一起500kV線路多重雷擊事故分析

侯俊宏

(嘉陵江亭子口水利水電開發(fā)有限公司,四川 蒼溪 628400)

0 引言

GIS設備由于結構緊湊、占地空間小、維護工作少等優(yōu)點在電力系統(tǒng)得到廣泛的應用,是電力系統(tǒng)中重要的電氣設備之一,實際運行過程中,GIS熱備斷路器斷口或其他部件因雷擊或多重雷擊發(fā)生損壞的情況時有發(fā)生[1-3]。由于GIS管道的波阻抗極小(只有同電壓等級架空輸電線路的1/12～1/15)[2],侵入GIS內的雷電波在管道內來回反射,會形成陡度較高的過電壓。對于分斷狀態(tài)的GIS斷路器,雷電侵入波在斷路器斷口處形成的過電壓幅值將因為發(fā)生反射而得到侵入過電壓的2倍,嚴重威脅了GIS設備的安全運行[4]。

本文以某水電站500 kV線路遭受多重雷擊引起GIS設備故障為例,通過ATP-EMTP建立電磁暫態(tài)仿真分析模型,對雷電侵入波過電壓幅值進行仿真計算,分析了雷擊過程原因,并提出了相應的防雷措施。該500 kV線路跨越了四川盆地北部、大巴山南緣等兩個大的地貌單元和嘉陵江、東河、恩陽河、巴河、州河等五大水系,地勢上總體北高南低。區(qū)內主要地貌類型可分為侵蝕堆積地貌,侵蝕、剝蝕構造低山丘陵區(qū),侵蝕、剝蝕構造中低山區(qū),分為丘陵、一般山地、高山大嶺三種地形地貌單元,區(qū)域內多為雷雨大風和寒潮大風等復雜的氣象環(huán)境。本文對于雷擊頻發(fā)地區(qū)的發(fā)電廠GIS開關站和線路防雷工作具有重要參考和借鑒意義。

1 事故簡介

某水電站總裝機容量1100 MW(4臺275 MW混流式水輪發(fā)電機組),前期主接線為三角形接線方式,預留一回出線間隔,現單回出線接入川東北電網500 kV變電站。500 kV開關站為室內GIS布置,出線場和主變壓器均采用GIS管道形式布置,主接線如圖1所示。

圖1 電氣主接線示意

1.1 事件前運行方式

2019年10月3日9時,某水電站500 kV線路走廊天氣情況為強降雨,伴隨大風并有雷電。500 kV線路運行,母線電壓524 kV,系統(tǒng)頻率50 Hz,5001、5002、5003開關合環(huán)運行,1、2、3、4號主變運行,1號機組負荷34.4 MW,3號機組負荷196.4 MW,4號機組32.8 MW,2號機組停機備用,全廠總負荷263 MW。

1.2 故障經過

2019年10月3日09時55分21秒,500 kV線路1號保護裝置光纖差動保護動作、線路2號保護裝置光纖距離保護動作;5001、5002開關C相跳閘,重合閘動作后勾通三跳,5001、5002開關三相跳閘。

檢查線路1號保護裝置保護C相跳閘出口、線路2號保護裝置保護C相跳閘出口,重合閘動作后三相跳閘出口。

通過向電網申請線路轉檢修,檢查發(fā)現500 kV GIS線路側C相氣室SF6氣體分解,出現了SO2、H2S等特征氣體,顯示氣室內部出現了大幅值故障電流。對故障氣室進行開蓋檢查,發(fā)現C相氣室原預留高抗引出線蓋板支撐絕緣子放電,如圖2所示。

圖2 故障放電點

從圖2可知,電弧從均壓球下側開始,沿著支柱絕緣子表面向下發(fā)展,在GIS管道內壁處彌撒式灼燒,造成均壓球下部金屬鋁部分熔化熔液飛濺,支柱絕緣子及金屬外殼內壁大面積灼燒。

該絕緣子位于GIS出線管道預留高抗引線位置,此處導體結構比較復雜,電場畸變,是GIS絕緣的薄弱點[2]。

2 雷擊過電壓仿真分析

采用ATP-EMTP建立水電廠升壓站雷電侵入波分析模型如圖3所示,其中出線平臺線路間隔避雷器型號為Y20W5-444/1065,戶外場一次設備二分裂連接線型號為2×LGJQT-1400/35。架空線1號桿塔類型為5A-ZM1直線酒杯塔,1號桿塔距離升壓站戶外場300 m,500 kV導線型號為4×LGJ-400/50,地線型號為GJ-70,絕緣子串為28片XP-160型絕緣子,線路檔距為500 m,桿塔接地電阻為2 Ω,雷電流波形采用1.2/50 μs單極脈沖波。500 kV GIS額定雷電沖擊耐受電壓(1.2/50 μs)相對地為1 675 kV,斷口為2 125 kV,GIS管道由單芯電纜模擬。為了便于分析,在故障點和2號斷路器分別設置電壓觀測點1和觀測點2[2]。

