多重雷擊引起500 kV線路避雷器損毀故障分析

馮志強，李籽劍，姚 堯，汪顯康，付劍津，任 想，張耀東，黃俊杰

（國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077）

0 引言

500 kV架空線路是我國超高壓線路的主要組成部分，其運行安全直接影響電網安全穩定［1-3］。500 kV輸電線路具有運行電壓高，桿塔尺寸大的顯著特點，且輸電通道中存在山谷、高山等容易遭受雷擊的地形。因此，雷害導致500 kV 輸電線路故障頻繁發生，某省雷擊造成輸電線路跳閘占比可達30%以上［2，4］。

根據國際大電網會議統計［5］，自然界中約75%的地閃中存在多重雷擊過程。多重雷擊是指在雷電主放電結束后的很短時間內，沿著相同的放電通道再次發生回擊的過程。文獻［6］對南方電網范圍內75條輸電線路沿線地閃進行統計，發現28.3%的地閃極有可能為多重雷擊，大部分回擊次數為2次～6次，雷電流幅值多為5 kA～50 kA。文獻［7］對±800 kV 賓金線浙江段線路走廊的多重雷擊特征進行了分析，指出平均后續回擊次數為2.6次，含8次及以上后續回擊的多重雷占比近6%。文獻［8］利用ADTD 雷電定位系統，對某省2007 年～2018 年的多重雷進行統計分析，發現負地閃的99%以上為7 次以下回擊，8 次以上回擊占比不足1%；后續回擊中電流幅值小于40 kA 的累積概率為69.92%。短時間內沿同一放電路徑發生的多次回擊過程對輸電線路本體以及斷路器、避雷器等設備的安全運行構成巨大威脅，多重雷擊導致輸電線路斷線、斷路器斷口擊穿、重合閘失敗，避雷器損壞等故障的報道屢見不鮮［9-14］。

2022 年7 月，某地區500 kV 線路發生單相接地故障，線路避雷器損毀。為查明故障原因，對雷電定位數據與故障錄波進行了詳細的對比分析，指出線路跳閘由包含一次主放電與7次后續回擊過程多重雷繞擊線路引起。本文對注入線路避雷器的能量進行估算，分析了避雷器損毀的原因。

1 事故基本情況

2022 年7 月26 日05：09：41.805，某地區500 kV 線路B相發生單相接地故障，重合閘成功，故障區段主要地形為山地，平均海拔高度為451.2 m，屬于C1級雷害區；故障桿塔位于山頂，左右為斜坡，屬于典型易受雷擊地形，桿塔塔型為酒杯塔，桿塔接地形式為T5，三相導線水平排列，B 相與A 相裝設有帶串聯間隙氧化鋅避雷器，地線保護角為11°，塔頂裝設有可控避雷針，故障前桿塔全景如圖1所示。

圖1 故障桿塔全景圖Fig.1 Overall view of the fault tower

故障發生后，運維人員排查發現桿塔B 相（左相）氧化鋅避雷器3 節主體脫落，配套絕緣子斷裂后懸掛在導線上，絕緣子均壓環扭曲變形，組織人員進行登桿檢查，現場情況如圖2所示?，F場照片顯示：在桿塔左側K 節塔身與塔材表面均發現電弧燒蝕痕跡；避雷器主件端頭有爆開痕跡；脫落的均壓環上發現電弧燒蝕形成的孔洞；避雷器計數器外殼破損，計數顯示為8次，現場開展接地電阻檢測，測得桿塔接地電阻為6.5 Ω，小于設計接地電阻30 Ω，滿足設計要求。通過對輸電通道外部環境進行排查，可以基本排除山火、鳥害、風偏、外破等故障原因。

圖2 故障后現場照片Fig.2 Photos of the site after failure

2 事故原因分析

2.1 雷電定位系統查詢

根據氣象部門發布數據，故障時段內該區域為大風雷雨天氣，氣溫27 ℃～29 ℃，相對濕度99% RH，風力5級。查詢雷電定位系統發現，在故障前后1 min內，故障線路附近共探測到16次落雷，其中位于故障桿塔附近的有7次，極性均為負極性，包含1次主放電與6次后續回擊，其中后續第6次回擊時刻與線路故障時刻完全吻合。后續回擊時間間隔為66 ms～327 ms，雷電流幅值為-9.2 kA～-36.1 kA，落雷詳細信息如表1所示。

表1 線路附近落雷情況Table 1 Lightning strike near the line

2.2 故障錄波分析

故障相B相電流的錄波如圖3所示，t=0時刻為接地故障發生時刻。故障發生前B相電流基波有效值為0.26 kA，故障發生后的短路電流基波有效值為9.96 kA。從錄波圖中可以看出，在故障發生前的1 100 ms 內，B 相電流波形中存在數個電流脈沖尖峰。典型的電流脈沖波形如圖3（b）所示，脈沖上升時間為數百μs，下降沿持續數ms，峰值為數kA。脈沖電流出現時刻與雷電定位系統記錄的回擊時刻完全相符，每個電流脈沖對應的雷擊過程標注在圖3（a）中。在后續第5和第6次回擊之間，還存在一個幅值較低的脈沖尖峰，如圖3（a）中虛線框所示。該脈沖尖峰應該對應1 次雷電回擊過程，可能由于幅值較低所以并沒有被雷電定位系統探測和記錄。綜合上述分析可以得出結論，B相短路接地故障是多重雷擊造成，該多重雷擊包括一次主放電和7次后續回擊（雷電定位系統僅記錄6次），總共8次雷擊過程與避雷器計數器示數相符。

