農村配電網線路和設備的防雷接地保護研究

封崇益,陳鑄華

(湖南省電力公司中心培訓部,湖南長沙 410131)

某鄉鎮某臺區 1臺 10kV/0.4 kV配電變壓器高壓側的避雷器 (三相)B相發生爆炸,高壓連接線皮燒焦可見。事發當天氣象情況為小雨。該鎮上某娛樂室 1名手握麥克風正在唱歌的男子突然被電擊死亡 (法醫鑒定結果證明)。事后分析由于高壓側避雷器爆炸冒火,變壓器高壓側過電壓經避雷器放電瞬間升高變壓器低壓側接地端中性點電位,該高電壓又經低壓側中性線進入低壓用戶線路的零線中,使原來低壓用戶的零線成為高壓線。同時由于該娛樂室接地電阻值偏大,且室內各級漏電保護器都未安裝,因此麥克風金屬外殼絕緣被擊穿后帶高壓,導致發生這起供電事故。

1 配電變壓器防雷接地保護接線

1.1 配電變壓器防雷接地保護接線方式

運行經驗表明:配電網的雷害事故約占整個電力系統雷害事故的 70%～80%。而農村配電網更易遭受雷害,主要因為農網低壓線路分布在田野、山間,無任何保護,容易遭受雷擊,而城網低壓線路卻在高層建筑物的避雷帶、避雷針等的保護之下,不容易遭受雷擊的危害。

一般配電變壓器防雷接線采取 3點共同接地,即將防雷接地 (高、低壓避雷器)、保護接地 (外殼)和工作接地 (低壓中性點)連接在同一個接地裝置,接地電阻應滿足三者之中的最小值,一般規定＜10Ω,且要有垂直接地極,以利散流,如圖1。低壓工作接地一般應＜4Ω,因而接地電阻主要取決于高壓側對地擊穿時的保護接地,一般情況下配電變壓器都是向 B類建筑物供電的,標準規定,只有當保護接地的接地電阻 R≤50/I時,高壓側防雷及保護接地才能與低壓側工作接地共用 1個接地裝置,其中 I為高壓系統的單相接地電流。

對不接地系統,I為系統的電容電流;對消弧線圈接地系統,I為故障點的殘流。有些系統雖裝有消弧線圈,但常常運行不正常而退出運行,目前不少 10kV系統 IC都在 40A左右,所以較大的高壓系統中 R應取 1Ω。如果按上述計算結果 ＞4Ω,則由于低壓工作接地要求≯4Ω。公式 R≤50/I中,即高壓側對外殼單相接地時,接地電流流過接地裝置的壓降不得超過 50V。

圖 1 S9-10k VA型 10 kV配電變壓器“三點一地”接線保護方式原理圖

施工中配電變壓器接地常將高壓側避雷器接地線以最短距離與變壓器外殼接地線共同聯接 1個點到接地裝置,而低壓側中性線與低壓側避雷器接地線聯接 1個點接到接地裝置,這 2個接地裝置在地下的環形接地網中再連接起來。如圖 2所示。

圖 2 施工中配電變壓器常用接地方式原理圖

這 2種方式中都是共同接地的,只是它們連接的次序不同,最終還是連在一起。采用圖 1的接法會產生的問題就是低壓線圈及中性線全部承受接地裝置上的壓降,特別是當中性點存在重復接地,接地電阻小于配電變壓器接地電阻,且離配電變壓器較近時,高壓側避雷器的放電沖擊電流將較多流向重復接地,有時會將一般較細重復接地的引下線燒斷。而圖 2的接法就較為合理,主要是對高壓線圈的防雷保護合理,對低壓中性線的沖擊也較小,因為部分雷電流已通過接地裝置流入地中。

1.2 配電變壓器低壓側宜采用接地型式

前述配電變壓器低壓側中性點接地,并與高壓側避雷器接地共用一個接地裝置,適應于大量采用的低壓系統為 TT和 TN,如采用 IT制式,則中性點就不能接地。一般居民用戶可用 TN-C-S系統,即低壓從配電變壓器引出的主干線可采取 TN-C系統 (四線制),到用戶的支線采取 TN-S系統。

2 低壓側安裝避雷器

配電變壓器采取 3點聯合接地方式,當雷電降落在低壓側線路產生的雷電過電壓或操作過電壓直接通過計量表箱加在低壓側繞組上,按 10 kV/0.4 kV=25倍變比感應到高壓側產生高電壓為:U高=25倍 ×8 kV=200 kV。該感應電壓遠遠超過變壓器高壓繞組的允許沖擊電壓 75k V,會擊穿高壓側繞組,損壞變壓器。同時,雷電沖擊電壓通過低壓線路侵入用戶,也會造成用戶家用電器的損壞,甚至危及人身安全。因而必須采取措施,限制低壓線圈承受的電壓,即一般在低壓側也加 1組避雷器。當地電位升高時,通過避雷器放電,使低壓線圈只承受低壓避雷器的殘壓 (1.3 kV左右),這樣高壓中性點附近的過電壓就被限制在可承受范圍之內,防止逆變換損壞變壓器,見圖 3。

