楊 中 瑞， 劉 昌 軍

(四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 都江堰 611830)

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小型水電站35 kV架空輸電線路雷擊事故分析

楊 中 瑞， 劉 昌 軍

(四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 都江堰 611830)

對(duì)夏季雷暴及雷雨多發(fā)地區(qū)小型水電站來說，其高壓架空輸電線路的防雷保護(hù)與安全運(yùn)行非常重要，因?yàn)榫€路兩側(cè)連接著電站與上網(wǎng)變電站的主設(shè)備，輸電線路一旦遭受雷擊，就有可能造成電站或變電站的主設(shè)備損壞，從而造成重大安全事故和經(jīng)濟(jì)損失。通過對(duì)某小型水電站35 kV架空輸電線路的雷擊并發(fā)生振蕩事件進(jìn)行定性分析，闡述了線路雷擊損壞的發(fā)生機(jī)理，提出了改進(jìn)對(duì)策與建議并付諸實(shí)施，取得了較好的效果。

小型水電站；35 kV輸電線路；雷擊；振蕩；防雷保護(hù)

1 概 述

雷電是夏季常見的自然現(xiàn)象，其何時(shí)何地發(fā)生、強(qiáng)度多少無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。對(duì)于地處多雷暴地區(qū)的水電站來說，安全渡汛和防雷工作尤為重要。水電站中最易遭受雷擊的部位是位于室外的高壓輸電線路、升壓站、開關(guān)站等。按照國家相關(guān)規(guī)范，對(duì)于升壓站、開關(guān)站等布置水電站重要設(shè)備的區(qū)域均應(yīng)設(shè)置避雷針，其可以有效地保護(hù)區(qū)域內(nèi)的設(shè)備免受直接雷擊破壞；而對(duì)于保護(hù)35 kV高壓架空輸電線路的避雷線一般只在距該線路兩側(cè)離變電站2.5 km范圍內(nèi)設(shè)置，因而其不能做到全線防雷保護(hù)。而且，既使設(shè)有避雷線，也可能因雷擊過于強(qiáng)烈而發(fā)生直擊雷繞擊在輸電線路上造成與線路兩端直接相連的設(shè)備發(fā)生雷電侵入波引起的過電壓損壞的事故，嚴(yán)重影響到水電站的運(yùn)行安全并可能造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。

都江堰市處于成都平原與西部高原氣流交匯處，夏季雷雨多，強(qiáng)度大，該區(qū)域同類型小型水電站有50余座，因此，防洪渡汛和防雷保護(hù)就顯得尤為重要。2013年7月28日凌晨發(fā)生的異常雷雨天氣使某小型水電站35 kV架空輸電線路遭受雷擊，造成線路兩側(cè)的A相電流互感器損壞，停止發(fā)電7 d，形成了巨大的汛期安全隱患并造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。

2 事件發(fā)生經(jīng)過

2013年7月28日凌晨2時(shí)左右，某小型水電站所在區(qū)域發(fā)生較大雷雨，中控室值班人員根據(jù)雷雨天氣應(yīng)急預(yù)案規(guī)定，短時(shí)跳開35 kV出線303開關(guān)并開啟泄洪閘泄洪，1#機(jī)保廠用發(fā)電，2#機(jī)空載運(yùn)行備用，短時(shí)關(guān)閉全廠通訊信號(hào)；生產(chǎn)管理人員、值班領(lǐng)導(dǎo)迅速到達(dá)電站中控室現(xiàn)場(chǎng)值守，全廠進(jìn)入有序的應(yīng)急狀態(tài)。

