摘要：高压断路器是电力系统中最重要的控制和保护设备，其主要作用是当电力系统中出现故障时，立即断开故障点，确保电力系统的安全稳定运行。近年来，高压断路器在运行中因遭受雷击导致设备损坏，且引起事故扩大的情况较以往有增加的趋势。雷击事故造成了断路器闪络，包括灭弧室内部击穿、爆炸和外瓷套闪络（灭弧室和支持瓷套均有），有些事故还波及到母线，扩大了事故范围，引起人们的关注，因此必须要对断路器雷击故障损坏原因进行分析，并相应的采取措施以减少断路器雷击现象。
关键词：110KV断路器；雷击故障；损坏原因；案例分析
一、110KV断路器雷击故障事故案例
（1）某日受当时恶劣天气的影响，110 kV线路V 相遭受雷击形成瞬时接地故障，该线路断路器成功开断故障电流后（110 kV 断路器均为三相联动操作），并处于热备用状态时，该线路W相再次遭受雷击（后据雷电信息系统线路雷电查询结果统计，在故障前后的 2 min 时间内，该线沿线共落雷 59 次），造成该线路断路器W相灭弧室瓷套外绝缘击穿。现场外观检查发现该线路断路器W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1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。
这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所提高，但断路器断口的耐雷水平并未提高，而正常运行的线路侧断路器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，110kV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，110kV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。在此情况下根据行波理论，当沿线袭来的幅值为 U50%的雷电波到达开路的末端即断路器的线路侧时，A点电压的幅值将升至 2×U50%。即行波发生全反射使该处过电压幅值达到入射波电压幅值的2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。
（2）某 220 kV变电所110kV线路C相线路近区遭受雷击发生接地故障，故障电流6.7 kA，故障后25 ms该线距离I 段出口，约90 ms切除故障，故障切除后约20 ms断路器C 相又出现故障电流，1415 ms后2号主变后备零序I段保护第一时限出口跳110kV母联断路器，1715ms第二时限出口跳2号主变110 kV断路器。从故障录波图看，1771ms时2号主变110 kV断路器断弧，至此110kV副母失电，故障被切除。现场检查发现故障断路器处于合闸状态，机构以及机械传动部件连接良好，传动到位。C 相灭弧室瓷套发生爆裂，外表面无明显电弧烧灼痕迹，内表面有严重的高温烧灼痕迹，其主导电回路部分已发生不同程度 的烧损。C相支撑瓷瓶断裂，极柱下部换向机构底部有一个熔洞。从故障情况分析，分闸状态下C相灭弧室发生内击穿燃弧持续1666ms左右，导致导电回路部件严重烧损及瓷瓶爆裂。
故障发生时为大风雷暴天气，该线C 相线路近区遭受雷击发生接地故障，线路保护正确动作，于90ms左右切除故障。此时该线C相断路器线路侧与母线避雷器失去连接保护。推断认为在断路器自动重合之前，线路再次遭受连续重复雷击，雷电波侵入变电站，在断路器断口处发生全反射，雷电幅值加倍，并可能与系统工频电压发生叠加，超出开关设备的雷 电冲击耐受水平标准，导致该线C相断路器断口在20ms后击穿，发生电弧重燃。
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（3）由于系统运行方式改变，某变电站原运行中的110kV线路转为热备用状态。雷击引起该110kV线路断路器相爆炸，整个相瓷套管粉碎性炸碎。灭弧室动触头的主触头靠相侧被电弧灼伤，静触头有指端部显见电弧灼伤痕迹，整个动、静触头组件外表面均呈电弧熏过颜色。静触头部分与引线一同摔向地面，引线与刀闸构架之间对地短路，造成该变电站母线相接 地短路。
