針對(duì)近區(qū)多次雷擊故障的變電站防雷措施改進(jìn)建議

薛華偉

摘要：本文針對(duì)一起220kV線路多次雷擊導(dǎo)致設(shè)備損壞的事故進(jìn)行理論計(jì)算及深入分析，得出提升變電站線路間隔防雷水平的建議。

1、事故概況

2019年夏，廣東沿海220kV某變電站220kV某線路C相發(fā)生連續(xù)兩次故障跳閘，故障測(cè)距1.1kM，220kV母聯(lián)及220kV 2M母線上所有運(yùn)行設(shè)備開(kāi)關(guān)跳閘。事故發(fā)生時(shí)為雷暴天氣。

現(xiàn)場(chǎng)檢查及后續(xù)設(shè)備解體檢查發(fā)現(xiàn)，線路間隔C相電流互感器CT頭部存在多處放電路徑，斷路器在分閘情況下發(fā)生擊穿。

2、變電站防雷設(shè)計(jì)及現(xiàn)狀

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，故障線路出線避雷器布置在變電站外終端塔上，選用的避雷器為線路絕緣子防雷用的帶串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器，不是電站型避雷器。該型避雷器的正極性50%雷電沖擊放電電壓為862.6kV（峰值），負(fù)極性50%雷電沖擊放電電壓為1004kV。當(dāng)雷擊過(guò)電壓低于該沖擊放電電壓時(shí)，避雷器不動(dòng)作，雷擊過(guò)電壓侵入變電站內(nèi)，可能造成站內(nèi)設(shè)備損壞。

設(shè)計(jì)單位按照DL/T620-1997進(jìn)行變電站防雷保護(hù)設(shè)計(jì)，220kV、110kV、10kV母線上均安裝氧化鋅避雷器，主變?nèi)齻?cè)均裝設(shè)氧化鋅避雷器，220kV設(shè)備雷電沖擊保護(hù)水平配合系數(shù)為1.92。220kV IM、2M及#1、#2變高避雷器選用YH10W-200/496W。變電站內(nèi)建筑物及電氣設(shè)備均在避雷針保護(hù)范圍內(nèi)。

設(shè)計(jì)單位按照GB/T 50064-2014 第5.4.13款第6點(diǎn)要求對(duì)出線避雷器位置進(jìn)行校核設(shè)計(jì)，出線避雷器與故障CT的電氣距離為69米，距離故障開(kāi)關(guān)的電氣距離為79米。

3、雷擊故障計(jì)算及原因分析

3.1 避雷器動(dòng)作情況分析

故障線路出線避雷器未動(dòng)作，該避雷器型號(hào)為YH10CX-204/592，為帶串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器，該型避雷器的正極性50%雷電沖擊放電電壓為862.6kV（峰值），負(fù)極性50%雷電沖擊放電電壓為1004kV。由于避雷器及計(jì)數(shù)器現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)合格，產(chǎn)品處于正常狀態(tài)，因此，兩次故障時(shí)避雷器不動(dòng)作的原因?yàn)椋鼍€避雷器位置的雷擊過(guò)電壓小于該避雷器的50%雷電沖擊放電電壓，串聯(lián)間隙無(wú)法擊穿，避雷器上流過(guò)的電流較小。

故障其它相關(guān)避雷器均動(dòng)作，且均為C相避雷器。因此，懷疑為雷擊故障線路，并沿線路入侵變電站導(dǎo)致。

3.2 雷擊故障發(fā)展過(guò)程分析

故障當(dāng)天雷暴天氣，根據(jù)氣象局提供的信息，故障線路附近有5個(gè)落雷，雷電流為12-24kA。

第一次接地故障時(shí)，雷擊造成75#塔線路C相絕緣子閃絡(luò)放電的同時(shí)，雷電波向變電站方向傳播，此時(shí)開(kāi)關(guān)處于合位，雷擊過(guò)電壓可沿線路入侵站內(nèi)，引起I母221PT、 II母222PT、#1主變變高C相避雷器動(dòng)作，殘壓鉗制在532kV，有效地保護(hù)了站內(nèi)設(shè)備。

第二次接地故障時(shí)，雷電波沿著故障線路向變電站方向傳播，但由于此時(shí)C相開(kāi)關(guān)處于分閘狀態(tài)，雷電波在開(kāi)關(guān)端口位置發(fā)生波反射，且由于避雷器距離開(kāi)關(guān)斷口較遠(yuǎn)（79m），開(kāi)關(guān)斷口處的電壓將大幅提高，經(jīng)理論計(jì)算，實(shí)際開(kāi)關(guān)斷口和CT端部的雷電過(guò)電壓均將明顯超過(guò)其絕緣的雷電沖擊耐受電壓，最終導(dǎo)致開(kāi)關(guān)斷口擊穿、CT一二次繞組間放電。

