全絕緣變壓器中性點雷擊事故分析與防雷研究

周易龍，趙 憲，童 年，周利兵，劉艷飛

0 引言

35 kV 電網在煤炭工業(yè)生產中占據重要位置。35 kV 變電站一般位于礦井附近，6 kV 出線直接給井下供電，其供電安全及可靠性有著極高的要求。山西礦區(qū)電網大部分位于山區(qū)，電力線路往往要穿山越嶺;受黃河河套氣候的影響，雷電活動較為頻繁，且電網位于電阻率低的煤礦、鐵礦層的上面:在雷云活動時易隨著雷云的運動感應出地下鏡向電流誘發(fā)雷擊侵入變電站。35 kV 變壓器為全絕緣結構，中性點未加任何保護措施，這給變壓器的安全造成了嚴重的威脅。焦煤集團近幾年發(fā)生多起雷電擊穿中性點的事故［1～6］。

1 雷擊事故情況

2012 年7 月，35 kV 南紫線路50 號桿曾發(fā)生:雷擊避雷針，產生較高的塔頂電位，引起跳線弓子對地放電，線路終端桿塔也有落雷痕跡，雷電過電壓入侵變電站，造成變電站2 號主變中性點擊穿(圖1)。該站35 kV 線路進線端第一基桿塔兩條線路均安裝了HY5WX －54/142 線路避雷器，南紫線線路避雷器A 相動作5 次、B 相動作3 次、C 相動作2 次，另一回線路避雷器均未動作。

圖1 35 kV 變電站雷電擊穿的變壓器中性點

2 設備及運行基本情況

2.1 變電站及線路運行情況

變電站有兩臺變壓器，分別為1 號主變、2號主變，為全絕緣結構，中性點處于對地絕緣狀態(tài);兩回35 kV 進線，若干條6 kV 出線給井下供電，變電站經兩趟LGJ－120 絞線供給。35 kV 南紫線路全長14.932 km，共53 基桿塔;張紫線路全長26.245 km，共116 基桿塔。調查中發(fā)現，南紫線50 號桿塔塔頂及變電站站內終端塔上裝有避雷針作為線路的進線段的防雷措施，如圖2 所示。

圖2 某35 kV 變電站終端塔塔頂避雷針

2.2 線路使用絕緣子情況

35 kV 南紫、張紫線路使用4 －5 XWP2 －70片絕緣子串。為了檢驗其耐雷電氣性能，根據文獻［5］BGT775.2 －2003. 絕緣子試驗方法，對5號桿塔絕緣子串進行絕緣子U50%沖擊放電電壓試驗(見圖3)。試驗設備為能夠產生峰值為1 200 kV，1.2/50 μs 的標準雷電波形的沖擊電壓發(fā)生器。

圖3 XWP2 －70 絕緣子U50%沖擊放電電壓試驗實物接線圖

試驗過程:溫度16 ℃，濕度68%。在高電壓實驗室用沖擊電壓發(fā)生器對每級電壓分別做10 次沖擊放電電壓試驗。通過這10 次閃絡的情況統計閃絡概率，來確定該4 片XWP2 －70 絕緣子串的U50%沖擊放電電壓值［11］，試驗數據見表1。

表1 絕緣子串沖擊放電電壓試驗數據

通過表1 試驗數據可知，35 kV 南紫線運行的4 片XWP2 －70 絕緣子串U50%沖擊放電電壓約為424 kV，燒灼絕緣子并未造成雷擊閃絡電壓的明顯下降。

3 雷擊事故分析

3.1 35 kV 全絕緣結構變壓器的防雷弱點

從圖1 可以看出，雷電擊穿短路故障點在變壓器繞組的尾端至中性點處，這正暴露出35 kV 變壓器防雷方面的一個盲區(qū)。全絕緣變壓器中性點的保護，因為對于電流小于10 A 的35 kV 網絡一般采用中性點不接地運行方式。35 kV 變壓器屬于全絕緣的結構，往往在變壓器套管處什么也不接，變壓器中性點處于對地絕緣狀態(tài)。6 ～35 kV 配電線路由于相間距離近，對其構成主要威脅的是感應過電壓。過電壓一般同時作用于三相線路，只是幅值有所差別。當雷電侵入波從兩相線路侵入時，兩相波到達不接地的中性點后將同時經由第三相繞組傳到線路上去，這時中性點的最大電位將為

