多重雷击引起500 kV线路避雷器损毁故障分析

冯志强，李籽剑，姚 尧，汪显康，付剑津，任 想，张耀东，黄俊杰

（国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077）

0 引言

500 kV架空线路是我国超高压线路的主要组成部分，其运行安全直接影响电网安全稳定［1-3］。500 kV输电线路具有运行电压高，杆塔尺寸大的显著特点，且输电通道中存在山谷、高山等容易遭受雷击的地形。因此，雷害导致500 kV 输电线路故障频繁发生，某省雷击造成输电线路跳闸占比可达30%以上［2，4］。

根据国际大电网会议统计［5］，自然界中约75%的地闪中存在多重雷击过程。多重雷击是指在雷电主放电结束后的很短时间内，沿着相同的放电通道再次发生回击的过程。文献［6］对南方电网范围内75条输电线路沿线地闪进行统计，发现28.3%的地闪极有可能为多重雷击，大部分回击次数为2次～6次，雷电流幅值多为5 kA～50 kA。文献［7］对±800 kV 宾金线浙江段线路走廊的多重雷击特征进行了分析，指出平均后续回击次数为2.6次，含8次及以上后续回击的多重雷占比近6%。文献［8］利用ADTD 雷电定位系统，对某省2007 年～2018 年的多重雷进行统计分析，发现负地闪的99%以上为7 次以下回击，8 次以上回击占比不足1%；后续回击中电流幅值小于40 kA 的累积概率为69.92%。短时间内沿同一放电路径发生的多次回击过程对输电线路本体以及断路器、避雷器等设备的安全运行构成巨大威胁，多重雷击导致输电线路断线、断路器断口击穿、重合闸失败，避雷器损坏等故障的报道屡见不鲜［9-14］。

2022 年7 月，某地区500 kV 线路发生单相接地故障，线路避雷器损毁。为查明故障原因，对雷电定位数据与故障录波进行了详细的对比分析，指出线路跳闸由包含一次主放电与7次后续回击过程多重雷绕击线路引起。本文对注入线路避雷器的能量进行估算，分析了避雷器损毁的原因。

1 事故基本情况

2022 年7 月26 日05：09：41.805，某地区500 kV 线路B相发生单相接地故障，重合闸成功，故障区段主要地形为山地，平均海拔高度为451.2 m，属于C1级雷害区；故障杆塔位于山顶，左右为斜坡，属于典型易受雷击地形，杆塔塔型为酒杯塔，杆塔接地形式为T5，三相导线水平排列，B 相与A 相装设有带串联间隙氧化锌避雷器，地线保护角为11°，塔顶装设有可控避雷针，故障前杆塔全景如图1所示。

图1 故障杆塔全景图Fig.1 Overall view of the fault tower

故障发生后，运维人员排查发现杆塔B 相（左相）氧化锌避雷器3 节主体脱落，配套绝缘子断裂后悬挂在导线上，绝缘子均压环扭曲变形，组织人员进行登杆检查，现场情况如图2所示。现场照片显示：在杆塔左侧K 节塔身与塔材表面均发现电弧烧蚀痕迹；避雷器主件端头有爆开痕迹；脱落的均压环上发现电弧烧蚀形成的孔洞；避雷器计数器外壳破损，计数显示为8次，现场开展接地电阻检测，测得杆塔接地电阻为6.5 Ω，小于设计接地电阻30 Ω，满足设计要求。通过对输电通道外部环境进行排查，可以基本排除山火、鸟害、风偏、外破等故障原因。

图2 故障后现场照片Fig.2 Photos of the site after failure

2 事故原因分析

2.1 雷电定位系统查询

根据气象部门发布数据，故障时段内该区域为大风雷雨天气，气温27 ℃～29 ℃，相对湿度99% RH，风力5级。查询雷电定位系统发现，在故障前后1 min内，故障线路附近共探测到16次落雷，其中位于故障杆塔附近的有7次，极性均为负极性，包含1次主放电与6次后续回击，其中后续第6次回击时刻与线路故障时刻完全吻合。后续回击时间间隔为66 ms～327 ms，雷电流幅值为-9.2 kA～-36.1 kA，落雷详细信息如表1所示。

表1 线路附近落雷情况Table 1 Lightning strike near the line

2.2 故障录波分析

故障相B相电流的录波如图3所示，t=0时刻为接地故障发生时刻。故障发生前B相电流基波有效值为0.26 kA，故障发生后的短路电流基波有效值为9.96 kA。从录波图中可以看出，在故障发生前的1 100 ms 内，B 相电流波形中存在数个电流脉冲尖峰。典型的电流脉冲波形如图3（b）所示，脉冲上升时间为数百µs，下降沿持续数ms，峰值为数kA。脉冲电流出现时刻与雷电定位系统记录的回击时刻完全相符，每个电流脉冲对应的雷击过程标注在图3（a）中。在后续第5和第6次回击之间，还存在一个幅值较低的脉冲尖峰，如图3（a）中虚线框所示。该脉冲尖峰应该对应1 次雷电回击过程，可能由于幅值较低所以并没有被雷电定位系统探测和记录。综合上述分析可以得出结论，B相短路接地故障是多重雷击造成，该多重雷击包括一次主放电和7次后续回击（雷电定位系统仅记录6次），总共8次雷击过程与避雷器计数器示数相符。