凌晨3時(shí)左右，值班人員發(fā)現(xiàn)35 kV高壓開關(guān)室內(nèi)有明顯閃光后迅速消失，現(xiàn)場(chǎng)檢查后未發(fā)現(xiàn)明顯異常。雷電減弱后、準(zhǔn)備恢復(fù)上網(wǎng)發(fā)電時(shí)，值班人員發(fā)現(xiàn)35 kV線路系統(tǒng)側(cè)無電，在現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)電確認(rèn)后立即向電力調(diào)度人員了解情況，調(diào)度人員回復(fù)因電站35 kV專用輸電線上出現(xiàn)過短路現(xiàn)象，線路變電站側(cè)的上網(wǎng)開關(guān)312保護(hù)動(dòng)作已跳開，要求電站檢查輸電線路情況。電站立即組織人員進(jìn)行檢查，初步發(fā)現(xiàn)35 kV線路側(cè)A相避雷器損壞，絕緣電阻明顯偏低，遂立即將其拆除。當(dāng)時(shí)，雖然雷擊現(xiàn)象逐漸減弱，但暴雨正逐步加強(qiáng)，為盡快恢復(fù)發(fā)電，確保渡汛安全，電站值班人員電告調(diào)度人員請(qǐng)求系統(tǒng)試送電。

系統(tǒng)送電后，在未合電站出線開關(guān)303情況下，值班人員發(fā)現(xiàn)303開關(guān)線路側(cè)A相電流互感器有放電現(xiàn)象，線路側(cè)功率出現(xiàn)忽“+”忽“-”振蕩并逐漸加強(qiáng)，最高達(dá)到±1 800 kW左右。值班人員立即請(qǐng)求調(diào)度人員斷開變電站側(cè)312開關(guān)。由于雷擊可能已經(jīng)造成變電站側(cè)也發(fā)生了故障而不能及時(shí)斷開312上網(wǎng)開關(guān)，放電越來越嚴(yán)重，15 min后，已出現(xiàn)明火燃燒，18 min后，變電站側(cè)上網(wǎng)開關(guān)312斷開，事故現(xiàn)象消失。

天亮后，電力部門與電站技術(shù)人員共同查找事故產(chǎn)生的原因。首先檢查電站及變電站兩側(cè)開關(guān)的損壞情況，初步判斷在電站35 kV專用輸電線路上發(fā)生了雷擊事故，造成電站側(cè)303開關(guān)、變電站側(cè)312開關(guān)A相電流互感器絕緣損壞。經(jīng)全輸電線路巡查，發(fā)現(xiàn)雷擊點(diǎn)正好位于2.8 km長的輸電線路中段，架空避雷線遭受雷擊發(fā)生斷股，但輸電線路其它地方未見明顯損壞。

3 事故現(xiàn)象所涉及的主要參數(shù)

電站裝機(jī)容量為3×1 250 kW，通過1回35 kV架空輸電線路上網(wǎng)，線路型號(hào)為LGJ-3×95，線路總長度為2.8 km，采用全線架空避雷線。避雷線型號(hào)為LGJ-1×50，線路兩端電站及變電站斷路器均采用GBC-35型手車式開關(guān)柜，柜內(nèi)電流互感器型號(hào)為LZC-35，線路避雷器型號(hào)為HY5WZ-41/134。電站上網(wǎng)的變電站為所在城市的110 kV樞紐變電站，裝設(shè)兩臺(tái)容量為50 MVA三繞組變壓器。該變電站主要承擔(dān)城區(qū)和部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)供電，并接受區(qū)域內(nèi)的小型水電站上網(wǎng)。

4 事故分析

4.1 問題的提出

在該事件中，對(duì)以下兩個(gè)現(xiàn)象需要進(jìn)行分析研究以確定雷擊原因和可能造成的損害，從而指導(dǎo)電站今后的防雷保護(hù)工作：一是雷擊后為什么會(huì)發(fā)生振蕩現(xiàn)象？如何防止類似事故的發(fā)生；二是可能造成哪些危害？該電站地理接線和雷擊點(diǎn)見圖1。

