項恩新,徐肖偉,張恭源,程志萬,彭兆裕
(云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院,昆明 650217)
云南省是一個高原山區(qū)省份,是全國重雷擊地區(qū)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(guān)設備絕緣損壞的故障經(jīng)過及其原因,并對相同規(guī)格的高壓開關(guān)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(qū)開關(guān)設備沖擊電壓和工頻電壓聯(lián)合電壓試驗的必要[2-5]。
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(xiàn)電弧短路。滅弧室內(nèi)檢查未發(fā)現(xiàn)放電分解產(chǎn)物,無放電跡象。
為研究故障發(fā)生原因,對發(fā)生故障的220 kV LTB245E1 型斷路器及其相同結(jié)構(gòu)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(lián)合電壓試驗。
根據(jù)相關(guān)標準中關(guān)于海拔修正系數(shù)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(shù)Ka[8]。
海拔修正系數(shù)Ka計算公式如下:
計算得2 000 米海拔修正系數(shù)為1.131。
從理論計算結(jié)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。
應用云南電網(wǎng)超高壓交直流輸變電試驗研究基地沖擊電壓發(fā)生器裝置,調(diào)整輸出波形參數(shù)為1.27/59 μs 的雷電波,其沖擊數(shù)據(jù)如表1 所示。
表1 沖擊電壓極性試驗
根據(jù)最小二乘法對表1 數(shù)據(jù)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(guān)系曲線
圖2 負極性沖擊電壓和干弧距離之間的擬合關(guān)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(jù)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(jù)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(jīng)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(lián)合電壓試驗。雷電沖擊電壓與工頻電壓聯(lián)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(lián)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(fā)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(diào)節(jié)為25cm。試驗測試結(jié)果如表2 所示。
表2 聯(lián)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(qū)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(fā)生閃絡,其絕緣性能不滿足高海拔修正系數(shù)的外絕緣強度要求。
發(fā)生故障的232 斷路器外絕緣閃絡而內(nèi)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(guān)設備,根據(jù)行波理論,雷電波在處于開路的斷路器斷口處發(fā)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(yōu)先發(fā)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(xù)發(fā)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(fā)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(guān)處于分斷位、線路發(fā)生多重雷擊故障時,開關(guān)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(cè)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(guān)設備雷電沖擊和工頻耐壓現(xiàn)場和抽檢試驗,提出考慮雷電沖擊電壓與工頻電壓的聯(lián)合電壓試驗是必要的。
通過對高海拔云南地區(qū)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(fā)現(xiàn)高壓開關(guān)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(fā)生多重雷擊時,高壓開關(guān)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(lián)合電壓試驗,以提高開關(guān)設備斷口絕緣水平。
[1]馬御棠,王磊,馬儀,等.云南高海拔地區(qū)雷電活動分布規(guī)律的研究[J].電瓷避雷器,2012,03:46-50.
[2]王森,何立柱,于義亮,等.特高壓交流斷路器斷口聯(lián)合加壓試驗方法研究[J].陜西電力,2010,12:19-23.
[3]張小勇,王建生,李強,等.特高壓設備絕緣試驗所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)[J].高壓電器,2014,50 (02):1-5.
[4]張小勇,賈濤,王韻,等.特高壓電器設備絕緣試驗技術(shù)研究[J].高壓電器,2007,43 (02):106-108.
[5]孟崢崢,鐘磊,呂亮,等.斷路器聯(lián)合加壓試驗的建模與仿真[J].高壓電器,2010,46 (01):32-34.
[6]GB/T 311.1- 1997,高壓輸變電設備的絕緣配合[S].1997.
[7]GB/T 16927.3-2010,高電壓試驗技術(shù) 第3 部分:現(xiàn)場試驗的定義及要求[S].2010.
[8]GB/T 11022-2011,高壓開關(guān)設備和控制設備標準的共同技術(shù)要求[S].2011.
[9]錢海,邱慧敏,別睿,等.500 kV 斷路器多重雷擊事故分析[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2014,8 (05):20-23.
[10]郝建成,張軍陽,田勇,等.線路遭受連續(xù)雷擊造成斷路器事故分析[J].高壓電器,2010,46 (10):105-108.
[11]劉兆林.雷擊引起的高壓斷路器故障分析[J].高壓電器,2009,45 (03):66-69.
[12]彭向陽,鐘定珠,李凱曼,等.220 kV 線路多重雷擊導致兩側(cè)開關(guān)斷口絕緣擊穿分析[J].高壓電器,2009,45 (5):146-148.
[13]陳錦清,李端姣,江健武,等.熱備用狀態(tài)線路斷路器雷擊事故分析[J].高電壓技術(shù),2001,05:69-71.
[14]丁文俊,林建欽,王正國,等.二起斷路器遭受雷擊損壞的事故分析[J].浙江力,2009,28 (03):69-71.
[15]李長益,徐毅林.兩起多重雷擊引起的220 kV 斷路器斷口瓷套外閃的分析[J].華東電力,2005,33 (03):38-40.