喜胡２００８年第２７卷第１期 断路器遭雷击损坏的事故分析及防雷措施改进 朱胜龙 叶剑涛 李 伟 （安徽省电力科学研究院高压所 ２３００２２） 摘 要 介绍了三起多重雷击引起断路器损坏事故的过程和原因分析，并着重对事故中的几 处疑点进行了讨论，最后提出了应改进的防雷措施以确保电网安全运行。 关键词 断路器 多重雷击 事故 防范措施 １ 引言 变电站的防雷保护主要是直击雷防护和雷电进 相灭弧室上部法兰处瓷群损坏约１５ ｃｍ，灭弧室尾 部瓷群与中间法兰之间有三处放电点及放电损伤情 况，灭弧室外瓷套上下有贯穿性放电痕迹；解体检 查灭弧室内部无异常情况。故障开关为阿海珐公司 ＦＸＴ１４Ｆ型单断口ＳＦ 开关，其所在电网接线图如 图１所示。 波保护，２２０ ｋＶ及以下电压等级的变电站雷电进 波的防护一般采用在母线及变压器绕组首端安装避 雷器进行保护。５００ ｋＶ变电站母线上不要求安装 避雷器（通常只在安装ＣＶＴ的一相装有避雷器）， 而线路末端安装的线路侧避雷器则兼起操作过 电压的作用。２２０ ｋＶ及以下的电压等级的线路， 除了雷季会处在热备用状态的联络线的出线侧也安 装了避雷器外，对其他在正常情况下运行的线路， 则未考虑安装避雷器。 安徽地区的雷电活动属中等频度，每年在４０ 个雷电日左右。近年来有趋向严重的趋势，尤其是 江南片城市如铜陵和黄山的山区强雷爆天气逐渐增 多。近几年雷害事故明显增加，２００５年和２００６年 还发生了因为线路遭受多重雷击导致２２０ ｋＶ和 １１０ ｋＶ线路断路器断口瓷套外闪从而使事故扩大 的严重事故。现对发生于２００５年和２００６年的三起 图１宿州姬村变电站２２０ ｋＶ侧故障断路器部分主接线图 （２）２００６年８月２４日受当时铜陵地区恶劣天 气的影响，１１０ ｋＶ朱金４６４线路Ｂ相遭受雷击形 同类事故的过程和原因做简单介绍和分析。 ２事故情况简介 （１）２００５年８月２日，宿州市城区及北部突发 大范围雷电及暴雨天气，雷电过程强烈，２点２０ 分左右姬村２２０ ｋｖ国姬２７２６线路遭受雷击，导致 成瞬时接地故障，４６４开关成功开断故障电流后 （１１０ ｋＶ开关均为三相联动操作），尚处于热备用 状态时，４６４线路Ｃ相再次遭受雷击（后据雷电信 息系统线路落雷查询统计，在故障前后的两分钟时 间内，４６４沿线共落雷５９次），造成４６４开关ｃ相 灭弧室瓷套外绝缘击穿。现场外观检查发现４６４开 关ｃ相灭弧室上下法兰与瓷套的结合部位存在明 显的放电痕迹，与灭弧室上法兰结合部位的瓷套大 伞瓷裙破裂一片。灭弧室法兰放电部位附件的伞裙 釉质明显烧损变色，灭弧室放电部位的法兰金属表 面有明显烧熔现象；解体检查灭弧室内部无异常情 况。故障开关为西门子公司３ＡＰ１ＦＧ型单断口ＳＦ ６７ 塔ｃ相绝缘子放电击穿形成单相接地，紧接着 ２７２６开关Ｃ相分闸。此后在开关重合闸整定时间 ８００ ｍｓ内（此时开关处于热备用状态），２７２６线路 再次遭受雷击，雷电波沿线路侵入变电站，雷电过 电压作用于２７２６开关Ｃ相断口，在过电压作用下 ２７２６开关ｃ相断口外绝缘短路，发生贯穿性放电， 母线避雷器动作。现场外观检查发现２７２６开关Ｃ ４７·—－—— 与ｔ｛ｊ ２００８年第２７卷第１期 开关，其所在电网接线图如图２所示。 旁母 ＩＩ母 Ｉ母 图２铜陵朱村变电站１１０ ｋＶ侧故障断路器部分主接线图 （３）２００６年９月５日黄山地区雷雨交加，１０ 时４９分４３秒０６２毫秒，万岩９２１线路遭雷击（后 查找故障点发现万岩９２１线路３１ 塔Ｂ相绝缘子自 爆一片，其他相无雷击闪络痕迹；３２ 塔Ａ相整串 有明显的雷击闪烙痕迹，Ｂ、Ｃ两相有２片雷击闪 烙痕迹），９２１断路器动作跳闸（故障为ＡＢＣ三相 且重合闸未投），１０时５１分５６秒７２４毫秒万岩 ９２１线路再次遭受雷击，此时９２１断路器在热备用 状态，造成９２１断路器Ｂ相灭弧室瓷套外绝缘损 伤，由于电弧力及风的作用，经５６４ ｍｓ发展为ＢＣ 两相故障，故障持续至６６４ ｍｓ切除。