4.2 等效電路

圖2中，CA、CB、CC分別為與35 kVⅡ段母線有直接電氣連接的全部線路、變壓器高壓側(cè)、電纜等形成的對(duì)地等效電容，303為電站側(cè)上網(wǎng)開關(guān)，TA1為其柜內(nèi)配置的電流互感器；312為變電站側(cè)上網(wǎng)開關(guān)，TA2為其柜內(nèi)配置的電流互感器。雷擊點(diǎn)發(fā)生在2.8 km長的輸電線路中段，雷擊發(fā)生時(shí)303、312開關(guān)已經(jīng)斷開，線路兩側(cè)均無電源。

圖1 地理接線及雷擊點(diǎn)示意圖

圖2 等效電路及雷擊點(diǎn)示意圖

4.3 雷擊破壞原因

圖2中，雷擊發(fā)生時(shí)電站、變電站兩側(cè)開關(guān)303、312已經(jīng)斷開，當(dāng)線路中段A相遭受雷擊、所形成的強(qiáng)大雷電侵入波向兩側(cè)推進(jìn)至斷路器斷口時(shí)，無法正常釋放強(qiáng)大的雷電電荷，形成浪涌過電壓，而此時(shí)避雷器卻沒有迅速放電實(shí)施保護(hù)；與此同時(shí)，電站和變電站兩側(cè)的A相電流互感器高壓側(cè)也遭受到同樣大小的雷擊過電壓作用，必然會(huì)造成互感器高壓側(cè)首匝線圈絕緣損壞。

4.4 電弧產(chǎn)生的原因

線路遭受雷擊事故后，線路兩側(cè)的電流互感器絕緣已經(jīng)損壞，但由于故障排查工作不徹底，未能排除已經(jīng)存在的故障點(diǎn)，一旦系統(tǒng)312開關(guān)送電，35 kV工頻交流電作用在線路及兩側(cè)電壓互感器上，在絕緣已經(jīng)損壞的A相電流互感器上產(chǎn)生電弧而接地形成電弧過電壓，所產(chǎn)生的電弧過電壓將導(dǎo)致絕緣的進(jìn)一步損壞且逐步加強(qiáng)。

4.5 電弧過電壓振蕩產(chǎn)生的原因

調(diào)度人員合上312開關(guān)試送電時(shí)電站側(cè)上網(wǎng)開關(guān)303呈斷開狀態(tài)，此時(shí)的等效電路見圖3。

圖3 接地電弧振蕩等效電路圖

設(shè)某一時(shí)刻三相交流電的相電壓分別為UA、UB、UC，對(duì)地電容分別為CA、CB、CC，線路各相的電感分別為XA、XB、XC，對(duì)地電容電流分別IA、IB、IC。正常狀態(tài)下，三相對(duì)地電容電流相量和為0。

形成電弧過電壓的基礎(chǔ)是產(chǎn)生間歇性電弧。當(dāng)中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)發(fā)生單相間歇性電弧接地故障時(shí)，由于電弧多次不斷的熄滅和重燃而導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)地電容上的電荷多次不斷的積累和重新再分配，就會(huì)在非故障相的電感電容回路上高頻振蕩， 隨著電弧的產(chǎn)生而形成高溫，造成互感器絕緣進(jìn)行性損壞。

在高頻振蕩過程中，由于等效回路阻抗性質(zhì)呈R-L-C交替變化，則回路中的電流特性亦呈IR-IL-IC交替變化，回路功率產(chǎn)生忽“+”忽“-”的交替變化。諧振時(shí)，其達(dá)到最大值，同時(shí)，絕緣由于電弧熱量的燒損伴隨電弧進(jìn)行性增強(qiáng)，電弧過電壓就會(huì)越來越高，回路電流幅值也就越來越大，電弧振蕩越來越強(qiáng)，功率越來越大，以致回路故障可能從單相接地故障逐步發(fā)展為相間短路故障。當(dāng)312開關(guān)斷開后，加載在線路上的35 kV工頻激勵(lì)電壓消失，電弧也就隨之消失了。

