220kV变电站一次雷击故障分析及防雷措施探讨

南方电网电动汽车服务有限公司 李晨曦

广东阳江地区属多雷地区，雷电活动频繁，架空线路易遭受雷击，雷电波会沿着导线进入变电站。按照交流电气装置的过电压保护和绝缘配合规定设置进线保护段，即采用双避雷线，并尽可能降低杆塔接地电阻，使进线保护段具有较高的耐雷水平；并在变电所母线上装设无间隙金属氧化物避雷器（MOA），MOA与电气设备间的最大距离不超过规定的数值，是可以满足110kV和220kV敞开式变电站的耐受雷电侵入波过电压要求的。但电网有时会存在进线断路器出现暂时性分闸状态，其与雷电侵入波两种情况的叠加就可能在断路器末端反射产生很高的过电压，引起敞开式变电站内进线断路器及CT等设备事故[1]。

例如：断路器多数处于热备用状态（隔离刀闸在合闸位置）或当两次雷在1秒钟内击中同一线路，由于保护设置的原因，第二次雷击时重合闸未动，进线断路器处于分闸状态，就可能在断路器末端反射产生很高的过电压，造成事故。2019年05月27日6时，阳江供电局所运行的220kV碟平乙线在1秒钟内遭受两次雷击，造成与其相连接的220kV平地站站内设备损坏。

1 事故过程

故障前运行方式。220kV平地站220kV1、2M母线并列运行，220kV母联2012开关在运行状态；220kV登平甲线、220kV#1变高、220kV#1电压互感器在1M母线运行；220kV平镍线、平首线、蝶平乙线（同塔架设蝶平甲线退出运行）、220kV#2变高、#2电压互感器2M母线运行；#1主变220kV、110kV中性点接地刀闸在合上位置，#2主变220kV、110kV中性点接地刀闸在拉开位置。

事故过程。2019年05月27日阳江地区为雷暴天 气，06时53分58秒736毫 秒，220kV蝶 平 乙线第75号塔C相遭雷击，雷击点距离220kV平地站1.225公里。平地站220kV蝶平乙线线路保护动作，跳C相；315毫秒后平乙线线路保护再次动作，跳ABC三相，重合闸不动作；404ms后220kV母差及失灵保护动作跳220kV母联，220kV2M母线上所有运行设备停运。故障造成220kV蝶平乙线、平地站220kV2M母线、220kV平首线、平镍线、220kV#2变高、220kV2M母线停运。

故障同时还造成220kV平地站部分运行设备损坏。经检查损坏情况如下：蝶平乙线CT。SF6CT C相一次对二次绕组及地绝缘电阻严重下降、二次绕组对地绝缘电阻为零；C相CT二次接线盒内壁烧焦熏黑，C相二次端子盒内电流回路三根电缆已烧断，绝缘皮熔化破损；220kV蝶平乙线开关。220kV蝶平乙线开关端子箱接地和零序电流端子烧焦。开关动触头底部发现少量放电粉末，瓷瓶内壁附着少量白色放电粉末。解体后发现动静触头后，发现主触头、主触头屏蔽罩烧蚀较为严重，喷口外侧表面有黑色烧蚀痕迹，主触头的触指烧蚀严重，部分触指已经烧融，触指表面附着大量白色放电粉尘。

设备基本情况。220kV平地变电站蝶平乙线间隔为2019年扩建工程，间隔内安装了一台220kV开关和一组CT。蝶平乙线开关型号为3AP1-FI，为西门子(杭州)高压开关有限公司生产。CT型号LVQB-220，为山东泰开互感器有限公司生产。由两台隔离开关分别于1，2M母线连接，事故当天在2母运行；蝶平乙线出线间隔的出线避雷器布置在220kV平地站外蝶平乙线终端塔上，选用的避雷器为线路绝缘子防雷用的带串联间隙的YH10CX-204/592型金属氧化物避雷器，该型避雷器正极性50%雷电冲击放电电压为862.6kV（峰值）、负极性50%雷电冲击放电电压为1004kV。事故发生后，对蝶平乙线出线间隔的出线避雷器按DL/T596-1996电力设备预防性试验规程进行了试验，符合技术标准要求。对蝶平乙线开关机构和蝶平乙线CT进行解体检查，排除设备质量问题。

