500 kV 線路瓷絕緣子雷擊斷串故障分析

李 岳，周路遙，李 特，邵先軍，初金良，高 磊

（1.國網(wǎng)甘肅省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，蘭州 730000；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；3.國網(wǎng)浙江省電力有限公司麗水供電公司，浙江 麗水 323000）

0 引言

瓷質(zhì)絕緣子因其具有良好的耐熱和抗老化性能，成為使用最早和最廣泛的絕緣子[1]。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，受機(jī)電聯(lián)合作用，絕緣子的絕緣性能和機(jī)械性能會下降，產(chǎn)生低零值等劣化現(xiàn)象[2-3]。當(dāng)劣化絕緣子串遭受工頻閃絡(luò)或雷擊時(shí)，強(qiáng)電流通過絕緣子內(nèi)部，使溫度急劇升高，在瓷件和鐵帽結(jié)合處產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力和熱應(yīng)力，導(dǎo)致鐵帽炸裂或脫開，從而引發(fā)斷串故障[4-6]。本文針對一起500 kV 線路瓷絕緣子雷擊斷串故障，結(jié)合雷電監(jiān)測定位系統(tǒng)、線路分布式故障診斷系統(tǒng)及絕緣子試驗(yàn)情況對線路耐雷水平及絕緣子破壞型式進(jìn)行了分析，可為線路運(yùn)行維護(hù)提供一定的借鑒。

1 線路故障基本情況

2019-04-23 T 18：44：16，某500 kV 線 路C相跳閘，重合失敗。故障現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，該線路89 號塔C 相絕緣子單串?dāng)嗔?，鋼帽掉落，絕緣子串?dāng)嗔烟幍母邏簜?cè)、低壓側(cè)及表面存在放電痕跡，如圖1 所示。

圖1 故障現(xiàn)場情況

此線路通道主要位于山區(qū)，沿線地形為：平地占10%，山地占60%，高山占30%。該區(qū)域氣候類型為亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛，溫暖濕潤，多年年均氣溫18.5 ℃，年降水量1 407 mm以上。故障時(shí)段該線路區(qū)段為雷雨天氣，氣溫在19～31 ℃間，西南風(fēng)5 級，相對濕度為92%，降水量為20 mm，氣壓為1 004 hPa。

故障點(diǎn)位于89 號塔，該塔為單回路直線塔，塔頭布置型式為“IVI”，采用盤型懸式瓷質(zhì)絕緣子，為160 kN 單聯(lián)Ⅰ型懸垂串，故障區(qū)段詳細(xì)參數(shù)見表1。

表1 故障區(qū)段詳細(xì)參數(shù)

2 線路故障監(jiān)測情況

2.1 雷電監(jiān)測情況

雷電監(jiān)測定位系統(tǒng)顯示線路跳閘時(shí)刻前后1 min 內(nèi)線路通道兩側(cè)1 km 范圍內(nèi)共有4 處落雷，見表2。其中，18：44：15.089 時(shí)刻的落雷電流大小為-20.3 kA，與線路跳閘時(shí)刻及區(qū)段吻合。

2.2 線路分布式故障診斷情況

線路分布式故障診斷系統(tǒng)能夠記錄故障發(fā)生時(shí)的工頻電流、行波電流波形[7]：故障時(shí)刻線路C 相跳閘，重合不成功，故障前后的工頻電流波形如圖2（a）所示；故障時(shí)刻高頻電流行波主波頭電流上升比較陡，波尾持續(xù)時(shí)間小于20 μs，且電流幅值較大，主波前無反極性脈沖，符合雷電繞擊故障特征，如圖2（b）所示。

表2 雷電監(jiān)測情況

圖2 故障時(shí)刻線路分布式故障診斷情況

3 線路耐雷水平分析

結(jié)合雷電定位系統(tǒng)、分布式故障診斷系統(tǒng)及故障現(xiàn)場巡視情況，可初步判斷本次故障跳閘由雷擊引起。因此，基于ATP-EMTP 仿真平臺建立了故障桿塔多波阻抗模型及雷擊仿真模型[8]。耐雷水平分析表明：C 相繞擊耐雷水平隨雷擊時(shí)刻的線路工頻電壓相角而變化，仿真計(jì)算平均繞擊耐雷水平約為13.9 kA，如表3 所示。

表3 繞擊耐雷水平仿真結(jié)果

當(dāng)雷電流大小為-20.3 kA，且雷擊時(shí)的電壓相角為0°時(shí)，線路各相絕緣子串兩端電壓波形如圖3 所示，可見此時(shí)C 相承受了較強(qiáng)的的雷擊過電壓。

圖3 雷擊過電壓波形

線路桿塔繞擊計(jì)算可采用電氣幾何模型法[9]：分別以避雷線和導(dǎo)線為圓心，以擊距為半徑作兩個(gè)圓弧，這兩個(gè)圓弧交于F 點(diǎn)；再在離地面高度為βrs 處作一水平線與以D 為圓心的弧交于G點(diǎn)。由圓弧C1，C2和直線C3在沿線路方向形成一個(gè)曲面，此曲面叫作定位曲面。在雷電流為I 的先導(dǎo)未到定位曲面之前，其發(fā)展不受地面物體的影響。若I 的先導(dǎo)落在C1弧面上，則雷擊避雷線；若落在C2弧面上，則雷繞擊于導(dǎo)線上；若落在C3面上，則雷擊大地。因此C2稱為繞擊暴露面。計(jì)算得到該基塔C 相的最大繞擊雷電流幅值約為79.93 kA。由于故障塔位于山區(qū)，存在一定的地面傾角，且故障相位于邊相，遭受雷電繞擊的概率較大。