圖3 B 相電流錄波Fig.3 B-phase oscillogram

在明確故障原因為多重雷擊的基礎上，通過計算桿塔耐雷水平，可以進一步確定故障類型為繞擊還是反擊。根據規程法［15-16］，忽略線路運行電壓的影響，計算得到桿塔反擊耐雷水平為187.1 kA，繞擊耐雷水平為15.3 kA。根據電氣幾何模型EGM 及擊距理論［17］，計算得到繞擊臨界電流為56.9 kA。故障時刻雷電流幅值為18.8 kA，大于桿塔繞擊耐雷水平為15.3 kA，小于繞擊臨界電流為56.9 kA，滿足繞擊條件。結合現場巡視情況、雷電定位系統數據、故障錄波分析與耐雷水平計算，可以斷定本次故障為一次多重雷繞擊B 相導線引起的單相接地故障。

2.4 避雷器損毀原因分析

孝獅線上安裝避雷器為帶串聯間隙避雷器，正常工況下線路電壓主要由串聯間隙承受，避雷器本體基本不承受電壓，因此泄漏電流可以忽略。事故對非故障相（A相）的YH20CX-396/1050型金屬氧化物避雷器取樣，并對每一節進行檢測，檢測結果如表2所示。其中，直流參考電壓、泄漏電流、局放量等重要指標均符合《GB 11032-2010 交流無間隙金屬氧化物避雷器》標準要求，排除了正常工作電壓下避雷器本體泄漏電流過大從而導致熱崩潰的可能性。故障錄波表明，線路避雷器承受6次雷電流，在第7次雷電流沖擊下本體發生破損，導致線路對塔身放電并引起單相接地故障，因此判斷雷電流是導致避雷器破損解體的主要原因。

表2 非故障相避雷器檢測結果Table 2 Test results of non-fault phase arresters

脈沖電流沖擊下避雷器吸收的能量可以由式（1）進行估算。

式（1）中，ur（t）為避雷器殘壓，i（t）為注入避雷器的瞬時電流。對于本次故障中的500 kV線路避雷器，主放電和后續6次回擊過程中線路避雷器吸收的能量如圖4所示，由于雷電定位系統僅定位了6次后續回擊（實際應有7次），因此按照6次回擊進行計算，計算結果偏寬松。根據標準《GB 11032-2010 交流無間隙金屬氧化物避雷器》，500 kV 線路避雷器需通過長持續時間電流沖擊（方波電流沖擊）試驗。試驗中對避雷器本體施加18次1.2 kA峰值2 ms的方波電流沖擊，3次為1組，每次時間間隔為50 s～60 s，相鄰組之間需待避雷器冷卻至室溫?？梢詫⑦B續3次方波電流沖擊的吸收能量7 560 kJ作為避雷器額定耐受能量［6］。由于3次方波電流脈沖之間存在50 s～60 s的冷卻時間，因此7 560 kJ的校核標準偏寬松。

圖4 避雷器吸收能量Fig.4 Absorbed energy of the arrester

根據計算結果，B 相氧化鋅避雷器故障前共計吸收能約11 000 kJ，大幅超出一般500 kV線路避雷器方波耐受能量7 560 kJ，避雷器吸收能量嚴重過載。在1 s 的時間內，大量能量注入避雷器，氧化鋅閥片溫度急速上升［18-19］。一方面，由于溫升帶來的熱效應加劇，氧化鋅閥片電性能參數和耐受沖擊能力發生改變，導致避雷器的電氣性能降低［20］；另一方面由于電流集中分布產生的焦耳熱不能及時傳遞，氧化鋅閥片溫度梯度較高，閥片在較大熱應力可能發生破損［21］。最終，在后續第6 次回擊的沖擊下，整支避雷器崩潰進而發生嚴重損毀，失去了吸收雷電流和抑制雷電過電壓的能力，導致B 相導線通過損毀的避雷器主體對塔身放電，引發單相接地故障。

3 結語

針對2022 年7 月某地區500 kV 線路發生的避雷器損毀故障，結合雷電定位數據對故障錄波進行了詳細分析，指出本次故障是多重雷繞擊B 相導線引起。該次多重雷擊包括1次主放電與7次后續回擊過程，回擊電流可達36.1 kA，與主放電相當。對注入線路避雷器的能量進行估算，發現多重雷擊注入避雷器的能量可達避雷器耐受值的2 倍，明確了熱擊穿是造成避雷器損毀的主要原因。

相較于單次雷擊，多重雷擊對線路避雷器能量吸收能力的要求更為嚴苛。在多重雷擊風險較高地區，應考慮在避雷器選型過程中適當提高避雷器的通流能力。此外，雖然線路避雷器通過了額定短路電流型式試驗，但在本次故障中線路避雷器脫離安裝位置和范圍，發生破壞性爆炸，表明試驗標準要求不嚴謹，試驗方法不完全等效，建議開展相關研究，進一步完善針對多重雷擊的避雷器能量吸收能力的校核方法。