现场检查发 现９２１开关Ｂ相上下接线处有明显电弧灼伤痕迹， 且上接线柱附近瓷瓶被击碎；Ｃ相上接线柱附近瓷 瓶亦被击碎；解体检查灭弧室内部无异常情况。故 障开关为西门子公司３ＡＰ１ＦＧ型单断口ｓ 开关， 其所在电网接线图如图３所示。 旁母 ＩＩ母 Ｉ母 图３黄山万安变电站１ １０ ｋＶ侧故障断路器部分主接线图 ４８－－—— 断路器遭雷击损坏的事故分析及防雷措施改进 ３事故原因及分析 这三起断路器外闪事故均发生在雷雨天气，可 以断定事故的直接原因为雷击线路。初步分析认 为，事故原因是：①事故地区处于雷电多发区。② 虽然自１９９５年起对电网逐年进行调爬（加大爬 距），线路和变电站的绝缘水平相对而言已有提高， 但断路器断口的耐雷水平并未提高，而正常运行的 线路侧开关的外侧亦未安装避雷器。③当第一次雷 击故障时，故障线路的断路器正常开断，２２０ ｋＶ 断路器故障相或１ １０ ｋＶ断路器三相处于断开状态， 但母线工频电源电压仍施加在灭弧室的一端。此时 若在断路器重合闸无电流间隙时间内，２２０ ｋＶ线 路故障相或１１０ ｋＶ线路任何一相再次遭受雷击， 雷电波除正常的衰减外将沿线路传输至断路器的线 路侧，由于断路器在热备用状态，断路器外侧对于 雷电侵入波来说处于无保护状态，母线避雷器也无 法保护。根据行波理论，幅值为ｕ 的无限长直角 电压波沿线路ｚ 向线路ｚ：传播（见图４），当ｕ 。 到达Ａ点时将发生折射，折射电压ｕ： 自Ａ点继续 在ｚ 上传播，而在ｚ 上同时出现反方向传播的 反射电压ｕ１ｆ。出现ｕ２ｑ、ｕ１ｆ的同时，伴随ｉ２ｑ、ｉ１ｆ 的出现。因为Ａ点ｚ 侧和Ａ点 侧的电压和电 流必须连续，这样就有：ｕｌｑ＋ｕＩｆ＝ｕ２ｑ；ｉ１ｑ＋ Ｉｆ ｉ 。同时入射电压、折射电压、反射电压与它 们对应的电流应满足：ｉｌｑ·Ｚ１＝ｕｌｑ；ｉ２ｑ·Ｚ２＝ｕ２ｑ； ｉ Ｚｌ＝一ｕｉｆ［ 联立求解上列各式可得 ２Ｚ２ ｑ ｑ （１） Ｚ２一Ｚ１ ｑ （２） 图４行波的折射与反射示意图 根据以上分析，当沿线袭来的幅值为５０％ 的雷电波到达开路的末端即断路器的线路侧时（见 图５），相当于图４中Ｚ２＝ｏ。，则入射电压ｕ１。传 到开路的线路末端时由式（１）、（２）可得：ｕ：。＝ ２ｕ１ ；ｕ１ｆ＝ｕ１ 。这一结果表明，入射电压到达开 断路器遭雷击损坏的事故分析及防雷措施改进 路的线路末端Ａ点时，Ａ点电压幅值将升至 嘭 量闻２００８年第２７卷第１期 被击穿。因为雷电波的随机性很大，若雷电波冲击 ２×５０％Ｕ。即行波在Ａ点发生全反射使该处过电 压幅值达到入射波电压幅值的两倍。而断路器均为 单断口无并联电容，所以断口电容很小，过电压的 大部分作用在该断口电容上。当过电压与母线电源 电压叠加后，施加在断路器灭弧室两端，从而造成 瓷套外绝缘击穿，于是电源通过故障相断路器瓷套 的外闪电弧对故障相线路接地点供电，造成了二次 短路。 全反射 入射波 ＼ 图５雷电波侵入至线路末端开路时的全反射示意图 ４几点讨论 （１）三起事故均是断路器灭弧室瓷套发生闪 络，而支柱瓷套未损，此现象与断路器绝缘设计思 想相悖。按规程规定：全波冲击水平是断口绝缘大 于对地绝缘【２ｊ。而铜陵公司和黄山公司断路器的 断口线路侧正好在灭弧室瓷套的下法兰处，这部分 绝缘对地发生击穿理应先于断口绝缘。但现实情况 正好相反，分析原因可能是断路器断口一侧的过电 压与母线电源电压叠加后施加在断路器灭弧室两 端，造成断口间的过电压（已超过断口额定冲击耐 压值）远远超过断口对地的过电压（未超过对地的 额定冲击耐压值），从而使得总是灭弧室瓷套发生 闪络，而支柱瓷套未发生损坏。 （２）三起事故均是断路器灭弧室瓷套发生外部 闪络，而灭弧室内部经解体检查未发现明显异常。 