云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司玉溪供電局 楊 杰 雷亞蘭 李建東 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司楚雄供電局 楊家凱

變電站的防雷系統(tǒng)對(duì)變電站的安全運(yùn)行極為重要，為了提高電網(wǎng)運(yùn)行水平，原縣級(jí)電力公司與各地州供電局合并，之前市電力公司、州電力公司運(yùn)行維護(hù)的一些110kV變電站存在防雷設(shè)計(jì)不合理的情況，導(dǎo)致在雷電進(jìn)行波侵入變電站時(shí)，造成主變母線橋絕緣擊穿，主變保護(hù)動(dòng)作跳閘，引發(fā)6kV II段母線失壓，給客戶和企業(yè)帶來(lái)了數(shù)很大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)還危及主變壓器的安全運(yùn)行。本文對(duì)一起變電站主變壓器雷電進(jìn)行波過(guò)電壓跳閘事件進(jìn)行了計(jì)算和分析，并找到了原因，改進(jìn)了防雷措施，提高了主變運(yùn)行的安全可靠性。

1 雷擊的危害

雷擊分為以下幾種類別：直擊雷、雷電波侵入、感應(yīng)過(guò)電壓、系統(tǒng)內(nèi)部操作過(guò)電壓、地電位反擊。

直擊雷。雷電云層直接對(duì)大地的一點(diǎn)產(chǎn)生的放電現(xiàn)象叫做直擊雷。直擊雷破壞力很強(qiáng)，若未快速將此時(shí)雷電產(chǎn)生的巨大能量泄放入大地，就會(huì)導(dǎo)致回路內(nèi)及附近的建筑物、動(dòng)植物等遭受嚴(yán)重的破壞或傷害，這種雷電還會(huì)引發(fā)火災(zāi)、破壞建筑物、使電子電氣系統(tǒng)失效，危及人身安全。

雷電波侵入。雷電并未直接對(duì)設(shè)備或建筑放電，而是對(duì)其外部的線纜放電。雷電波或過(guò)電壓沿著線纜以光速傳播，侵入并破壞室內(nèi)的各種電力電子設(shè)備。因?yàn)樵谕N介質(zhì)中光速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于聲速，所以在聽(tīng)到雷聲之前，雷電波就能破壞系統(tǒng)內(nèi)的電子設(shè)備、控制系統(tǒng)等。

感應(yīng)過(guò)電壓。雷擊發(fā)生在云層之間，未發(fā)生在云層與設(shè)備之間，或者未擊中設(shè)備但在設(shè)備或線路附近放電。在電能釋放時(shí)，金屬管道、金屬支架、數(shù)據(jù)線及電源上由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象生成感應(yīng)過(guò)電壓[1]。

當(dāng)建筑物安裝避雷針以后，發(fā)生雷擊時(shí)，避雷針（避雷帶、避雷線、避雷網(wǎng)或避雷針）在建筑物頂部接閃，雷電的高電壓大電流向大地的釋放過(guò)程中，會(huì)在避雷針引下線的周圍形成較大的電磁場(chǎng)變化，這種變化能干擾電子設(shè)備，影響其正常使用，或?qū)⒃斐蓴?shù)據(jù)丟失，癱瘓?jiān)O(shè)備或者產(chǎn)生誤動(dòng)作。

系統(tǒng)內(nèi)部操作過(guò)電壓。當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，例如發(fā)電廠或變電站操作斷路器、投切感性負(fù)荷及較大負(fù)荷、發(fā)生短路故障等，系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)變化使，電力系統(tǒng)內(nèi)部電磁能量轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生操作過(guò)電壓。雖然操作過(guò)電壓幅值小，但是相較于雷電感應(yīng)過(guò)電壓發(fā)生的概率要高很多。

暫態(tài)過(guò)電壓（或稱瞬時(shí)過(guò)電壓）包括以下兩種：感應(yīng)過(guò)電壓和操作過(guò)電壓。這兩種過(guò)電壓都會(huì)產(chǎn)生電氣浪涌，對(duì)電力電子設(shè)備造成破壞或影響，縮短設(shè)備的使用壽命，損壞相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)使元件失控。

