220kV 斷路器多重雷擊故障分析

項恩新，徐肖偉，張恭源，程志萬，彭兆裕

(云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217)

0 前言

云南省是一個高原山區省份，是全國重雷擊地區之一［1］。本文研究分析了一起220 kV 線路遭受多重雷擊后導致高壓開關設備絕緣損壞的故障經過及其原因，并對相同規格的高壓開關設備進行了外絕緣瓷套試驗研究，分析了其外絕緣強度性能，提出開展高海拔云南地區開關設備沖擊電壓和工頻電壓聯合電壓試驗的必要［2－5］。

1 故障情況

某220 kV 線路斷路器遭受多重雷擊，外絕緣擊穿導致220 kV II 組母線全部失壓，斷路器為LTB245E1 型瓷柱式SF6斷路器，頂端、下端引流線法蘭盤鑄鐵位置以及斷路器瓷群表面均存在電弧嚴重燒蝕痕跡，斷路器瓷瓶上、下端連接位置曾出現電弧短路。滅弧室內檢查未發現放電分解產物，無放電跡象。

為研究故障發生原因，對發生故障的220 kV LTB245E1 型斷路器及其相同結構的110 kV LTB145E1 斷路器干弧距離進行了理論計算分析，并于對其開展了沖擊電壓與工頻電壓聯合電壓試驗。

1.1 理論計算

根據相關標準中關于海拔修正系數要求［6－7］，對于使用在海拔高于1 000 m 處的電力設備，其外絕緣在標準參考大氣條件下的絕緣水平是將適用場所要求的絕緣耐受電壓乘以海拔修正系數Ka［8］。

海拔修正系數Ka計算公式如下:

計算得2 000 米海拔修正系數為1.131。

從理論計算結果來看，二者外絕緣尺寸均不滿足2 000 m 海拔修正后空氣間隙的最小距離要求。

1.2 試驗研究

應用云南電網超高壓交直流輸變電試驗研究基地沖擊電壓發生器裝置，調整輸出波形參數為1.27/59 μs 的雷電波，其沖擊數據如表1 所示。

表1 沖擊電壓極性試驗

根據最小二乘法對表1 數據進行曲線線性擬合，如圖1、圖2 所示。

圖1 正極性沖擊電壓和干弧距離之間的擬合關系曲線

圖2 負極性沖擊電壓和干弧距離之間的擬合關系曲線

得到擬合公式為:

正極性:U50(kV)=0.476d+75

負極性:U50(kV)=0.520d+79

通過擬合公式可以看出:在2 000 m 海拔下，110 kV 斷路器滅弧室根據擬合公式得到最小干弧距離為1 210 mm，220 kV 斷路器滅弧室根據擬合公式得到最小干弧距離為2 468 mm，與理論公式所計算出的2 000 m 海拔下550 kV 雷電沖擊值所對應的空氣間隙的最小距離為1 243 mm，1 050 kV 雷電沖擊值所對應的的空氣間隙的最小距離為2 457 mm 是可比的。

為模擬實際斷路器運行情況下遭受雷擊過程，對經受出廠雷電沖擊電壓試驗合格后的110 kV LTB145E1 型斷路器進行雷電沖擊電壓與工頻電壓聯合電壓試驗。雷電沖擊電壓與工頻電壓聯合電壓試驗接線方式如圖3 所示。

圖3 雷電沖擊電壓與工頻電壓聯合電壓試驗接線圖

其中，工頻電壓施加近似運行電壓70 kV，雷電沖擊施加550 kV 的標準雷電波。為保護雷電沖擊電壓下工頻電壓發生裝置不受損壞，設置了直徑為10 cm 的保護球隙，同時，為確保70 kV工頻電壓下保護球隙不閃絡，550 kV 雷電沖擊電壓下閃絡，將間隙距離調節為25cm。試驗測試結果如表2 所示。

表2 聯合電壓試驗

試驗研究表明:即使出廠雷電沖擊電壓試驗合格的110 kV LTB145E1 型斷路器，在2000 米高海拔云南地區承受工頻運行電壓與標準雷電沖擊電壓時，斷路器外表面瓷瓶仍然發生閃絡，其絕緣性能不滿足高海拔修正系數的外絕緣強度要求。

2 故障分析

發生故障的232 斷路器外絕緣閃絡而內絕緣未擊穿，是因為當線路遭受多次重復雷擊時，雷電波沿線路傳播至變電站開關設備，根據行波理論，雷電波在處于開路的斷路器斷口處發生行波全反射［9－11］，斷路器斷口處承受的過電壓幅值將增加到侵入波電壓的2 倍，大大高于斷路器斷口雷電沖擊電壓絕緣水平，斷路器斷口外絕緣不能承受雷電入侵波及其反射波的疊加作用而優先發生閃絡，在滅弧室上下法蘭間形成放電［12－15］。若短路故障電流持續發生，將導致滅弧室上下法蘭嚴重燒毀，且由于瓷套溫度驟變的熱力效應，很有可能使得滅弧室瓷套發生爆炸，損壞其他臨近帶電設備，造成更為嚴重的后果。

值得指出的是，在開關處于分斷位、線路發生多重雷擊故障時，開關斷口除承受雷電侵入波及其反射波疊加作用外，還承受母線側工頻電壓作用，極端情況下可能遭遇與侵入波反極性的工頻電壓峰值疊加作用。因此，對于110 kV、220 kV SF6開關設備雷電沖擊和工頻耐壓現場和抽檢試驗，提出考慮雷電沖擊電壓與工頻電壓的聯合電壓試驗是必要的。

3 結束語

通過對高海拔云南地區一起雷擊至斷路器外絕緣閃絡故障原因分析及試驗研究，發現高壓開關設備存在外絕緣性能不滿足高海拔修正絕緣強度要求，線路發生多重雷擊時，高壓開關設備斷口外絕緣閃絡。因此，建議開展110 kV 及以上SF6高壓斷路器雷電沖擊電壓與工頻電壓聯合電壓試驗，以提高開關設備斷口絕緣水平。

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