一起500kV线路多重雷击事故分析

侯俊宏

(嘉陵江亭子口水利水电开发有限公司,四川 苍溪 628400)

0 引言

GIS设备由于结构紧凑、占地空间小、维护工作少等优点在电力系统得到广泛的应用,是电力系统中重要的电气设备之一,实际运行过程中,GIS热备断路器断口或其他部件因雷击或多重雷击发生损坏的情况时有发生[1-3]。由于GIS管道的波阻抗极小(只有同电压等级架空输电线路的1/12～1/15)[2],侵入GIS内的雷电波在管道内来回反射,会形成陡度较高的过电压。对于分断状态的GIS断路器,雷电侵入波在断路器断口处形成的过电压幅值将因为发生反射而得到侵入过电压的2倍,严重威胁了GIS设备的安全运行[4]。

本文以某水电站500 kV线路遭受多重雷击引起GIS设备故障为例,通过ATP-EMTP建立电磁暂态仿真分析模型,对雷电侵入波过电压幅值进行仿真计算,分析了雷击过程原因,并提出了相应的防雷措施。该500 kV线路跨越了四川盆地北部、大巴山南缘等两个大的地貌单元和嘉陵江、东河、恩阳河、巴河、州河等五大水系,地势上总体北高南低。区内主要地貌类型可分为侵蚀堆积地貌,侵蚀、剥蚀构造低山丘陵区,侵蚀、剥蚀构造中低山区,分为丘陵、一般山地、高山大岭三种地形地貌单元,区域内多为雷雨大风和寒潮大风等复杂的气象环境。本文对于雷击频发地区的发电厂GIS开关站和线路防雷工作具有重要参考和借鉴意义。

1 事故简介

某水电站总装机容量1100 MW(4台275 MW混流式水轮发电机组),前期主接线为三角形接线方式,预留一回出线间隔,现单回出线接入川东北电网500 kV变电站。500 kV开关站为室内GIS布置,出线场和主变压器均采用GIS管道形式布置,主接线如图1所示。

图1 电气主接线示意

1.1 事件前运行方式

2019年10月3日9时,某水电站500 kV线路走廊天气情况为强降雨,伴随大风并有雷电。500 kV线路运行,母线电压524 kV,系统频率50 Hz,5001、5002、5003开关合环运行,1、2、3、4号主变运行,1号机组负荷34.4 MW,3号机组负荷196.4 MW,4号机组32.8 MW,2号机组停机备用,全厂总负荷263 MW。

1.2 故障经过

2019年10月3日09时55分21秒,500 kV线路1号保护装置光纤差动保护动作、线路2号保护装置光纤距离保护动作;5001、5002开关C相跳闸,重合闸动作后勾通三跳,5001、5002开关三相跳闸。

检查线路1号保护装置保护C相跳闸出口、线路2号保护装置保护C相跳闸出口,重合闸动作后三相跳闸出口。

通过向电网申请线路转检修,检查发现500 kV GIS线路侧C相气室SF6气体分解,出现了SO2、H2S等特征气体,显示气室内部出现了大幅值故障电流。对故障气室进行开盖检查,发现C相气室原预留高抗引出线盖板支撑绝缘子放电,如图2所示。

图2 故障放电点

从图2可知,电弧从均压球下侧开始,沿着支柱绝缘子表面向下发展,在GIS管道内壁处弥撒式灼烧,造成均压球下部金属铝部分熔化熔液飞溅,支柱绝缘子及金属外壳内壁大面积灼烧。

该绝缘子位于GIS出线管道预留高抗引线位置,此处导体结构比较复杂,电场畸变,是GIS绝缘的薄弱点[2]。

2 雷击过电压仿真分析

采用ATP-EMTP建立水电厂升压站雷电侵入波分析模型如图3所示,其中出线平台线路间隔避雷器型号为Y20W5-444/1065,户外场一次设备二分裂连接线型号为2×LGJQT-1400/35。架空线1号杆塔类型为5A-ZM1直线酒杯塔,1号杆塔距离升压站户外场300 m,500 kV导线型号为4×LGJ-400/50,地线型号为GJ-70,绝缘子串为28片XP-160型绝缘子,线路档距为500 m,杆塔接地电阻为2 Ω,雷电流波形采用1.2/50 μs单极脉冲波。500 kV GIS额定雷电冲击耐受电压(1.2/50 μs)相对地为1 675 kV,断口为2 125 kV,GIS管道由单芯电缆模拟。为了便于分析,在故障点和2号断路器分别设置电压观测点1和观测点2[2]。