地電位反擊。當(dāng)雷擊發(fā)生在裝設(shè)有避雷設(shè)備保護(hù)的建筑物上時(shí)，因?qū)〞r(shí)整個(gè)雷擊電路呈短路狀態(tài)，雷擊點(diǎn)接地網(wǎng)的地電位會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)提升至數(shù)萬(wàn)或數(shù)十萬(wàn)伏。強(qiáng)大的雷電流會(huì)順著裝置的接地部分延伸到電力系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)信號(hào)系統(tǒng)中。甚至可以擊穿絕緣竄入其他供電回路或網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。這會(huì)造成系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備損壞。

2 避雷器的作用

避雷器通常并聯(lián)在被保護(hù)的設(shè)備上，避雷器的本體通過(guò)引下扁體硬連接，連接著大地。當(dāng)設(shè)備上出現(xiàn)過(guò)電壓時(shí)，避雷器能夠正確動(dòng)作，通過(guò)引下扁體泄放大電流，起到有效保護(hù)作用。在正常電壓下運(yùn)行時(shí)，避雷器不會(huì)動(dòng)作，避雷器與大地之間相當(dāng)于開(kāi)路。當(dāng)被保護(hù)的設(shè)備電壓上升至危及設(shè)備絕緣時(shí)，避雷器才會(huì)動(dòng)作，被擊穿或?qū)?，將過(guò)電壓大電流向大地釋放，能有效限制電壓的幅值，起到良好的保護(hù)作用。當(dāng)過(guò)電壓消失以后，避雷器能在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài)，使被保護(hù)設(shè)備正常運(yùn)行。

避雷器可以用來(lái)防止各種類型的過(guò)電壓，包括因雷電而產(chǎn)生的大氣過(guò)電壓及操作時(shí)產(chǎn)生的操作過(guò)電壓。避雷器能有效保護(hù)電力系統(tǒng)中與之相連的運(yùn)行電氣設(shè)備不被雷電過(guò)電壓、工頻暫態(tài)過(guò)電壓及操作過(guò)電壓損壞。避雷器主要有氧化鋅避雷器、保護(hù)間隙及閥型避雷器等幾種類型。其中，氧化鋅避雷器和閥型避雷器多用于發(fā)電廠及變電站的設(shè)備保護(hù)，在500kV以下電力系統(tǒng)內(nèi)主要限制雷電產(chǎn)生的過(guò)電壓，在其他電力系統(tǒng)中還可以限制內(nèi)部產(chǎn)生過(guò)電壓。

3 避雷器的分類

避雷器種類繁多，主要有以下幾種：金屬氧化物避雷器（含線路型、無(wú)間隙線路型、全絕緣復(fù)合外套型）、可卸式避雷器。避雷器按照主要類型分為氧化鋅避雷器、管型避雷器及閥型避雷器等。雖然不同種類的避雷器工作原理不盡相同，但是本質(zhì)上都是可以保護(hù)電力系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備和線路不受過(guò)電壓的侵害。

管型避雷器。管型避雷器含有兩個(gè)串聯(lián)的間隙，外間隙暴露在大氣中，可以有效起到隔離工作電壓，避免由于工頻泄漏電流而損害內(nèi)間隙。內(nèi)間隙或者稱為滅弧間隙，安裝在氣管內(nèi)。管型避雷器的工頻電流大小與滅弧能力有關(guān)，屬于一種保護(hù)間隙型避雷器，常見(jiàn)安裝于電力系統(tǒng)的供電線路，能保護(hù)線路免受過(guò)電壓侵害。

閥型避雷器。閥型避雷器含有閥片電阻及火花間隙兩個(gè)部分，閥片電阻由特殊材料的碳化硅制作而成，可以利用碳化硅的性質(zhì)能有效保護(hù)設(shè)備，防止大氣過(guò)電壓和操作過(guò)電壓的危害。當(dāng)產(chǎn)生過(guò)電壓時(shí)，過(guò)電壓擊穿火花間隙，閥片的電阻能瞬間下降，起到導(dǎo)通回路的作用，將雷電流泄放入大地，從而起到對(duì)電力系統(tǒng)的設(shè)備保護(hù)作用。在避雷器正確動(dòng)作以后，閥片電阻又能恢復(fù)至原來(lái)的狀態(tài)。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，不會(huì)擊穿火花間隙，閥片電阻值也處于阻值較高的狀態(tài)，回路相當(dāng)于開(kāi)路，不影響設(shè)備或線路的正常運(yùn)行。