雷电定位。经雷电定位系统查询，2019年05月27日06时53分58秒736毫秒及其后315毫秒，该时间段内阳江地区有两个落地雷，故障时段前后的记录时间及雷电流大（kA）分别为：06:53:58/-12.00，06:53:58/-20.00，06:53:59/-12.00，06:53:59/-16.00，性质均为地闪。巡线发现第75号塔C相遭雷击，距离220kV平地站1.225km。

2 仿真计算

2.1 计算软件及计算参数

采用ATP-EMTPE（Electromagnetic Transient& Power Electronics）电磁暂态计算程序，本文用以输电线路雷电过电压仿真计算，计算在国网电科院防雷中心进行。

经巡视，距离220kV平地站1.225公里处的第75号塔上绝缘子有明显闪络痕迹，220kV平地站未发现落雷点。蝶平乙线75号杆塔参数为：导线型号2×LJGX-630/45；导线排列方式为垂直排列；相序排列（面向大号侧）垂直排列：上B中C下A；架空地线型号左边OPGW光缆、右边LJGX-120/70；绝缘子型号FXBW4-220/160-2420；杆塔类型为直线塔；杆塔型号2Z2C5-44；接地类型RH5-10；接地电阻实测值5.5欧、设计值20欧。

根据塔型结构、导/地线型号、接地电阻等参数，建立杆塔本体多波阻抗、冲击接地电阻和绝缘闪络模型。雷电流采用2.6/50μs负极性冲击电流源（图1）；杆塔多波阻抗根据2Z2C5塔型特征采用4层模型（N=4），75#塔接地电阻取5.5Ω，绝缘闪络模型使用先导法；蝶平甲线在检修，仿真中将蝶平甲线两侧接地。绝缘子串干弧距离由结构长度减去金属构件及均压环短接部分，取值2.3m。为使仿真波形变化更明显，在仿真时间的第10微秒再开启雷电流。

图1 仿真计算采用的雷电流波形

2.2 第一次雷击计算

由雷击记录可知无法造成反击闪络，此处仅对绕击做仿真。仿真中考虑到雷击时刻220kV线路工频电压影响，在一个工频周期内每隔60°计算一次，其中相角以A相电压余弦表达式为基准，计算雷电绕击C相的耐雷水平，计算结果为：相角分别为0/60/120/180/240/300°时，绕击C相分别为8.9/8.0/8.9/10.2/10.9/10.2kA，均值为9.5kA。当-20kA超过C相绕击闪络耐雷水平（约9.5kA，具体与工频相角有关），可造成C相绕击闪络。

2.3 第二次雷击计算

在线路第一次遭雷击时平地站220kV蝶平乙线线路保护动作，蝶平乙线线路开关跳闸。由于蝶平乙线线路开关重合闸的设置为1s，在315ms后线路遭第二次雷击时线路开关未动，开关为断开状态。其仿真计算如图2。

图2 75#塔绕击闪络典型过电压波形（C相闪络）

220kV蝶平乙线C相第二次接地故障时，雷电波沿着蝶平乙线向平地站方向传播，此时线路C相开关处于分闸状态，雷电波在开关端口位置发生波反射，避雷器距离开关断口较远（79m），开关断口处的电压将大幅提高。对此进行仿真，将变电站等效为带内阻的电压源，电阻按容量折算，蝶平甲线检修不带电源。终端塔三相均安装线路避雷器。在-12kA雷电流绕击C相情况下，75#塔C相导线电位达到约1518kV，传播至终端塔，避雷器尽管吸收一部分能量，断口电压达1437kV超过开关冲击耐受电压1050kV，即断路器断口和CT端部的雷电过电压均明显超过其绝缘的雷电冲击耐受电压，造成断路器断口击穿和CT主绝缘击穿。