图3 GIS升压站雷电侵入波分析模型

2.1 雷击过程仿真计算

2.1.1 第一次雷击时过电压

500 kV线路遭受第一次雷击时,两端变电站均处于正常运行方式,升压站设备耐雷电冲击过电压的水平较高[1],且雷击点距升压站较远(约76 km处),在升压站1、2号断路器合闸时,在雷电侵入波传播路径上,线路避雷器、两组GIS母线避雷器均动作,致使雷电流的陡度和幅值均降低,雷电侵入波得到有效限制,未出现超过GIS耐受电压幅值的过电压,两侧纵联距离启动后均未动作,纵联差动保护动作。通过仿真计算在断路器合闸时电压波形和避雷器电流波形如图4所示。

2.1.2 第二次雷击时过电压

500 kV线路遭受第二次雷击时,升压站1、2号断路器处于热备用状态,升压站的耐雷电冲击过电压的水平较正常情况低,虽然户外场避雷器动作且释放的雷电流幅值较大,但是由于雷电侵入波在断路器断口的反射,观测点处仍然出现了高幅值的过电压[2],超过了GIS设备耐雷水平,设备绝缘薄弱点将首先击穿。通过仿真计算在断路器分闸时电压波形和避雷器电流波形如图5所示。

图5 断路器分闸状态电压波形和避雷器电流波形

3 原因分析

基于仿真计算与故障录波及保护装置的录波综合分析故障原因如下:500 kV线路C相在09时55分21秒178毫秒至22秒365毫秒,在1068毫秒内连续发生两次故障。线路第一次雷击时,两套保护均动作,行波测距显示约76 km,1、2号断路器C相跳闸,在断路器重合闸动作时间内,线路遭受第二次雷击,雷电侵入波达到断路器断口处发生反射,过电压大幅度提高,此次故障中电压峰值1 236 kV,波头时间600 μs,为缓波头过电压,已超过GIS的理论过电压耐受值。此时1、2号断路器C相重合闸动作,C相重合在永久故障点上,纵联差动、纵联距离、距离I段等保护动作,线路重合闸不成功,断路器三相跳闸,行波测距显示为0.1 km和72.2 km,上述表明,保护动作正确,存在两个故障点。近端故障点位于管道预留高抗位置,此处导体结构比较复杂且安装了支柱绝缘子,电场在此处出现畸变,是GIS绝缘的薄弱点[2],因此,在大幅值过电压作用下击穿。

4 防雷措施

(1)通过在复杂地形多雷地区的线路安装线路避雷器、改造杆塔接地电阻,在升压站出线场加装避雷器,实现雷电能量沿传播路径逐步释放,可采用输电线路防雷与升压站防雷相结合的升压站防雷治理策略。

(2)采用增强绝缘的技术手段,通过使用高绝缘强度的绝缘材料、合理设计设备结构、严格控制工艺等方式,以提高电气设备的绝缘性能和耐压水平,降低绝缘击穿的风险。

(3)提出升压站安装雷电侵入波阻碍电抗器的设想,利用电抗器对陡波头雷电流的阻碍作用,将雷电侵入波能量阻止在升压站外并通过站用避雷器释放,解决大幅值雷电侵入波进入升压站的问题,可有效避免升压站雷击事故。

5 结语

针对上述500 kV线路遭受多重雷击发生的设备事故案列,可知在线路遭受雷击,同时,升压站断路器处于热备用状态,雷电侵入波过电压会在开路末端发生电压全反射,造成过电压水平大幅度提高,可能大大超过设备耐受过电压能力,对电气设备造成威胁或损坏。建议在设计、采购时要充分考虑设备本身的耐受过电压能力,在日常运维中采取相应的过电压保护防范措施,确保设备安全稳定运行。