圖 3 配電變壓器逆變換情況

低壓側加裝避雷器,因其往往采用高、低壓架空線,容易受雷擊,35 kV/0.4 kV直配變壓器因其變比大,更應在低壓側加裝 1組避雷器。加裝低壓避雷器后,原來的 3點共同接地就成了 4點共同接地,參見圖 2。由上分析可知,在低壓側裝設低壓避雷器或擊穿保險器是必要的,特別是在農村多雷地區更為重要。運行中的配電變壓器有時遭到雷擊后,變壓器內匝間絕緣擊穿只是局部放電,但還能勉強繼續運行,過一段時間后故障擴大,被迫停止運行。這就是在雷雨時變壓器絕緣局部被擊穿,而在良好晴朗的天氣中故障擴大后導致的事故,往往容易給人造成錯覺,認為并非由于雷擊損壞。

3 氧化鋅避雷器爆炸原因

這起事故因配電變壓器高壓側氧化鋅避雷器(簡稱 MOA)爆炸燒壞引發,事發當時天氣下小雨,環境較潮濕。從變電站現場運行的各方面調查分析表明,MOA事故原因 69%為制造質量問題,25%為運行不當,6%為選型不當而造成的。而內部受潮直接影響產品質量,是引起 MOA爆炸事故的主要原因。MOA受潮有 2個途徑:(1)密封不良或漏氣,使潮氣或水分侵入;(2)裝配環境不良或干燥處理不徹底,造成附著潮氣的閥片和絕緣件裝入瓷套內,使潮氣被封在瓷套內,長此以往造成閥片和絕緣件受潮。

上述 2種途徑受潮所產生的結果是相同的,從多起事故后避雷器殘骸可以看出,閥片沒有通流痕跡,閥片兩端噴鋁面沒有發現大電流通過后的放電斑痕,而在瓷套內壁或閥片側面卻有明顯的閃絡痕跡,在金屬附件上有銹斑或鋅白,這便是 MOA受潮的證明。

4 重復接地的安全作用

為了防止變壓器低壓側中性點電位瞬間升高對用戶安全的影響,可以在靠近用戶的地方加裝輔助接地線 (重復接地)。根據 0.4 kV電網結構的實際情況,可以分別在 N處電線桿上,用導電性能好、力學性能好的導體將電網的零線直接接地,稱之為重復接地。其接觸電阻要求≯10Ω。重復接地可以降低零線的對地電壓,縮短 0.4 kV電網單相接地故障時間,同時當 0.4k V電網遭受雷擊時,雷電將通過多處重復接地點引入大地,從而保護設備和人身安全。

5 漏電保護裝置的安裝使用

發生事故的娛樂室配電線路接線圖如圖 4。

圖 4 KTV室內配電線路接線圖

該娛樂室為 TT系統接地方式,室內總開關箱接地電阻為 11.8Ω,相對標準值 10Ω偏大。同時,各電源插座未設置漏電保護裝置和總開關箱電源進線端未裝設避雷器,配電變壓器低壓側中性點上產生的高電壓可以經室內開關配電箱的零線進入各個受電設備,擊穿絕緣后將正在手握麥克風唱歌的男子擊倒造成電擊死亡的嚴重事故。

一般而言,對 TT系統裝設漏電保護裝置時,要認真檢查線路上重復接地設施。在漏電保護裝置的負載側不能設置重復接地,否則將造成漏電保護裝置的誤動和失效。在分級保護方案中尤應注意這一問題。因為重復接地對末端漏電保護裝置來說為電源側,但對前一級的漏電保護則為負載側。另外TN-C-S系統安裝漏電保護裝置時,必須將相線和 N線一同穿過漏電保護裝置的零序電流互感器,這就應選用 2極或 4極漏電保護裝置。

6 結 論

配電變壓器容易發生雷害事故,經檢查和分析都是由于在防雷接地上存在缺陷和漏洞所致,特別是在接地和低壓側的防雷保護方面存在問題較多,低壓配電系統設計技術規程對低壓側防雷接地保護要求并不嚴格,如果用戶配電線路同時又存在問題,那么人身電擊死亡事故就有可能重蹈覆轍。因此,要提高農網配電變壓器的防雷保護水平就必須進行全面檢查,對防雷接地方面所存在的缺陷進行整改,加強農村低壓配電網用戶安全用電的技術管理和指導,一定能夠大幅度地降低雷害事故,提高農村配電網的安全運行水平。

〔1〕林福昌.高電壓工程 〔M〕.北京:中國電力出版社,2006.

〔2〕李景祿.實用電力接地技術 〔M〕.北京:中國電力出版社,2002.

〔3〕張緯鈸,何金良,高玉明.過電壓防護及絕緣配合 〔M〕.北京:清華大學出版社,2002.

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〔5〕馬淑華.農村配電變壓器的防雷保護 〔J〕.農村電氣化,2000(12):25-26.