淺析一起雷擊引起諧振過電壓造成并聯電抗器損壞的原因分析

(云南省電力投資有限公司,云南昆明 650028)

0 引言

電抗器是在電路中用于限流、穩流、無功補償、移相等的一種電感元件，而并聯高電抗器：在高壓遠距離輸電系統中，是用于補償線路電容性充電電流，抑制輕負荷時線路末端電壓升高，并抑制操作過電壓，從而降低系統絕緣水平，保證線路可靠運行。

我公司某電廠裝機容量2×600MW，以單回500kV電壓等級送出（4×LGJ-400/50導線），送出線路原可研階段設計線路全長238公里，考慮未來發展需要，電廠側出線設計為同塔雙回（約3公里），可研階段電磁暫態研究：電廠側出線端需安裝90Mvar并聯高壓電抗器，為限制線路潛供電流[2-3]和恢復電壓及避免非全相運行時出現工頻諧振過電壓，需在并聯高壓電抗器的中性點安裝中性點接地電抗器（阻值：900±10%Ω）；電廠建成投產時，500kV線路實際“π”入了原路徑中間規劃的500kV變電站，500kV線路實際全長由223公里變為了119公里。

1 故障前運行方式

電廠單機運行（負荷380MW），500kV升壓站為標準方式運行，500kV出線帶并聯高壓電抗器運行，500kV I母、II母線合環運行，如圖1所示。

2 故障現象

2019年3月30日，電廠出線側45號塔A相小號側右串絕緣子被雷擊（距離電廠17.3公里），線路A相跳閘，在等待重合閘過程中，500kV線路出現接近正玄波的疑似非全相諧振過電壓和線路出現再次雷擊產生過電壓，造成出線側并聯高壓電抗器A相中下部線圈被擊穿、中性點避雷器及計數器損壞。故障回路示意圖如圖2。

圖2 （故障回路示意圖）

3 保護動作及動作次序情況

01：32：41：451（即：0ms）電廠500kV線路光纖分相差動保護動作，線路兩側A相斷路器跳閘，電廠和對側的線路的主一、主二接地距離I段保護、縱聯距離保護啟動，并啟動單相重合閘。

01：32：42：154（即：故障后703ms）500kV線路A相出現接近正玄波的過電壓（峰值達1295kV，有效值915kV），詳見圖3的錄波圖。

01：32：42：346（即：故障后895ms）500kV線路A相再次出現尖頂波過電壓，詳見圖3的錄波圖。

01：32：42：421（即：故障后970ms）500kV線路對側A相重合閘成功。

01：32：42：520（即：故障后1070ms）電廠500kV線路并聯高壓電抗器A相重瓦斯和壓力釋放閥動作，溝通三跳，500kV線路斷路器三相跳閘，并閉鎖重合閘。

01：32：42：568（即：故障后1117ms）500kV線路對側斷路器三相跳閘。

01：32：42：815（即：故障后1364ms）電廠#1機組發電機保護屏A、B柜零功率保護動作停機，廠用電全失。

4 錄波圖分析

從圖3的錄波圖的500kV線路錄波圖來看，500kV線路A相在700ms和900ms左右時先后出現兩次過電壓，峰值均接近1300kV。第一次過電壓波形為近似于正玄波的電壓波形、時長約3個周波，第二次過電壓波形為類似于雷擊過電壓的尖頂波形、時長約1/2個周波；且線路持續出現了幅值約850kV的3U0電壓。另外，從圖3的500kV線路錄波圖來看，在約1070ms時并聯高壓電抗器A相和中性點（3I0零序電流）處出現了幅值高達6400A短路電流，說明此時發生了短路故障。具體如圖3。

圖3 （A相重合閘等待時間內的疑似諧振過電壓、電流波形圖）

5 故障原因分析

（1）中性點避雷器及計數器損壞原因。從故障后的檢查中，發現電廠全廠避雷器及計數器接地端與接地線接頭均為頭對頭焊接，且已出現部分焊接開焊或脫落，按規范要求均須采用搭接焊接，每年雷雨季節前進行全面檢查和測試導通電阻。因此，電廠本次500kV線路A相雷擊跳閘后，線路處于非全相運行，線路出現約850kV的3U0電壓，由于并聯電抗器中性點避雷器及計數器的接地不良，是電抗器中性點避雷器及計數器損壞的直接原因。

（2）并聯高壓電抗器A相損壞原因。電廠在設計階段進行了500kV線路電磁暫態研究，并在并聯高壓電抗器中性點裝設了小電抗器來限制潛供電流和恢復電壓的幅值及防止諧振過電壓的產生，且電廠建設時亦按設計安裝了中性點小電抗器。但本次500kV線路A相在17公里處被雷擊跳閘后，線路處于非全相運行，此時引起系統的感抗（XL）、容抗（XC）等參數與設計時的組合存在不吻合的變化，在等待A相重合閘過程中（從圖3的錄波圖來看），確實出現了B、C兩相通過相間電容耦合和電磁感應等作用，在已斷開的A相線路上產生了接近工頻的疑似非全相諧振過電壓；并900ms左右時500kV線路A相又再次出現了類似雷擊的雷電過電壓，加之電廠側并聯高電抗器中性點避雷器在第一次雷擊時已損壞。雖電廠并聯高壓電抗器設計的短時承受雷擊過電壓為1550kV、操作過電壓為1175kV、感應過電壓為680kV。但本次500kV線路A相的疑似非全相諧振過電壓幅值高達1300kV，持續時間近3個周波，再加后續的疑似雷擊過電壓再次作用，從而造成并聯高壓電抗器的A相中下部線圈薄弱點被擊穿放電，在970ms時對側A相重合閘成功后，大約在1070ms時并聯高壓電抗器的A相出現了短路故障（可從圖3中的A相電流可明顯判斷出，此時A相發生了短路故障看出，且短路電流幅值達6400A），使A相電抗器內的變壓器油在電弧和大電流作用下快速分解，產生大量氣體，造成重瓦斯、壓力釋放閥、匝間短路保護動作，從而使A相電抗器損壞。

6 防范措施

（1）加強接地系統及接地裝置的工程質量監督和例行檢查。對接地系統、接地裝置進行全面梳理和排查，對于接地系統的接地扁鐵間、接地扁鐵與設備間的鏈接、轉接或轉彎等接頭部位，以及避雷器、中性點的接地，按規程、規范等要求，必須采用搭接焊接，搭接長度不低于扁鐵寬度的2倍（圓鋼不低于直徑的6倍）、焊接不少于三面焊接[4]，不滿足要求的進行限期整改。

（2）加強防雷設備日常維護和檢查，每年雷雨季節前完成相關試驗、電阻測試和全面檢查工作。

（3）由于近年電力系統發展較快，電力系統參數存在原設計參數與項目投產時的實際參數發生較大變化的可能，對于存在電磁暫態影響的高壓、超高壓和特高壓系統，應根據項目實際情況的變化，必要時組織對原線路電磁暫態研究成果進行重新復核。