圖4 電氣幾何模型

根據(jù)上述分析計(jì)算，可確定本次故障跳閘發(fā)生時(shí)線路C 相遭受了雷電流大小為-20.3 kA 的繞擊。此時(shí)避雷線的屏蔽保護(hù)失效，雷電繞過避雷線直擊于導(dǎo)線，雷電流經(jīng)雷擊點(diǎn)注入導(dǎo)線，并沿導(dǎo)線兩側(cè)傳播。

4 絕緣子斷串原因分析

4.1 絕緣子試驗(yàn)情況

對比現(xiàn)場絕緣子破壞型式，低零值絕緣子引發(fā)斷串的可能性較大，在實(shí)驗(yàn)室對絕緣子進(jìn)行絕緣電阻測試、工頻耐壓試驗(yàn)、溫度循環(huán)與孔隙性測試，以及機(jī)械破壞負(fù)荷測試[10]。

（1）絕緣電阻測試

對于500 kV 及以上線路，盤型懸式絕緣子絕緣電阻低于500 MΩ 的被認(rèn)為是發(fā)生劣化的低零值絕緣子[11]。對C 相絕緣子（故障相）、A 相絕緣子（非故障相）采用5 000 V 進(jìn)行絕緣電阻測量，試驗(yàn)結(jié)果顯示：C 相絕緣子存在4 片低零值絕緣子，分別為33.0 MΩ，23.2 MΩ，41.1 MΩ，8.56 MΩ；A 相絕緣子無低零值絕緣子存在，但存在一片700 MΩ 的絕緣子。

（2）工頻耐壓測試

對A 相單片絕緣子施加60 kV 工頻電壓并耐受1 min，結(jié)果顯示A 相所有絕緣子均成功耐受[12]。對C 相低零值絕緣子進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn)，該試品絕緣電阻值為23.2 MΩ，當(dāng)加壓至23.4 kV 時(shí)流過試品的電流值已達(dá)57.1 A，判斷其內(nèi)部絕緣已出現(xiàn)明顯劣化。

（3）溫度循環(huán)、孔隙性測試

選取7 片A 相絕緣子進(jìn)行溫度循環(huán)、孔隙性試驗(yàn)，結(jié)果均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[13]。

（4）機(jī)械破壞負(fù)荷測試

選取3 片A 相絕緣子進(jìn)行機(jī)械破壞負(fù)荷測試，A 相為與斷串相同批次的160 kN 絕緣子，對3 片試品施加至100%額定機(jī)械負(fù)荷后均未發(fā)生破壞。

4.2 絕緣子破壞型式

故障盤型懸式瓷絕緣子的鋼帽與瓷件完全分離，同時(shí)鋼帽內(nèi)部有明顯氧化發(fā)黑痕跡，判斷絕緣子盤內(nèi)部炸裂并脫開。對于低零值絕緣子，由于絕緣子頭部瓷件存在細(xì)微裂紋等缺陷，隨著運(yùn)行中潮氣的侵入，絕緣子頭部瓷件絕緣電阻降低，一旦絕緣子串遭受雷擊或其他原因造成的閃絡(luò)，由于瓷件頭部電阻較小、沿傘盤放電距離較長電阻較大，導(dǎo)致大部分工頻續(xù)流能量從絕緣子頭部瓷件內(nèi)放電通道泄放，使其溫度急劇升高，在瓷件和鐵帽結(jié)合處產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力和熱應(yīng)力，導(dǎo)致鐵帽炸裂或脫開，從而引發(fā)斷串故障，如圖5 所示。

圖5 頭部缺陷瓷絕緣子擊穿路徑

5 結(jié)語

本文對一起500 kV 線路瓷絕緣子雷擊斷串故障進(jìn)行分析，結(jié)合雷電定位系統(tǒng)、線路分布式故障定位系統(tǒng)及絕緣子試驗(yàn)情況，可確定此次故障跳閘原因?yàn)楣收锨敖^緣子串中已存在多片低零值絕緣子，當(dāng)雷電繞擊C 相造成絕緣子串閃絡(luò)后，大部分工頻續(xù)流能量從低零值絕緣子頭部瓷件內(nèi)放電通道泄放，產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致絕緣子炸裂脫開并引發(fā)斷串。

針對輸電線路雷電繞擊故障，減小地線保護(hù)角是最為有效的防護(hù)方法；對于線路中可能存在的瓷絕緣子零值問題，建議開展線路絕緣子測零工作，排查低零值絕緣子；對于風(fēng)險(xiǎn)等級評估較高的多雷區(qū)瓷絕緣子單串配置塔位，可優(yōu)先采用線路避雷器等疏導(dǎo)性防雷手段。