一起35kV開(kāi)關(guān)雷擊爆炸事故分析

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(陜西省地方電力(集團(tuán))有限公司，陜西 西安 710061)

一起35kV開(kāi)關(guān)雷擊爆炸事故分析

黃博，孫振權(quán)，汪雨辰

(陜西省地方電力(集團(tuán))有限公司，陜西 西安 710061)

對(duì)一起35kV開(kāi)關(guān)雷擊爆炸事故進(jìn)行分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘查，指出了事故的直接原因是斷路器無(wú)法及時(shí)開(kāi)斷由雷擊造成的近區(qū)故障短路電流。對(duì)事故涉及的雷擊機(jī)理進(jìn)行了闡述，結(jié)合運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，給出了解決問(wèn)題的解決方案，即安裝線路避雷器，對(duì)避雷器的參數(shù)選擇、安裝位置提出了有實(shí)用價(jià)值的建議，以防止類(lèi)似事故再次發(fā)生。

斷路器；變電站；雷擊；線路避雷器

1 引言

雷害事故占電力系統(tǒng)事故的比例逐年上升。根據(jù)國(guó)內(nèi)電線路運(yùn)行狀況的有關(guān)歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，電力系統(tǒng)中輸配電線路故障的起因有50%～60%是由于雷擊跳閘的，雷害是引起線路故障的主要原因。近年來(lái)，在雷雨天氣下相繼發(fā)生了多起敞開(kāi)式變電站內(nèi)斷路器爆炸事故，嚴(yán)重威脅了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。廣東地區(qū)及國(guó)內(nèi)其他地區(qū)等變電站頻繁發(fā)生同類(lèi)事故[1-3]。電壓等級(jí)覆蓋了220、110、35、及10kV，尤其是中壓線路非全線加裝避雷線的情況下事故更甚。本文以一起35 kV變電站斷路器因雷擊爆炸的事故為例，對(duì)斷路器爆炸的形成條件、影響因素及防范與減小事故影響的措施進(jìn)行分析，給出解決方案。

2 事故概況

2.1事故前系統(tǒng)運(yùn)行方式

某變電站35kV系統(tǒng)采用單母線分段的接線方式，其事故前運(yùn)行方式為：35kV兩條進(jìn)線分列運(yùn)行，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)位置。故障斷路器作為進(jìn)線1的備用，處于熱備用狀態(tài)，即線路側(cè)隔離開(kāi)關(guān)及母線側(cè)隔離開(kāi)關(guān)均處于合位置。

圖1 故障前運(yùn)行方式示意圖

2.2事故檢查概況

2010年10月19日，變電站上空出現(xiàn)較大雷雨，23時(shí)34分35kV青槐變35kV青槐T線開(kāi)關(guān)遭雷擊爆炸，造成一臺(tái)35kV開(kāi)關(guān)(LW16-40.5/1600)嚴(yán)重?fù)p壞報(bào)廢，五臺(tái)35kV刀閘支持絕緣子損傷(35kV青鎮(zhèn)開(kāi)關(guān)線刀閘、母刀閘；35kV青槐T開(kāi)關(guān)線刀閘、母刀閘；Ⅱ號(hào)主變35kV側(cè)刀閘)，35kV母線B相導(dǎo)線損傷三處，35kV青槐T線調(diào)度自動(dòng)化用耦合電容器損傷。斷路器A,C上、中瓷套完全炸開(kāi)，碎片散落在四周，碎片散落的直徑范圍約5m，斷路器B相底部破裂，斷路器底座及控制柜已被電弧燒黑。19日23時(shí)34分雷擊后，110kV鎮(zhèn)安變35kV鎮(zhèn)廟線Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作，開(kāi)關(guān)跳閘，造成鎮(zhèn)安電網(wǎng)35kV廟坡變、銅關(guān)變、張家變停電。

