500 kV 线路瓷绝缘子雷击断串故障分析

李 岳，周路遥，李 特，邵先军，初金良，高 磊

（1.国网甘肃省电力有限公司经济技术研究院，兰州 730000；2.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；3.国网浙江省电力有限公司丽水供电公司，浙江 丽水 323000）

0 引言

瓷质绝缘子因其具有良好的耐热和抗老化性能，成为使用最早和最广泛的绝缘子[1]。随着运行时间的增加，受机电联合作用，绝缘子的绝缘性能和机械性能会下降，产生低零值等劣化现象[2-3]。当劣化绝缘子串遭受工频闪络或雷击时，强电流通过绝缘子内部，使温度急剧升高，在瓷件和铁帽结合处产生较大的内应力和热应力，导致铁帽炸裂或脱开，从而引发断串故障[4-6]。本文针对一起500 kV 线路瓷绝缘子雷击断串故障，结合雷电监测定位系统、线路分布式故障诊断系统及绝缘子试验情况对线路耐雷水平及绝缘子破坏型式进行了分析，可为线路运行维护提供一定的借鉴。

1 线路故障基本情况

2019-04-23 T 18：44：16，某500 kV 线 路C相跳闸，重合失败。故障现场发现，该线路89 号塔C 相绝缘子单串断裂，钢帽掉落，绝缘子串断裂处的高压侧、低压侧及表面存在放电痕迹，如图1 所示。

图1 故障现场情况

此线路通道主要位于山区，沿线地形为：平地占10%，山地占60%，高山占30%。该区域气候类型为亚热带季风气候，雨量充沛，温暖湿润，多年年均气温18.5 ℃，年降水量1 407 mm以上。故障时段该线路区段为雷雨天气，气温在19～31 ℃间，西南风5 级，相对湿度为92%，降水量为20 mm，气压为1 004 hPa。

故障点位于89 号塔，该塔为单回路直线塔，塔头布置型式为“IVI”，采用盘型悬式瓷质绝缘子，为160 kN 单联Ⅰ型悬垂串，故障区段详细参数见表1。

表1 故障区段详细参数

2 线路故障监测情况

2.1 雷电监测情况

雷电监测定位系统显示线路跳闸时刻前后1 min 内线路通道两侧1 km 范围内共有4 处落雷，见表2。其中，18：44：15.089 时刻的落雷电流大小为-20.3 kA，与线路跳闸时刻及区段吻合。

2.2 线路分布式故障诊断情况

线路分布式故障诊断系统能够记录故障发生时的工频电流、行波电流波形[7]：故障时刻线路C 相跳闸，重合不成功，故障前后的工频电流波形如图2（a）所示；故障时刻高频电流行波主波头电流上升比较陡，波尾持续时间小于20 μs，且电流幅值较大，主波前无反极性脉冲，符合雷电绕击故障特征，如图2（b）所示。

表2 雷电监测情况

图2 故障时刻线路分布式故障诊断情况

3 线路耐雷水平分析

结合雷电定位系统、分布式故障诊断系统及故障现场巡视情况，可初步判断本次故障跳闸由雷击引起。因此，基于ATP-EMTP 仿真平台建立了故障杆塔多波阻抗模型及雷击仿真模型[8]。耐雷水平分析表明：C 相绕击耐雷水平随雷击时刻的线路工频电压相角而变化，仿真计算平均绕击耐雷水平约为13.9 kA，如表3 所示。

表3 绕击耐雷水平仿真结果

当雷电流大小为-20.3 kA，且雷击时的电压相角为0°时，线路各相绝缘子串两端电压波形如图3 所示，可见此时C 相承受了较强的的雷击过电压。

图3 雷击过电压波形

线路杆塔绕击计算可采用电气几何模型法[9]：分别以避雷线和导线为圆心，以击距为半径作两个圆弧，这两个圆弧交于F 点；再在离地面高度为βrs 处作一水平线与以D 为圆心的弧交于G点。由圆弧C1，C2和直线C3在沿线路方向形成一个曲面，此曲面叫作定位曲面。在雷电流为I 的先导未到定位曲面之前，其发展不受地面物体的影响。若I 的先导落在C1弧面上，则雷击避雷线；若落在C2弧面上，则雷绕击于导线上；若落在C3面上，则雷击大地。因此C2称为绕击暴露面。计算得到该基塔C 相的最大绕击雷电流幅值约为79.93 kA。由于故障塔位于山区，存在一定的地面倾角，且故障相位于边相，遭受雷电绕击的概率较大。