3.2 線路與變電站設備在絕緣配合上存在問題分析

(1)雷電入侵波分析

如圖4 所示:只有線路遭受的雷電波經線路避雷器、母線避雷器后最終施加在變壓器的沖擊電壓小于變壓器雷電耐受沖擊電壓值，才能保證雷電波入侵時主變壓器有足夠高的絕緣水平而不被損壞［11］。

圖4 入侵主變雷電過電壓過程示意圖

(2)線路與變電站設備在絕緣配合上存在的問題分析

35 kV 線路及變電站位于多雷區(qū)。為了降低線路雷擊跳閘率，南紫、張紫兩回進線都采取加高線路絕緣水平的方式，大多采用4 ～5 片XWP2 －70 絕緣子。通過上面的試驗可知，4 片XWP2 －70 的U50%雷電沖擊放電電壓可達424 kV，5 片絕緣子接近于500 kV;而變電站35 kV 變壓器的全波雷電沖擊耐受值，按國家標準在200 kV左右。由此可見，線路的絕緣水平遠高于變電設備的絕緣水平。線路上的雷電過電壓無法在線路上釋放，勢必會造成侵入到變電站的雷電過電壓過高。此時若變電站內避雷器、動作計數器、接地引下線和接地裝置等任一環(huán)節(jié)出現問題都可能超過主變壓器的耐受能力而把變壓器打壞。因此線路絕緣水平和主變絕緣水平設計配合不恰當，也是變壓器遭受雷電波而損壞的重要原因［1～3］。

3.3 站內終端塔及進線段消雷器及避雷針引雷

避雷針適合使用于變電站防雷、建筑物防雷和高壓線路防“繞擊”。避雷針工作原理在于其上方有雷云時會造成空間電場畸變而將雷引于自身，從而保護其周圍的設備。35 kV 及以下電壓等級的線路整體絕緣水平較低，不適合用避雷針防護:因為當雷擊避雷針，雷電流入地時，會形成一個很高的塔頂電位，造成反擊;此外避雷針的存在增加了桿塔高度也就增加了雷擊概率。該線路多次發(fā)生雷害事故，就與線路避雷針、消雷器的引雷作用有關。同理，將避雷針裝在變電站站內桿塔上，會誘發(fā)雷擊。35 kV 變電站設備的絕緣水平低，雷電波得不到有效衰減使得侵入到變電站的雷電波過強而容易打壞變電站設備。另一方面，雷電放電時會由靜電感應和電磁感應在導線上產生過高的感應過電壓。由前面的分析，35 kV 線路相間距離近，感應過電壓一般作用于三相。三相繞組同時進波時，中性點最大電位將為首端電位的兩倍，對中性點絕緣構成很大威脅。此外經避雷針接地引下線泄放的雷電流次數的增多，對其附近電氣設備絕緣的影響也很大，使其絕緣長期運行于高壓極限狀態(tài)，再加上一些絕緣本身的積累效應，會加速絕緣的老化，對變電站主設備的絕緣構成威脅或造成事故。35 kV 變壓器繞組的額定雷電沖擊耐受電壓200 kV，如電壓多次超過變壓器繞組的額定雷電沖擊耐受電壓值，變壓器就有可能被打壞。

3.4 變電站內局部沖擊接地電阻過高的問題

該變電站位于半山坡，周圍的砂石土壤分布較廣，接地體布置于這種土壤。一方面，該土壤內的孔隙較大，不易與鋼材料接地體可靠接觸，使其接觸電阻變大。另一方面，多孔隙土壤中含氧量高，接地體易發(fā)生吸氧腐蝕，砂石土壤含水量極差，易干燥，接地裝置的參數不穩(wěn)定;特別是避雷器動作后雷電流入地時，大電流流過土壤，由于電流的加熱作用，土壤中水分的溫度開始上升，水的電阻率稍微降低。由于在加熱速度的局部非均勻性，發(fā)生熱不穩(wěn)定過程，電流匯集到更高溫度區(qū)域，最后所有電流匯流到一個狹窄的通道，導致水分的蒸發(fā)，沿這一蒸發(fā)通道即產生土壤擊穿，從而導致了局部電位升高打壞變壓器。另外由于接地裝置局部沖擊阻抗較高，接地裝置的熱容量小，避雷器多次動作后會造成局部沖擊電位升高，加上避雷器的殘壓，會超過主設備的全波雷電沖擊耐受值而把主設備打壞［2］。

3.5 線路處于易受雷擊的山區(qū)