圖2 故障前斷路器

圖3 故障后斷路器

3 事故原因分析

3.1雷電行波侵入變電站

根據(jù)變電站值班人員的描述，在開(kāi)關(guān)爆炸前有閃電雷鳴,該站未安裝落雷記錄儀器與雷電定位系統(tǒng)。線路上形成的雷電侵入波造成斷路器斷口擊穿，斷路器斷口擊穿后，電弧劇烈燃燒，斷路器滅弧室內(nèi)部溫度急劇升高，SF6氣壓劇增，短路電流持續(xù)約550 ms后斷路器底部破裂，SF 氣體向下釋放；同時(shí)斷路器絕緣被破壞，對(duì)底座和地面放電，使上、中瓷套完全炸開(kāi)。

圖4 爆炸后損壞部件

爆炸形成條件主要受以下幾個(gè)方面的影響：

(1)斷路器斷口未得到有效保護(hù)，絕緣被擊穿。

(2)短路點(diǎn)在出線1號(hào)塔，為近母線短路，短路電流非常大。近距故障時(shí)流過(guò)斷口的電流非常大，加劇電弧燃燒，加大斷路器內(nèi)部氣體壓力。若短路故障點(diǎn)距離較遠(yuǎn)時(shí)，斷路器會(huì)受損，但是不會(huì)爆炸。

(3)斷路器中的短路電流持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，斷路器斷口保護(hù)措施不適當(dāng)。綜上所述，要防止同類(lèi)斷路器爆炸事故的發(fā)生，首先應(yīng)采取措施保護(hù)斷路器斷口，同時(shí)適當(dāng)加強(qiáng)線路兩端絕緣，防止近區(qū)短路故障的發(fā)生，縮短斷路器失靈時(shí)故障的切除時(shí)問(wèn)。

3.2雷擊防護(hù)機(jī)理與分析

雷擊線路有直擊、繞擊和行波侵入等形式。本文涉及的事故可能原因?yàn)槔@擊或雷電波入侵。雷電過(guò)電壓沿線路入侵變電站，會(huì)形成雷電入侵波。由于波在傳播過(guò)程中必須滿足單位長(zhǎng)度線路上存儲(chǔ)的電場(chǎng)能量和磁場(chǎng)能量相等這一基本規(guī)律，即：

(1)

如果線路參數(shù)，L0，C0和波阻抗Z在某節(jié)點(diǎn)上發(fā)生突變，那么為了滿足式(1)，線路上的電壓波和電流波必然會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變，這樣就會(huì)在該節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生行波的折射與反射。如行波從波阻抗較大的架空線路傳人波阻抗較小的電纜線路，或相反地從電纜線路傳人架空線路，或帶電開(kāi)口運(yùn)行開(kāi)關(guān)的斷口處等均會(huì)發(fā)生行波的折射與反射。

通過(guò)分析波的折射與反射可知，當(dāng)電壓波到達(dá)開(kāi)路末端時(shí)將發(fā)生全反射，使線路末端電壓上升到入射波電壓的2倍；同時(shí)，電流波發(fā)生負(fù)的全反射，使線路末端電流變?yōu)榱?。此時(shí)，入射波的磁場(chǎng)能量將全部轉(zhuǎn)變?yōu)殡妶?chǎng)能量。因此當(dāng)雷電過(guò)電壓從線路傳人變電站，且該雷電波傳至帶電開(kāi)口運(yùn)行開(kāi)關(guān)時(shí)，即相當(dāng)于過(guò)電壓波傳到開(kāi)路末端。由于過(guò)電壓波傳至開(kāi)路末端時(shí)會(huì)發(fā)生全反射，因此開(kāi)路末端的電壓上升為人射波電壓的2倍，即相當(dāng)于雷電過(guò)電壓入射波的2倍，這樣就會(huì)嚴(yán)重威脅到斷路器絕緣，甚至造成斷路器設(shè)備的損壞。

當(dāng)輸電線路遭到突發(fā)性的雷擊以后，雷電分流會(huì)發(fā)生較大的變化，一部分電流通過(guò)塔體進(jìn)入地下，當(dāng)這一電流超過(guò)額定值以后線路避雷器動(dòng)作加入分流；另一部分的電流從避雷線導(dǎo)入桿塔。雷電流在通過(guò)避雷線時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電磁感應(yīng)，這就會(huì)產(chǎn)生耦合分量。然后，利用避雷器分流大于雷電流的耦合作用提高導(dǎo)線電位，這樣就會(huì)使絕緣子串的電壓大于導(dǎo)線和塔頂之間的電位之差，從而絕緣子不具備發(fā)生閃絡(luò)的條件，斷路器斷口不致于擊穿，達(dá)到防雷的目的，它的最大的優(yōu)點(diǎn)就是鉗電位作用明顯，可以有效地保護(hù)線路及設(shè)備的安全。