氧化鋅避雷器。氧化鋅避雷器含有氧化鋅壓敏電阻。由于壓敏電阻的非線性伏安特性，制成時(shí)就決定了在正常運(yùn)行的電壓下阻值很大，處于絕緣的狀態(tài)，在過(guò)電壓的狀態(tài)下，處于低阻值可被擊穿，電路呈短路的狀態(tài)[2]。在壓敏電阻動(dòng)作后，可自行恢復(fù)至原來(lái)的絕緣狀態(tài)。壓敏電阻的狀態(tài)變更取決于當(dāng)前電壓是否高于壓敏電壓。氧化鋅避雷器保護(hù)性能較好、性能穩(wěn)定、質(zhì)量較輕、安裝方便。

以上介紹的三種避雷器，每種避雷器的優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)都不盡相同，不能一概而論。在設(shè)計(jì)和配置時(shí)，因根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況及環(huán)境狀態(tài)選取適合的種類，才能起到良好的防止過(guò)電壓的效果。

4 事件經(jīng)過(guò)

時(shí)間：2018年8月23日14時(shí)50分；天氣：陰雨。某供電局110kV某變電站附近發(fā)生雷暴現(xiàn)象，導(dǎo)致2號(hào)主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作跳閘。2號(hào)主變高壓側(cè)112斷路器、低壓側(cè)632斷路器由于2號(hào)主變差動(dòng)保護(hù)跳閘，保護(hù)動(dòng)作行為正確。因?yàn)榇饲?號(hào)主變中壓側(cè)322斷路器已處熱備用狀態(tài)，所以2號(hào)主變中壓側(cè)322斷路器未動(dòng)作，處于分閘位置。

圖1

事件發(fā)生后，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員根據(jù)對(duì)故障的判斷，立即開(kāi)展故障隔離，將2號(hào)主變各側(cè)隔離開(kāi)關(guān)拉開(kāi)，做好安全措施后對(duì)2號(hào)主變各側(cè)保護(hù)范圍內(nèi)的所有一、二次設(shè)備立即進(jìn)行檢查。經(jīng)過(guò)檢查，發(fā)現(xiàn)2號(hào)主變中壓側(cè)322斷路器靠2號(hào)主變側(cè)開(kāi)關(guān)進(jìn)線鋁排處B、C相有電弧性放電擊穿痕跡，經(jīng)過(guò)測(cè)量與圖紙比對(duì)，2號(hào)主變中壓側(cè)322斷路器靠2號(hào)主變側(cè)開(kāi)關(guān)進(jìn)線鋁排處B、C相相間距離為410mm，擊穿點(diǎn)在戶內(nèi)，電氣距離符合設(shè)計(jì)規(guī)程要求。

5 原因初步分析

根據(jù)當(dāng)時(shí)天氣情況初步判斷，當(dāng)時(shí)該變電站附近有雷暴現(xiàn)象，雷電行波經(jīng)過(guò)110kV母線避雷器動(dòng)作后，殘壓再經(jīng)110kV母線到2號(hào)主變這段電氣距離后升高，然后經(jīng)過(guò)2號(hào)主變110kV側(cè)與35kV側(cè)的電磁耦合后，經(jīng)2號(hào)主變35kV側(cè)322斷路器的電氣距離使得電壓進(jìn)一步上升，電壓達(dá)到臨界值以后，將322斷路器進(jìn)線處鋁排絕緣擊穿放電。導(dǎo)致2號(hào)主變差動(dòng)保護(hù)正確動(dòng)作，使2號(hào)主變高壓側(cè)112斷路器、2號(hào)主變中壓側(cè)632斷路器跳閘，2號(hào)主變低壓側(cè)332斷路器因處于熱備用狀態(tài)而未動(dòng)作。因中壓側(cè)612分段斷路器在分閘位置，此次事件造成該變電站6kV II段母線失壓，該變電站6kV II段母線所供負(fù)荷全部失去，其中含礦山井下負(fù)荷失電事件。

6 分析計(jì)算

一是110kV雷電進(jìn)行波經(jīng)110kV母線避雷器動(dòng)作后，殘壓在110kV避雷器到2號(hào)主變電氣距離上的升高。

測(cè)量110kV母線避雷器到2號(hào)主變距離為98.55 m，即電氣距離L-98.55（1+5%）m=104m，該距離已大于全線有避雷線單進(jìn)戶線距離90m。