圖3 GIS升壓站雷電侵入波分析模型

2.1 雷擊過程仿真計算

2.1.1 第一次雷擊時過電壓

500 kV線路遭受第一次雷擊時,兩端變電站均處于正常運行方式,升壓站設備耐雷電沖擊過電壓的水平較高[1],且雷擊點距升壓站較遠(約76 km處),在升壓站1、2號斷路器合閘時,在雷電侵入波傳播路徑上,線路避雷器、兩組GIS母線避雷器均動作,致使雷電流的陡度和幅值均降低,雷電侵入波得到有效限制,未出現超過GIS耐受電壓幅值的過電壓,兩側縱聯(lián)距離啟動后均未動作,縱聯(lián)差動保護動作。通過仿真計算在斷路器合閘時電壓波形和避雷器電流波形如圖4所示。

2.1.2 第二次雷擊時過電壓

500 kV線路遭受第二次雷擊時,升壓站1、2號斷路器處于熱備用狀態(tài),升壓站的耐雷電沖擊過電壓的水平較正常情況低,雖然戶外場避雷器動作且釋放的雷電流幅值較大,但是由于雷電侵入波在斷路器斷口的反射,觀測點處仍然出現了高幅值的過電壓[2],超過了GIS設備耐雷水平,設備絕緣薄弱點將首先擊穿。通過仿真計算在斷路器分閘時電壓波形和避雷器電流波形如圖5所示。

圖5 斷路器分閘狀態(tài)電壓波形和避雷器電流波形

3 原因分析

基于仿真計算與故障錄波及保護裝置的錄波綜合分析故障原因如下:500 kV線路C相在09時55分21秒178毫秒至22秒365毫秒,在1068毫秒內連續(xù)發(fā)生兩次故障。線路第一次雷擊時,兩套保護均動作,行波測距顯示約76 km,1、2號斷路器C相跳閘,在斷路器重合閘動作時間內,線路遭受第二次雷擊,雷電侵入波達到斷路器斷口處發(fā)生反射,過電壓大幅度提高,此次故障中電壓峰值1 236 kV,波頭時間600 μs,為緩波頭過電壓,已超過GIS的理論過電壓耐受值。此時1、2號斷路器C相重合閘動作,C相重合在永久故障點上,縱聯(lián)差動、縱聯(lián)距離、距離I段等保護動作,線路重合閘不成功,斷路器三相跳閘,行波測距顯示為0.1 km和72.2 km,上述表明,保護動作正確,存在兩個故障點。近端故障點位于管道預留高抗位置,此處導體結構比較復雜且安裝了支柱絕緣子,電場在此處出現畸變,是GIS絕緣的薄弱點[2],因此,在大幅值過電壓作用下?lián)舸?/p>

4 防雷措施

(1)通過在復雜地形多雷地區(qū)的線路安裝線路避雷器、改造桿塔接地電阻,在升壓站出線場加裝避雷器,實現雷電能量沿傳播路徑逐步釋放,可采用輸電線路防雷與升壓站防雷相結合的升壓站防雷治理策略。

(2)采用增強絕緣的技術手段,通過使用高絕緣強度的絕緣材料、合理設計設備結構、嚴格控制工藝等方式,以提高電氣設備的絕緣性能和耐壓水平,降低絕緣擊穿的風險。

(3)提出升壓站安裝雷電侵入波阻礙電抗器的設想,利用電抗器對陡波頭雷電流的阻礙作用,將雷電侵入波能量阻止在升壓站外并通過站用避雷器釋放,解決大幅值雷電侵入波進入升壓站的問題,可有效避免升壓站雷擊事故。

5 結語

針對上述500 kV線路遭受多重雷擊發(fā)生的設備事故案列,可知在線路遭受雷擊,同時,升壓站斷路器處于熱備用狀態(tài),雷電侵入波過電壓會在開路末端發(fā)生電壓全反射,造成過電壓水平大幅度提高,可能大大超過設備耐受過電壓能力,對電氣設備造成威脅或損壞。建議在設計、采購時要充分考慮設備本身的耐受過電壓能力,在日常運維中采取相應的過電壓保護防范措施,確保設備安全穩(wěn)定運行。