性点避雷器仍在冒烟的合理解释。