5 結(jié) 語

(1)雷擊作為自然現(xiàn)象不可避免，其發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、強(qiáng)弱等無法預(yù)測(cè)。作為水電站，必須加強(qiáng)對(duì)其的防范，盡量減少雷擊損失。

(2)架空避雷線是高壓架空輸電線路預(yù)防直擊雷的有效措施，務(wù)必使其功能完好，接地電阻滿足要求。筆者在文中介紹的水電站避雷線就遭受了直擊雷作用而產(chǎn)生電弧，繞擊了輸電線路中的A相而產(chǎn)生雷電侵入波破壞事故；正是由于避雷線的作用，大大削弱了雷擊對(duì)輸電線路的直接危害。

(3)高壓架空輸電線路兩側(cè)應(yīng)安裝線路保護(hù)避雷器，可有效削弱雷電侵入波；避雷器的配置必須符合相關(guān)規(guī)范要求，作好定期校驗(yàn)，保證避雷器功能完好并確保避雷器可靠投入運(yùn)行。

(4)文中介紹的水電站在雷雨時(shí)執(zhí)行了雷雨天氣運(yùn)行應(yīng)急預(yù)案，斷開了電站上網(wǎng)開關(guān)且幸好變電站開關(guān)由于保護(hù)動(dòng)作已經(jīng)斷開，強(qiáng)大的雷電波侵入時(shí)沒有直接作用在電站和變電站兩側(cè)的35 kV母線上，否則將會(huì)造成母線連接的所有設(shè)備直接遭受雷電侵入波過電壓，極易使主變壓器高壓側(cè)首匝絕緣破壞而發(fā)生嚴(yán)重事故，甚至引起變壓器爆炸，造成重大安全事故和經(jīng)濟(jì)損失。

(5)小型水電站往往由于資金原因，不可能花較多經(jīng)費(fèi)去增加防雷、保護(hù)設(shè)備設(shè)施，因此，雷雨天氣運(yùn)行的預(yù)防工作就顯得尤為重要；一定要制定適合于電站實(shí)際情況的雷雨天氣應(yīng)急預(yù)案并嚴(yán)格執(zhí)行；當(dāng)發(fā)生雷暴、雷雨等強(qiáng)對(duì)流異常天氣時(shí)，應(yīng)啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，科學(xué)避雷，確保人員和主設(shè)備安全。筆者建議：此時(shí)應(yīng)停止向外輸電，斷開輸電線路側(cè)開關(guān)，并確認(rèn)線路避雷器可靠工作。

(6)盡量不要采用發(fā)電機(jī)電壓直饋線。因?yàn)槟壳斑\(yùn)行的小型水輪發(fā)電機(jī)出口電壓不管是6.3 kV，還是10.5 kV均是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)；既使其不是幅度很大但波頭陡度很陡的雷電侵入波也很容易造成發(fā)電機(jī)繞組引出線首匝絕緣損壞；一旦局部絕緣輕微損壞而引起的接地電容電流在接地繞組和接地點(diǎn)鐵芯中流過，哪怕該電容電流不大，但燃起的電弧在定子鐵芯中流動(dòng)極易損壞定子鐵芯疊片的片間絕緣(僅是很薄的一層絕緣漆)，從而使電機(jī)的修復(fù)非常困難，將引起較長時(shí)間的停機(jī)，經(jīng)濟(jì)損失巨大。

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2016-07-06

TV7;TV734.3;TV737

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1001-2184(2016)05-0088-03

楊中瑞(1972-)，男，四川樂至人，雙合教學(xué)科研電廠廠長，講師，學(xué)士，從事水電站技術(shù)管理、教學(xué)、設(shè)計(jì)與咨詢等工作；

劉昌軍(1977-)，男，四川宜賓人，助理工程師，學(xué)士，從事水電站運(yùn)行技術(shù)與管理工作.