避雷器型為老式的FZ-110，其在5kA雷電流下的殘壓為：Uc=375kV。

查得雷電波陡度為：α/=0.75kV/m。

光速：V=3.0×108m/s。

根據(jù)公式，可計(jì)算出2號(hào)主變多次截波沖擊電壓為：

Us＞Uj=478（kV）即此時(shí)2號(hào)主變壓器的實(shí)際多次截波過(guò)電壓Us已大于允許值Uj，變壓器110kV側(cè)已有危險(xiǎn)存在。

二是2號(hào)主變壓器110kV側(cè)經(jīng)電磁耦合到35kV側(cè)的沖擊電壓值磁分量：U2/由變壓器變比n1:n2決定：

2號(hào)主變由110kV經(jīng)靜電耦合到35kV側(cè)的沖擊電壓值得由下列公式?jīng)Q定：

其中，C12為高、中壓側(cè)繞組間的電容，C20為中壓側(cè)繞組對(duì)地電容，對(duì)于2號(hào)主變，經(jīng)過(guò)測(cè)量，C12=1610PF，C20=12200PF。

對(duì)于靜電分量和電磁分量?jī)烧咧g，由于沖擊電壓波入侵到變壓器繞組瞬間，電感中的電流不能突變，故在初始時(shí)刻繞組電壓傳遞是以靜電耦合形式進(jìn)行的。

三是2號(hào)主變35kV側(cè)322斷路器進(jìn)線側(cè)電壓的升高，由于322斷路器當(dāng)時(shí)在斷開(kāi)狀態(tài)（熱備用），故沖擊電壓波在322斷路器斷開(kāi)處反射升高一倍：

為了說(shuō)明322斷路器進(jìn)線側(cè)B、C相被雷電沖擊波電壓擊穿，這個(gè)擊穿點(diǎn)電壓可以用U50%來(lái)驗(yàn)證，U50%是指在沖擊電壓作用下放電的概率為50%，實(shí)際上它和絕緣的最低沖擊放電電壓已距離不遠(yuǎn)，實(shí)際上用1.5/40us波形來(lái)模擬雷電沖擊電壓，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，當(dāng)時(shí)環(huán)境棒對(duì)棒時(shí)擊穿場(chǎng)強(qiáng)約為547kV/m。

已知：2號(hào)主變中壓側(cè)322斷路器靠2號(hào)主變側(cè)開(kāi)關(guān)進(jìn)線鋁排處B、C相相間距離為410mm，對(duì)于35kV，U50%=0.410×547=224（kV），而U/20= 321（kV）＞U50%，故被擊穿。

7 結(jié)論及控制措施

一是在考慮設(shè)備的過(guò)電壓保護(hù)時(shí)，不能僅僅以該設(shè)備這一側(cè)相連的母線是否裝設(shè)了避雷器作為安全的判斷標(biāo)準(zhǔn)，還因考慮每個(gè)避雷器與被保護(hù)設(shè)備之間的電氣距離是否處于保護(hù)范圍之內(nèi)。上述事件中，已知由于110kV避雷器到2號(hào)主變的距離為104m，已大于允許的最大電氣距離90m，故2號(hào)主變有可能被雷電壓擊穿高壓側(cè)，設(shè)計(jì)時(shí)需要在2號(hào)主變高壓側(cè)靠近變壓器處安裝一組避雷器，并將2號(hào)主變中壓側(cè)322斷路器靠2號(hào)主變側(cè)開(kāi)關(guān)進(jìn)線鋁排處A、B、C相相間距離調(diào)整到500mm。

二是在考慮過(guò)電壓保護(hù)范圍時(shí)，同時(shí)因考慮到事故情況下的停電范圍，避免造成大規(guī)模的停電事故。幾年前，某110kV變電站35kV側(cè)線雷擊，避雷不合格，造成某站40MVA主變35kV側(cè)絕緣擊穿而返廠修復(fù)，給客戶供電負(fù)荷在關(guān)鍵時(shí)間受到了嚴(yán)重影響，同時(shí)還給單位造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

三是對(duì)一些新合并過(guò)來(lái)的變電站，應(yīng)在各側(cè)進(jìn)出線口、主變?nèi)齻?cè)都加裝FZ型氧化鋅避雷器，完全達(dá)到變電站防雷反措的要求，變電站的過(guò)電壓防護(hù)才能萬(wàn)無(wú)一失。