图６给出了ｓＦ 断路器内外绝缘的伏秒特性曲线， 从图中可以看出，因为ＳＦ 气体应尽量设计处于均 匀或稍不均匀电场中，且Ｓ 断路器通常采用同轴 圆柱结构ｌｌ Ｊ，所以ｓ 断路器的灭弧室内绝缘伏秒 特性曲线比较平坦；而灭弧室外绝缘为空气及瓷套 混合绝缘，电场极不均匀，其伏秒特性相对而言则 较为陡峭。这三起事故中出现的异常情况其原因可 能是断路器的线路侧未安装避雷器，而雷电波冲击 电压的幅值处于低于灭弧室内绝缘特性曲线且又高 于灭弧室外绝缘特性曲线的区域，从而导致ｓＦ 断 路器的外绝缘由于承受不了高幅值的雷电波冲击而 电压的幅值很大，即击穿电压接近或匹配于内外绝 缘特性曲线的交叉点时（见图６），外绝缘先击穿 或内、外绝缘同时击穿放电，如江苏、广东等地近 几年就发生过此类断路器内绝缘击穿导致灭弧室爆 炸的事故。 ０ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ ｔ／ａｓ 图６ ＳＦ 断路器内外绝缘的伏秒特性曲线 ／ＵｃＢｗ一雷电波电压幅值／灭弧室内绝缘稳态击穿电压值 （３）按规程规定【３ Ｊ，１１０ ｋＶ架空线路进线距 变电站１～２ ｋｍ范围内的几个杆塔的接地电阻值低 （土壤电阻率１００ Ｑ·ｍ时≤１０ Ｑ，１００～５００ Ｑ·ｍ时 ≤１５ Ｑ，５００ Ｑ·ｍ以上时≤２０ Ｑ），对减弱雷电波 幅值有帮助，起到保护线路侧断路器的作用。这两 起１１０ ｋＶ断路器事故是否与杆塔接地电阻值有关 还有待分析及验证。 （４）根据ＣＩＧＲＥ在１９９６年对过此类事故的相 关统计，发现一个很特别的现象，断口闪络的断路 器并非三相全部闪络（除雷电波的幅值和随机性因 数外），断口线路侧并联耦合电容器（ＯＹ）的相多 数没有发生闪络事故（约占其统计的８０％），反 之，未并联ＯＹ的相几乎均发生了闪络。究其原 因，可能是ＯＹ有较大的电容，对雷电侵入波的波 头有削减其陡度的作用，或仅是一种随机现象亦有 待探讨。 ５ 结束语 鉴于近年来安徽地区雷电活动频繁的形势和几 次同类事故的教训，提出如下改进措施： （１）建议２２０ ｋＶ的新建变电站在设计时可考 虑在每条线路末端加装线路型避雷器（根据几种避 雷器的保护特性，建议采用性能良好的氧化锌避雷 器）。这些线路避雷器除了能防止断口内外闪络， 也可以保护母线上的其他电气设备。已运行的 ２２０ ｋＶ变电站因安装条件的可以考虑在线路终端 ４９．－—— 嘭王勇胡２００８年第２７卷第１期 杆处安装悬挂式的线路型避雷器，其额定电压宜取 断路器遭雷击损坏的事故分析及防雷措施改进 ２００４． 该电压等级的上限值。对于重要的１１０ ｋＶ及３５ ｋＶ变 电站也应参照２２０ ｋＶ等级的要求执行。 ［２］高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求 ＧＢＴ １１０２２－－１９９９［Ｓ］． ［３］ 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合．ＤＬ／Ｔ （２）利用避雷线良好的屏蔽作用防止雷电直击 导线以及使最靠近变电站的杆塔具有低的接地电阻 ６２０—１９９７［Ｓ］． 以防止反击（因为这种雷的直击和反击可以在分闸 断路器断口处产生波头时间很短的过电压）等，也 Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｒｅａｋｅｒ Ｆａｕｌｔｓ Ｃａｕｓｅｄ 能显著地减少近区雷击的危害。研究表明，若将避 ｂｙ Ｍｕｌｔｉ－Ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ Ｓｔｒｏｋｅｓ ａｎｄ 雷线的屏蔽角由３５。减小到２０。