4 防范措施及方案

4.1站內(nèi)裝設(shè)出線避雷器

發(fā)生本次事故最直接的原因?yàn)榫€路雷電侵入波，故障斷路器的大氣過(guò)電壓未得到有效的抑制，因此有必要采取適當(dāng)措施限制雷電侵入波的侵害，在站內(nèi)安裝出線避雷器是最簡(jiǎn)單的方法。站內(nèi)出線避雷器可選擇無(wú)間隙氧化鋅避雷器，注意選擇標(biāo)稱(chēng)電流的殘壓水平及雷電沖擊絕緣水平與避雷器保護(hù)水平有較大的裕度配合系數(shù)。安裝合成絕緣外套氧化鋅避雷器也可以有效地抑制雷電侵入波的危害，對(duì)降低線路雷擊跳閘率有較好的效果，在安裝位置適當(dāng)?shù)那闆r下，可有效地保護(hù)斷路器斷口。

4.2線路避雷器的參數(shù)選擇

(1)持續(xù)運(yùn)行的電壓。持續(xù)運(yùn)行電壓是可以負(fù)荷的持續(xù)地施加在端子間的工頻電壓的等效值。目前在我國(guó)普遍使用的氧化鋅避雷器，由于電壓直接加在電阻片上，久而久之就會(huì)導(dǎo)致電阻片劣化。所以持續(xù)運(yùn)行的電壓必須大于長(zhǎng)期作用在避雷器上的電壓，以免出現(xiàn)熱崩潰的現(xiàn)象。

(2)額定電壓。額定電壓指的是施加到端子之間的最大工頻電壓等效值，與持續(xù)運(yùn)營(yíng)電壓相比最大的不同之處在于額定電壓是最大允許電壓值，超過(guò)這一數(shù)值就會(huì)損壞線路避雷器。標(biāo)稱(chēng)電壓一定的情況下，額定電壓越高，流經(jīng)避雷器的電流就會(huì)越小，這就可以提高運(yùn)行的可靠性，但是，如果過(guò)高就會(huì)導(dǎo)致殘壓較高。因此，需要權(quán)衡額定電壓與殘壓之間的關(guān)系。

(3)標(biāo)稱(chēng)放電電流。標(biāo)稱(chēng)放電電流主要用來(lái)劃分線路避雷器等級(jí)的放電電流的峰值，主要是和雷電流穿通道入地的時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)，只要能夠在線路開(kāi)關(guān)動(dòng)作之前，未建立工頻電弧，線路就可以供電。這一個(gè)指標(biāo)比較難以計(jì)算，可以根據(jù)具體線路的雷電發(fā)生情況，并結(jié)合運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)值來(lái)確定之。

4.3線路避雷器的安裝位置

在選擇安裝線路避雷器地點(diǎn)過(guò)程中，必須結(jié)合本地區(qū)歷年來(lái)的線路雷擊跳閘情況、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及線路所經(jīng)的地形，綜合各種因素來(lái)確定線路避雷器安裝的最佳地點(diǎn)。線路防雷仿真計(jì)算可以作為分析安裝線路避雷器效果的輔助手段。本此事故主要由線路站端直擊雷或遠(yuǎn)端線路雷電行波造成的，因此安裝位置如下考慮：

(1) 變電站饋線線路的第一基桿塔，為了防止繞擊跳閘，一般在上相或兩邊相上各安裝一只線路避雷器；在接地電阻較高，雷害活動(dòng)較強(qiáng)烈，易于發(fā)生繞擊的桿塔，且接地電阻降低有困難(如巖石塔基)，加強(qiáng)線路絕緣受到桿塔尺寸限制的情況下，一般在三相導(dǎo)線上安裝線路避雷器；