图4 电气几何模型

根据上述分析计算，可确定本次故障跳闸发生时线路C 相遭受了雷电流大小为-20.3 kA 的绕击。此时避雷线的屏蔽保护失效，雷电绕过避雷线直击于导线，雷电流经雷击点注入导线，并沿导线两侧传播。

4 绝缘子断串原因分析

4.1 绝缘子试验情况

对比现场绝缘子破坏型式，低零值绝缘子引发断串的可能性较大，在实验室对绝缘子进行绝缘电阻测试、工频耐压试验、温度循环与孔隙性测试，以及机械破坏负荷测试[10]。

（1）绝缘电阻测试

对于500 kV 及以上线路，盘型悬式绝缘子绝缘电阻低于500 MΩ 的被认为是发生劣化的低零值绝缘子[11]。对C 相绝缘子（故障相）、A 相绝缘子（非故障相）采用5 000 V 进行绝缘电阻测量，试验结果显示：C 相绝缘子存在4 片低零值绝缘子，分别为33.0 MΩ，23.2 MΩ，41.1 MΩ，8.56 MΩ；A 相绝缘子无低零值绝缘子存在，但存在一片700 MΩ 的绝缘子。

（2）工频耐压测试

对A 相单片绝缘子施加60 kV 工频电压并耐受1 min，结果显示A 相所有绝缘子均成功耐受[12]。对C 相低零值绝缘子进行工频耐压试验，该试品绝缘电阻值为23.2 MΩ，当加压至23.4 kV 时流过试品的电流值已达57.1 A，判断其内部绝缘已出现明显劣化。

（3）温度循环、孔隙性测试

选取7 片A 相绝缘子进行温度循环、孔隙性试验，结果均符合相关标准要求[13]。

（4）机械破坏负荷测试

选取3 片A 相绝缘子进行机械破坏负荷测试，A 相为与断串相同批次的160 kN 绝缘子，对3 片试品施加至100%额定机械负荷后均未发生破坏。

4.2 绝缘子破坏型式

故障盘型悬式瓷绝缘子的钢帽与瓷件完全分离，同时钢帽内部有明显氧化发黑痕迹，判断绝缘子盘内部炸裂并脱开。对于低零值绝缘子，由于绝缘子头部瓷件存在细微裂纹等缺陷，随着运行中潮气的侵入，绝缘子头部瓷件绝缘电阻降低，一旦绝缘子串遭受雷击或其他原因造成的闪络，由于瓷件头部电阻较小、沿伞盘放电距离较长电阻较大，导致大部分工频续流能量从绝缘子头部瓷件内放电通道泄放，使其温度急剧升高，在瓷件和铁帽结合处产生较大的内应力和热应力，导致铁帽炸裂或脱开，从而引发断串故障，如图5 所示。

图5 头部缺陷瓷绝缘子击穿路径

5 结语

本文对一起500 kV 线路瓷绝缘子雷击断串故障进行分析，结合雷电定位系统、线路分布式故障定位系统及绝缘子试验情况，可确定此次故障跳闸原因为故障前绝缘子串中已存在多片低零值绝缘子，当雷电绕击C 相造成绝缘子串闪络后，大部分工频续流能量从低零值绝缘子头部瓷件内放电通道泄放，产生的热量导致绝缘子炸裂脱开并引发断串。

针对输电线路雷电绕击故障，减小地线保护角是最为有效的防护方法；对于线路中可能存在的瓷绝缘子零值问题，建议开展线路绝缘子测零工作，排查低零值绝缘子；对于风险等级评估较高的多雷区瓷绝缘子单串配置塔位，可优先采用线路避雷器等疏导性防雷手段。