3.3 理論計(jì)算

對(duì)C相第二次接地故障時(shí)，雷擊過(guò)電壓導(dǎo)致開(kāi)關(guān)、CT故障的情況進(jìn)行計(jì)算。

取雷電波為一斜角波u（t）=at，其中a為陡度。當(dāng)雷電波入侵時(shí)，由于雷電波的反射，開(kāi)關(guān)斷口處的電壓將高于避雷器端部電壓Ub，根據(jù)波過(guò)程分析，開(kāi)關(guān)斷口靠線路側(cè)和CT端部電壓為

UD = Ub + 2a l/v? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

其中，l為與避雷器的距離，v為光速。可見(jiàn)設(shè)備上所受沖擊電壓的最大值必然高于避雷器的端部電壓，其差值為

ΔU = 2a l/v? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

以上分析是從最簡(jiǎn)單、最嚴(yán)重的情況出發(fā)的。實(shí)際上，由于變電站接線比較復(fù)雜，出線可能不止一路，設(shè)備本身又存在對(duì)地電容，這些都將對(duì)變電站的波過(guò)程產(chǎn)生影響。一般可將式（2）修改為ΔU = 2a （l/v） k ，其中k 為考慮設(shè)備電容而引入的修正系數(shù)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)避雷器沒(méi)有動(dòng)作記錄的事實(shí)，為偏嚴(yán)考慮，對(duì)于多次重復(fù)雷擊，取雷電波傳到避雷器端部的電壓為正極性862kV，即處于避雷器50%沖擊放電的臨界值。由于無(wú)法獲知雷電波形的上升沿，按照以下兩種情況考慮：

1）考慮2.6μs/50μs的較陡的雷電波形，上升沿2.6μs，得到陡度（電壓變化率）a = 1430 ×106 kV/s，斷路器斷口處最大的ΔU = 2a l/v = 753 kV，CT端部ΔU為658 kV，實(shí)際斷路器斷口處最大電壓可達(dá)1615 kV，CT端部電壓可達(dá)1520 kV。

2）考慮8μs/20μs的波形（避雷器電阻片雷電沖擊試驗(yàn)波形），上升沿8μs，得到a = 465 ×106 kV/s，斷路器斷口處最大的ΔU = 2a l/v = 465 kV，CT端部ΔU為406 kV，實(shí)際斷路器斷口處最大電壓可達(dá)1327 kV，CT端部電壓可達(dá)1268 kV。

綜合上述，兩種雷電波陡度下的斷路器斷口和CT端部的雷電過(guò)電壓均明顯超過(guò)其絕緣的雷電沖擊耐受電壓（斷路器斷口為1050+206 kV，CT主絕緣為1050kV）。

3.4 故障原因分析

綜合上述，分析認(rèn)為線路間隔設(shè)備故障原因?yàn)椋?/p>

第一次跳閘，雷擊導(dǎo)致在75#塔線路絕緣子閃絡(luò)放電，引發(fā)單相接地故障。

第二次跳閘，同時(shí)引起開(kāi)關(guān)及CT故障，分析認(rèn)為：

因此，雷擊過(guò)電壓是開(kāi)關(guān)斷口擊穿及CT內(nèi)部放電故障的根本原因。

4、發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及防雷措施改進(jìn)建議

問(wèn)題1：故障線路出線避雷器選型為線路絕緣子防雷用的帶串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器，其50%雷電沖擊放電電壓較高（正極性50%雷電沖擊放電電壓為862.6kV（峰值），負(fù)極性50%雷電沖擊放電電壓為1004kV），當(dāng)雷擊過(guò)電壓低于該沖擊放電電壓時(shí)，避雷器不動(dòng)作，雷擊過(guò)電壓易侵入變電站內(nèi)，無(wú)法有效保護(hù)站內(nèi)開(kāi)關(guān)和CT。

問(wèn)題2：出線避雷器安裝位置距離斷路器斷口和CT較遠(yuǎn)（分別為79m和69m），使得被保護(hù)設(shè)備承受的雷電過(guò)電壓較避雷器的端部電壓高得多，斷路器的斷口運(yùn)行工況苛刻，易造成重復(fù)雷擊下的斷口滅弧室難以正確滅弧。

改進(jìn)建議1：將變電站出線避雷器移至站內(nèi)，站內(nèi)避雷器采用型號(hào)為Y（H）10W-204/532的產(chǎn)品。

改建建議2：對(duì)新建敞開(kāi)式變電站，要求在110-500kV站內(nèi)斷路器線路側(cè)附近安裝氧化鋅避雷器。