(2)沿該線路在地形或氣象特殊的的繞擊易發(fā)區(qū)的桿塔上安裝線路避雷器，由于雷擊一相放電最多，應(yīng)該重點(diǎn)考慮雷擊一相線路避雷器的安裝數(shù)量；

(3)線路避雷器的安裝位置要處于跌開(kāi)式熔斷器保護(hù)范圍之內(nèi)，這樣可以防止其正常運(yùn)行或遭雷擊后發(fā)生意外的故障，影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在位置選擇時(shí)必須考慮經(jīng)濟(jì)性，盡量少安裝避雷器。但是，安裝的數(shù)量應(yīng)該能夠滿足雷擊事件發(fā)生的分散性、不確定性和統(tǒng)計(jì)性的要求，否則就不能達(dá)到避雷的效果。

5 結(jié)語(yǔ)

在斷路器斷口擊穿或電弧重燃的特殊情況下，應(yīng)避免線路絕緣子閃絡(luò)，形成短路條件，如果斷路器在分位后短路，應(yīng)采取適當(dāng)保護(hù)措施快速切除故障。近距短路故障產(chǎn)生的巨大電流會(huì)損傷系統(tǒng)設(shè)備，對(duì)于大電流接地系統(tǒng)站，應(yīng)盡量避免近距短路故障的發(fā)生，可適當(dāng)加強(qiáng)線路兩端的外絕緣。

陜南山區(qū)雷電活動(dòng)強(qiáng)烈，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行方式復(fù)雜，防雷工作任務(wù)繁重。為了防止同類(lèi)斷路器爆炸事故的發(fā)生，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，應(yīng)以裝設(shè)站內(nèi)出線避雷器為主要措施，但要加強(qiáng)避雷器的運(yùn)行維護(hù)管理，防止避雷器爆炸事故的發(fā)生。同時(shí)應(yīng)逐步深化推廣線路避雷器的研究與應(yīng)用，使雷電事故的防范措施更加全面有效。

[1]彭向陽(yáng)，鄭曉光，鐘定珠.加強(qiáng)廣東電網(wǎng)110kV及220kV敞開(kāi)式變電站雷電侵入波保護(hù)分析[J].廣東電力，2008，21(7)：18-21.

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[3]杜永平，李加存.220 kV變電站進(jìn)線防雷措施的完善[C]//第十五屆華東六省一市電機(jī)工程(電力)學(xué)會(huì)輸配電研討技術(shù)會(huì)論文集.安徽黃山：中國(guó)電機(jī)工程協(xié)會(huì)，2007：142-145

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[5]李謙，彭向陽(yáng)，鐘定珠.線路避雷器在廣東電網(wǎng)輸電線路上異常運(yùn)行情況的分析[J].廣東電力，2006，19(6)：43-47.

[6]李謙，彭向陽(yáng)，鐘定珠.線路避雷器電氣性能跟蹤試驗(yàn)[J].廣西電力，2006(5)：29 -32.

AnalysisonanExplosionAccidentof35kVCircuitBreaker

HUANGBo，SUNZhen-quan，WANGYu-chen

(Shaanxi Regional Electric Power Group Co.,Ltd,Xi′an 710061,China)

The process and disposal of a 35 kV circuit breaker fault caused by multi-lightning strikes were analyzed，combined with on-site inspection of accident，pointed out that the circuit breaker cannot quickly switch off the fault current caused by short line fault is the direct cause of the accident.The lighting mechanism was described,the rational suggestions and preventative measures were provided in order to stop the similar faults happen once more.

circuit breaker;substation;lightning stroke;line surge arrester

1004-289X(2013)03-0079-04

TM561.3

B

2013-03-13

黃博，男，高級(jí)工程師，陜西省地方電力(集團(tuán))有限公司鎮(zhèn)安分公司總經(jīng)理，長(zhǎng)期工作于電力系統(tǒng)一線，擁有豐富的生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn);

孫振權(quán)，男，博士，教授級(jí)高工，陜西省地方電力(集團(tuán))有限公司配電網(wǎng)研究中心副主任;

汪雨辰，男，碩士，助理工程師，主要研究方向智能電網(wǎng)，電器智能化理論。