3 原因分析和改进措施

3.1 原因分析

断路器断口击穿和CT主绝缘击穿断路器后，工频电流流过断路器断口并通过CT主绝缘击穿点接地。直至220kV母差及失灵保护一C相稳态量差动动作跳220kV母联，220kV2M母线上所有设备退出运行；断路器是在分闸情况下发生击穿，击穿通道为主触头间沿大喷口表面闪络，此时开关不具备灭弧能力。持续了132ms的燃弧将主触头、主触头屏蔽罩严重烧蚀，主触头的触指严重烧蚀、部分触指烧融，喷口外侧表面有黑色烧蚀痕迹；过电压使得C相CT主绝缘击穿，工频电流流经二次接线盒将内壁烧焦熏黑，二次端子盒内电流回路三根电缆已烧断、绝缘皮熔化破损。故障电流沿二次线串入断路器的二次端子盒内，将蝶平乙线开关端子箱中的接地和零序电流端子烧焦。

3.2 避雷器选型错误

变电站用避雷器是根据站内电气设备的绝缘水平选择的，一般考虑操作过电压、雷电过电压和冲击过电压等因素，要综合考虑这些因素确定避雷器的动作电压和残压。由于出线设备与其它变电设备的耐雷水平相同，变电站出线避雷器的选择原则应与变电站母线避雷同样[4]。即当线路遭受雷击过电压、雷击过电压侵入变电站时出线避雷器动作，消除雷击过电压。特别是出线开关因检修、试验或其它原因处于分闸状态时，只有出线间隔避雷器保护出线间隔设备。

线路用避雷器是专门用于消除安装杆塔在遭受雷击后出现的过电压。不考虑操作过电压，即要求在操作过电压下间隙不击穿，避雷器不动作，以免避雷器频繁动作影响线路正常运行。线路避雷器是由一个间隙和一个氧化锌避雷器串联组成。当线路遭到雷击时，雷电过电压击穿空气间隙，然后使避雷器导通泄露雷电能量。雷电过电压消失后，氧化锌电阻片又恢复绝缘状态。因此它的动作电压为U50%放电电压，要比站用避雷器动作电压高得多[2]，不同避雷器型号的起始动作电压（kV）与残压（kV）分别为：YH10W-200/496W为304、496；Y(H)10W-204/532为304、532；YH10CX-204/592为862/1004、592。

氧化物避雷器是用于线路防雷，它的作用是消除安装杆塔出现的雷击过电压，保护线路绝缘子。当出线断路器断开时，实际就等于线路开关和CT处于没有过电压保护状态。

3.3 出线避雷器安装位置不当

文献[3]分别对220kV变电所的MOA至分闸断路器间不同保护距离下的危险波曲线进行了计算，计算出了在进线保护段长度2.0km，断路器、CT绝缘水平850/950kV条件下，MOA至分闸断路器间的最大保护距离为50/80m。蝶平乙线出线避雷器安装在变电站外的终端塔上，距开关79m。如果绝缘水平为950kV已达到最大距离；如果绝缘水平是850kV已远超过50米的最大保护距离。

可以用傅里叶函数将雷电波分解，得到很多高频波。也就是说雷电波是由多种高频波合成的。电感对高频波的传播影响极大，有较大的衰减作用。在本故障中，当线路第二次遭雷击时，由于系统保护和开关本身的动作特性使开关处于分闸状态，侵入波在开关断口前产生了过电压。而过电压向避雷器传播中由于导线阻抗的衰减，使得避雷器承受的过电压没有达到它的起始动作电压，没有动作。

3.4 改进措施

在变电站线路出口处加装避雷器，避免线路遭雷击后雷电过电压侵入变电站。技术参数应与变电站避雷器选型相同。站内避雷器采用无间隙的MOA[4]；将出线避雷器移至变电站内线路出线处；蝶平乙线#57杆处于相邻一片开阔地区的较高位置，遭受雷击的概率较大，应加装线路避雷器，防止雷击造成线路跳闸。

综上，这次设备故障是由雷击线路导致线路绝缘子闪络放电，引发单相接地故障导致的；应正确选择避雷器，站内避雷器采用无间隙的MOA，且避雷器移应与被保护的设备距离在有效范围内。