多重雷击引起220kV断路器损坏的事故分析

关键词：断路器 sf6气体分解物 多重雷击 击穿

1 概述

变电站是电力系统防雷的重要保护设施，如果发生雷击事故，将造成大面积的停电，严重影响社会生产和人民生活。因此要求变电站的防雷措施必须十分可靠。

雷击的来源，一是雷直击于变电站的设备上，变电站对于直击雷的保护一般采取装设避雷针或采用沿变电站进线段一定距离内架设避雷线的方法解决。二是架空线路的雷电感应过电压和直击雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电站，是导致变电站雷害的主要原因。

保定市区附近的雷电活动属中等频度，每年在40个雷电日左右，2010年发生了因为线路遭受多重雷击导致220kv线路断路器断口内部损坏的故障。现对该故障的过程和原因做简单介绍和分析，以供参考。

2 故障经过

2.1 故障基本情况

2010年8月31日21时00分49秒受当时保定市区附近恶劣天气的影响，220kv富南ⅰ线a相遭受雷击形成瞬间接地故障，220kv南郊变电站2213断路器保护动作，跳开a相断路器，成功开断故障电流后，2213断路器a相断路器处于热备用状态。220kv南郊变电站2213断路器a相跳开156ms后，220kv富南ⅰ线a相再次遭受雷击，2213断路器a相再次出现约12ms的故障电流，220kv富南ⅰ线两套保护分别三跳、永跳出口，2213三相断路器跳开。

2.2 继电保护动作信息

0ms 220kv富南ⅰ线a相故障发生，故障电流220kv南郊变电站侧最大有效值为26ka，220kv富昌变电站侧为1.9ka。

15ms 220kv南郊、富昌变电站rcs931bm差动动作。

25ms 220kv南郊、富昌变电站psl603gc差动动作。

48ms 220kv富南ⅰ线a相故障灭弧，220kv南郊变电站2213断路器a相成功切除故障电流。

204ms 220kv南郊变电站2213断路器a相再次出现故障电流，最大有效值为18ka。

223ms 220kv南郊变电站rcs931bm非全相再故障三跳（在跳闸逻辑中）。

236ms 220kv南郊、富昌变电站psl603gc非全相再故障永跳（在差动保护逻辑中）。

252ms 220kv南郊变电站2213断路器a相故障电流自行消失。

260ms 220kv富昌变电站rcs-931bm收远跳动作三跳。

300ms 220kv南郊、富昌变电站psl603gc收远跳动作三跳。

分析表明，全部继电保护动作正确，继电保护动作时序见图1。

2213断路器为苏州areva高压电气有限公司产品2007年5月生产的gl314-252型产品，2007年11月投入运行。该220kv断路器以往试验数据合格，且未曾发生漏气等缺陷。

220kv富南ⅰ线基本参数：与220kv富南ⅱ线全线路同塔并架，2007年11月投入运行，起点为220kv富昌变电站，终点为220kv南郊变电站，共计36基杆塔，全长10.247公里，全线路无换位，导线型号为2×lgj-300/25，地线型号为opgw，jlb4-150，耐张串绝缘配置为xwp2-120 18片，悬垂串绝缘配置为fxbw-220/100，排列方式为垂直排列，相序为上部b相、中部a、下部c相，防雷保护角为设计不大于15度。

3 故障检查

3.1 变电站内检查

检修人员到达现场后，检查2213断路器外观，无异常。试验人员对2213断路器进行sf6气体分解物分析，结果发现a相h2s含量111.2μl/l，so2含量35.5μl/l，b、c两相h2s和so2含量均为零，可见a相sf6气体分解物含量远远高于b、c两相。另外，2213断路器a相sf6气体含水量为220μl/l，低于300μl/l的标准值。

3.2 线路检查

专业人员现场检查发现，220kv富南ⅰ线33号耐张塔a相引流线悬垂合成绝缘子、32号直线塔a相悬垂合成绝缘子（双串）有雷击放电痕迹，分别见图2和图3。

3.3 断路器解体检查

2213断路器返厂解体后，发现灭弧室内有大量白色粉末，见图4，并有灼烧痕迹，见图5。

4 原因分析

雷电定位系统显示故障发生时段30-33号塔落雷2次，结合外观检查、解体检查、故障录波图及sf6气体分解物测试结果，对该220kv断路器损坏原因进行分析，故障原因如下：

4.1 第一次出现故障电流

根据录波图及线路查线结果分析，220kv富南ⅰ线33号耐张塔遭受雷击造成绝缘子表面闪络，故障电流为26ka，持续时间50ms，2213断路器a相成功切除故障电流。

4.2 第二次出现故障电流

2213a相切除故障电流后约156ms（此时未达到2213断路器重合闸800ms动作出口时间，a相处于断开状态），该线路32号直线塔遭受第二次雷击，上端金属件对下端均压环直接击穿，同时雷电波通过线路传递到220kv南郊变电站内，由于雷击点与变电站距离较短，约1.2公里，雷电波衰减幅度较小，且2213断路器a相处于热备用状态，断路器外侧对于雷电侵入波来说处于无保护状态。根据行波理论，雷电侵入波在断路器断口外侧发生行波全反射[1]，所以断路器断口除承受雷电侵入波及其反射波叠加作用外，还承受母线侧工频电压作用，极端情况下可能遭遇与侵入波反极性的工频电压峰值叠加作用，造成2213断路器a相断口击穿，重新产生故障电流，两套保护分别三跳、永跳出口，跳开三相断路器。

5 预防措施

鉴于近年来保定地区雷电活动频繁的形势，提出如下改进措施：①对110kv、220kv变电站运行情况进行排查，按照《预防多雷地区变电站断路器等设备雷害事故技术措施》的指导意见逐步加装线路避雷器[2]。②根据几种避雷器的保护特性，采用性能良好的氧化锌避雷器[3]。这些线路避雷器除了能防止断口内外闪络，也可以保护母线上的其他电气设备。③利用避雷线良好的屏蔽作用防止雷电直击导线以及使最靠近变电站的杆塔具有低的接地电阻以防止反击（因为这种雷的直击和反击可以在分闸断路器断口处产生波头时间很短的过电压）等，也能显著地减少近区雷击的危害。④对于110kv、220kv sf6断路器雷电冲击和工频耐压型式试验，设备生产厂家有必要考虑断路器在分位时断口承受雷电波和工频电压作用的极端情况，提高耐雷水平。

参考文献：

[1]鲁铁成.电力系统过电压[m].北京:中国水利水电出版社， 2009.

[2]李汝彪，张东波.高压断路器雷击损坏故障分析与措施[j].高压电器，2008，44(5):466-468.

[3]周泽存.高电压技术[m].北京:中国电力出版社，2004.5: 191-198.