这起断路器爆炸事故均发生于雷雨天气，可以断定事故的直接原因为雷击线路。该线断路器V相灭弧室瓷套爆炸，有2个现象值得探索：一是电弧灼伤痕迹可明显断定灭弧室内已绝缘击穿，是由于雷电侵入波的陡度值处在外绝缘大于内绝缘的区域，因此导致断路器的内绝缘由于承受不了高陡波的雷击而被击穿。二是U相断路器线路侧挂有电压抽取装置（OY）1只，理应起到一定削减波头陡度的作用，由于电容量不足，抑制波头陡度作用不显著，但是，若无OY的削波作用雷电波将以来波的陡度击向断路器断口，此时危及周边设备的程度将更加严重。
总之，断路器雷击故障原因大致可以总结为：一是雷电波入侵，雷电波入侵是故障发生的直接原因。线路落雷，雷电波经过线路，直接传到变电站，导致了相当大的过电压，从而发生 故障。断路器没有安装线路避雷器，雷电流直接传到变电站，在断路器端口形成电压反射，瓷瓶的外绝缘在过电压冲击中，引起闪络。二是雨滴，雷电波的入侵增大了断路器动静触头、上下接线板的电压差值，雨水的不断冲击降低了断路器的上下接线板间的绝缘性，在过电压冲击中，发生放电现象。检测中发现瓷瓶V相的表面灼烧痕迹表明了放电现象的发生，而瓷套上轻微的痕迹则说明放电现象的发生是因为雨水的冲击。因而雨滴是雷击故障的间接原因。三是未装避雷器，线路侧并未提前安装避雷装置，在雷击中，线路的常规状态切换到充电备用模式时，雷电波传导进变电站，造成了过电压。这是雷击故障的人为因素。
二、断路器雷击故障事故处理过程和防范措施
（1）断路器雷击故障事故处理过程
发生雷击事故后对断路器进行相应检查时应注意以下几个问题：根据保护动作和故障录波判断故障相的情况（如灭弧室已炸裂则无需再作确定），同时检查断路器的外观；对断路器做一些必要的试验，如机构能否动作、回路电阻测量、SF6 气体分析等，这里强调对非故障相也要做相应的检查，曾发现有通过三相连通气管将故障相的气体污染到完好相的情况；最后是对故障相解体检查，查找故障点，有条件的话，解体工作可在制造厂车间里进行。一般情况下，外闪如没有伤及伞裙或端部法兰被电弧烧灼不严重，瓷套可以再利用，而内闪后瓷套内壁将会有损伤，不主张再利用。但定开距的灭弧室情况却相反，电弧仅在绝缘筒内燃烧，瓷套的内壁几乎没有影响，瓷套有可能再利用。
（2）防止断路器雷击可采取的措施
鉴于近年来雷电活动的形势和事故的教训，在多雷区应采取有效的防范措施：一是在多雷区宜在每回出线断路器的线路侧装设保护性能良好的氧化锌避雷器，这是避免此类故障最有效的方法。已投运的变电所若因安装条件的限制，可以考虑在终端杆处安装悬挂式线路避雷器，其额定电压宜取该电压等级的上限，且应计算确认断路器在该避雷器的有效保护范围 之内。二是变电所无法加装避雷器，线路终端塔加装避雷器不能保护断路器的可采用引弧间隙释放雷电，引弧间隙可以安装在线路终端塔的三相绝缘子上，也可以对断路器稍加改进，安装在断路器的支持绝缘子上，此时线路进线应先接经该绝缘子，然后再经断口另一端引入变电所。但是，引弧间隙因安装和气候环境的关系而分散性较大，可能会引起线路雷击跳闸率的升高。三是利用接地线良好的屏蔽作用防止雷电直击导线，同时应尽可能降低最靠近变电站的杆塔接地电阻以防止反击。因为雷的直击和反击可以在分闸断路器处产生波头时间很短的过电压，以有效减少近区雷击的危害。对于一些雷击跳闸率较高的线路，除设法降低杆塔接地电阻外，还可以加装线路避雷器，以削弱沿线侵入的雷电波幅值，对线路设备和变电设备都起到良好的保护作用。
参考文献：
[1]国家电网公司安全监察部.国家电网公司电力生产事故调查规程[S]．
[2]徐国政.高压断路器原理和应用[M].北京：清华大学出版社，2000.
论文作者:田晋生
论文发表刊物:《电力设备》2018年第25期
论文发表时间:2019/1/16
标签：断路器论文; 故障论文; 线路论文; 雷电论文; 过电压论文; 避雷器论文; 断口论文; 《电力设备》2018年第25期论文;