35 kV 線路上防雷設施缺失。35 kV 南紫線全線沒有避雷線保護又處于雷電多發(fā)區(qū)，其中大跨越檔穿過山谷易發(fā)生雷電直擊。圖5 為在線路中發(fā)生過絕緣子串雷擊放電的大跨越塔。

圖5 發(fā)生過中相雷擊放電的35 kV 南紫線大跨越塔

4 采取防雷措施討論研究

4.1 全絕緣結構變壓器中性點的保護

根據礦區(qū)雷電活動頻繁的具體情況，由前面分析的全絕緣結構變壓器的防雷弱點可知，在35 kV變壓器中性點應加裝氧化鋅避雷器，以抑制雷電波入侵時中性點電位的升高。這對主變安全運行是有利的，用比較小的代價使變壓器的可靠運行得到改善，在技術經濟上都是合理的［8］。文獻［10］也通過實際運用情況說明中性點避雷器對抑制35 kV 變壓器中性點因雷擊引起的過電壓的有效性。

4.2 完善變電站進線段保護

線路處于雷電多發(fā)地段，可在距離變電站2 km 內架設避雷線。避雷線的保護角設定為20°，以降低雷擊導線的概率。對于發(fā)生在進線段之外的雷擊，進線段自身的阻抗作用將有效限制流過避雷器的雷電流幅值，降低侵入波的陡度。此外，考慮到線路的絕緣水平較高，在進線段的首段，距離變電站2 km 處，裝設金屬氧化物避雷器MOA1，以限制入侵雷電波的幅值;在進線段末段，靠近變電站隔離開關處，裝設金屬氧化物避雷器MOA2，以保護隔離開關和斷路器，如圖6 所示。

4.3 拆除進線端不當的防雷設施

由前面對避雷針的原理和桿塔塔頂安裝避雷針、消雷器的效果分析可知，在塔頂安裝避雷針、消雷器不但起不到避雷效果，反而會大大增加雷擊概率;故建議拆除桿塔避雷針、消雷器及站內終端塔避雷針，變電站可采取獨立避雷針對變電站進行直擊雷防護。

4.4 降低變電站局部沖擊接地電阻

圖6 進線段保護示意圖

由于所受土地資源限制，大規(guī)模地鋪設接地網不太現實。為解決山區(qū)砂石土壤區(qū)域變電站局部沖擊接地電阻過高引起反擊的問題，如圖7 所示，在避雷線或避雷器接地引下線入地處外圍距離地表約1 m 深處鋪設一內外雙層環(huán)狀接地體;然后在內外環(huán)狀接地體之間隔段距離鋪設水平連接體把內外環(huán)連接在一起，并在外層環(huán)狀水平接地體上隔段距離連接至原有地網;再在各連接點處嵌入1 根1.2 ～1.5 m 的垂直接地極，把水平接地體與垂直接地極有效地焊接在一起，并把水平接地體用防腐降阻劑包覆。接地網采用雙層環(huán)狀接地體輔以垂直接地極，既減小了局部沖擊接地電阻，加強了沖擊接地電流的擴散，又保護了變壓器等一、二次電氣設備的安全運行;增大了散流截面，改善接地電極四周的沖擊電位分布和電場分布。

圖7 降低變電站局部沖擊接地電阻接地示意圖

［9］的計算公式:

式中:UBL為避雷器殘壓，kV;i 為直擊雷電流，其直擊雷幅值一般大于10 kA;Rch為避雷器或避雷線等接地裝置的沖擊接地電阻，Ω;L 為接地引下線的電感，μH。

由式(1)可知，Rch減小，雷擊時加在變壓器等電氣設備的壓降也會降低;同時避雷線或避雷器接地引下線直接入地接入接地裝置，電感L也會相應降低:如此就大大減少了雷擊時加在變壓器等電氣設備上的電壓，附加到變壓器上的電壓就不會超過變壓器的截波耐壓值，減小了變壓器被雷擊打壞的可能性［13～14］。

5 結論

(1)35 kV 全絕緣結構變壓器需在變壓器中性點加裝氧化鋅避雷器，以抑制雷電波入侵時中性點電位的升高。

(2)降低變電站避雷器入地處局部沖擊接地電阻可以保護變壓器等一、二次電氣設備的安全運行，同時增大了散流截面，改善接地電極四周的沖擊電位分布和電場分布。

(3)35 kV 線路及變電站絕緣水平低不適合避雷針進行進線段保護(獨立避雷針除外)。

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