图3 B 相电流录波Fig.3 B-phase oscillogram

在明确故障原因为多重雷击的基础上，通过计算杆塔耐雷水平，可以进一步确定故障类型为绕击还是反击。根据规程法［15-16］，忽略线路运行电压的影响，计算得到杆塔反击耐雷水平为187.1 kA，绕击耐雷水平为15.3 kA。根据电气几何模型EGM 及击距理论［17］，计算得到绕击临界电流为56.9 kA。故障时刻雷电流幅值为18.8 kA，大于杆塔绕击耐雷水平为15.3 kA，小于绕击临界电流为56.9 kA，满足绕击条件。结合现场巡视情况、雷电定位系统数据、故障录波分析与耐雷水平计算，可以断定本次故障为一次多重雷绕击B 相导线引起的单相接地故障。

2.4 避雷器损毁原因分析

孝狮线上安装避雷器为带串联间隙避雷器，正常工况下线路电压主要由串联间隙承受，避雷器本体基本不承受电压，因此泄漏电流可以忽略。事故对非故障相（A相）的YH20CX-396/1050型金属氧化物避雷器取样，并对每一节进行检测，检测结果如表2所示。其中，直流参考电压、泄漏电流、局放量等重要指标均符合《GB 11032-2010 交流无间隙金属氧化物避雷器》标准要求，排除了正常工作电压下避雷器本体泄漏电流过大从而导致热崩溃的可能性。故障录波表明，线路避雷器承受6次雷电流，在第7次雷电流冲击下本体发生破损，导致线路对塔身放电并引起单相接地故障，因此判断雷电流是导致避雷器破损解体的主要原因。

表2 非故障相避雷器检测结果Table 2 Test results of non-fault phase arresters

脉冲电流冲击下避雷器吸收的能量可以由式（1）进行估算。

式（1）中，ur（t）为避雷器残压，i（t）为注入避雷器的瞬时电流。对于本次故障中的500 kV线路避雷器，主放电和后续6次回击过程中线路避雷器吸收的能量如图4所示，由于雷电定位系统仅定位了6次后续回击（实际应有7次），因此按照6次回击进行计算，计算结果偏宽松。根据标准《GB 11032-2010 交流无间隙金属氧化物避雷器》，500 kV 线路避雷器需通过长持续时间电流冲击（方波电流冲击）试验。试验中对避雷器本体施加18次1.2 kA峰值2 ms的方波电流冲击，3次为1组，每次时间间隔为50 s～60 s，相邻组之间需待避雷器冷却至室温。可以将连续3次方波电流冲击的吸收能量7 560 kJ作为避雷器额定耐受能量［6］。由于3次方波电流脉冲之间存在50 s～60 s的冷却时间，因此7 560 kJ的校核标准偏宽松。

图4 避雷器吸收能量Fig.4 Absorbed energy of the arrester

根据计算结果，B 相氧化锌避雷器故障前共计吸收能约11 000 kJ，大幅超出一般500 kV线路避雷器方波耐受能量7 560 kJ，避雷器吸收能量严重过载。在1 s 的时间内，大量能量注入避雷器，氧化锌阀片温度急速上升［18-19］。一方面，由于温升带来的热效应加剧，氧化锌阀片电性能参数和耐受冲击能力发生改变，导致避雷器的电气性能降低［20］；另一方面由于电流集中分布产生的焦耳热不能及时传递，氧化锌阀片温度梯度较高，阀片在较大热应力可能发生破损［21］。最终，在后续第6 次回击的冲击下，整支避雷器崩溃进而发生严重损毁，失去了吸收雷电流和抑制雷电过电压的能力，导致B 相导线通过损毁的避雷器主体对塔身放电，引发单相接地故障。

3 结语

针对2022 年7 月某地区500 kV 线路发生的避雷器损毁故障，结合雷电定位数据对故障录波进行了详细分析，指出本次故障是多重雷绕击B 相导线引起。该次多重雷击包括1次主放电与7次后续回击过程，回击电流可达36.1 kA，与主放电相当。对注入线路避雷器的能量进行估算，发现多重雷击注入避雷器的能量可达避雷器耐受值的2 倍，明确了热击穿是造成避雷器损毁的主要原因。

相较于单次雷击，多重雷击对线路避雷器能量吸收能力的要求更为严苛。在多重雷击风险较高地区，应考虑在避雷器选型过程中适当提高避雷器的通流能力。此外，虽然线路避雷器通过了额定短路电流型式试验，但在本次故障中线路避雷器脱离安装位置和范围，发生破坏性爆炸，表明试验标准要求不严谨，试验方法不完全等效，建议开展相关研究，进一步完善针对多重雷击的避雷器能量吸收能力的校核方法。