可使受雷击危害的 Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ Ｍｅａｓｕｒｅｓ 数量减少１／８，若将杆塔接地电阻保持在约５ Ｑ以 Ｚｈｕ Ｓｈｅｎｇｌｏｎｇ 下，２２０ ｋＶ及以上电压等级架空线上的反击可以 （Ａｎｈｕｉ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ） 忽略。至少对那些雷电活动不是很强烈的地区（年 Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｒｅａｋｅｒ ｆａｕｌｔｓ ｃａｕｓｅｄ 雷暴日少于３０天），避雷线的屏蔽角小于２０。，且 ｂｙ ｍｕｌｔｉ—ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ ｓｔｒｏｋｅｓ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｓｏｍｅ 靠近变电站１ ２ ｋｍ内的杆塔接地电阻低于５ Ｑ ｑｕｅｓｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆａｕｌｔｓ ｗｅｒｅ ｅｍｐｈａｓｉｚｅｄｌｙ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ａｔ ｌａｓｔ，ｔｈｅ 时，会使分闸断路器断口遭雷击闪络的可能性减少 ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｗｅｒｅ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ 到可以接受的程度。 ｔｈｅ ｇｒｉｄ ｓａｆｅｔｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｒｅａｋｅｒ ｍｕｌｔｉ—ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ ｓｔｒｏｋｅｓｆａｕｌｔｓ 参考文献 ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｓ ［１］周泽存．高电压技术［Ｍ］．北京：中国电力出版社， 收稿日期：２００６—１２—２１ （上接第３９页） 合上，此时电压降至正常状态，说明谐振消失，也 ２．３ １０ ｋＶ母线或线路接地 可以送一条长度大于１３ ｋｍ的１０ ｋＶ线路，从而破 具体表现为接地相电压降低，另外两相电压升 坏∞￡和１／（３∞Ｃ０）的平衡，达到消除谐振的目 高Ｕ 一０ ｋＶ、Ｕｂ一 ×６．３ ｋＶ、Ｕ 一 ×６．３ ｋＶ， 的，有时谐振可导致导致高低压保险熔丝熔断，可 Ｔｖ开口三角出现零序电压，同时发出接地信号。 上述方法检查排除。 当出现以上现象时，只有线路或母线接地和谐振两 种情况，为排除谐振可能性，此时可将１０ ＫＶ母 ３ 结束语 联或分段开关合上或断开，目的是为了破坏∞￡和 本文就１０ ｋＶ电压回路可能出现的异常现象进 １／３∞Ｃ。的平衡度，如果仍维持上述故障现象则可 行了分析总结，并给出了具体的故障特征、判断方 判断为母线或线路接地，可用逐个拉路的方法排 法及处理方法，对从事运行和检修的人员有一定的 查，如果逐个排查后仍有故障存在，则基本可判断 实际意义。 为１０ｋＶ母线接地。 ２．４ 由谐振引起的电压异常 参考文献 现象为三相电压异常升高，三相电压基本平 ［１］贺家李，宋从矩．电力系统继电保护原理［Ｍ］．北 衡，不发接地信号，时间持续几秒或长时存在，有 京：中国电力出版社，１９９４． 时表现为一相电压降低另外两相升高，并报告接地 ［２］ 国家电力调度通信中心．电力系统继电保护规程汇编 信号，这种现象称为假接地。这两种情况均由谐振 ［Ｍ］．北京：中国电力出版社，１９９７． 引起，排除时可将１０ ｋＶ母联、分段断路器断开或 收稿日期：２００７—０３—２９ Ｄ一
