一起雷擊引起的變電站開關(guān)柜短路故障分析及處理

蔡智慧，陰 璽，李靜波，周 劍，陸宇航

(1.國網(wǎng)北京市電力公司 門頭溝供電公司，北京 102300;2.國網(wǎng)北京市電力公司 檢修公司，北京 100067;3.國網(wǎng)北京市電力公司 電力科學(xué)研究院，北京 100075)

北京西部電網(wǎng)地處山區(qū)，年平均雷暴日約為47天，山區(qū)各變電站每年長時間在強大的雷電考驗中運行.而給變電站供電的35 kV輸電線路則大部分跨越丘陵地帶，遭到雷擊的機會較多.因此，35 kV輸電線路落雷造成的雷害事故較多，對變電站的影響較為嚴重.本文結(jié)合近期發(fā)生的一起雷擊線路引起的變電站開關(guān)柜短路故障并參照以往研究[1-8]對其進行分析，提出了相應(yīng)的解決方案.

1 故障概述

某35 kV變電站35 kV為內(nèi)橋接線，10 kV為單母分段接線，正常運行方式為兩臺主變壓器分列運行，母聯(lián)345和245開關(guān)在分位，自投運行.故障現(xiàn)象為2#主變壓器差動保護動作，35 kV 32開關(guān)、主變壓器202開關(guān)掉閘，245開關(guān)自投成功，未損失負荷.

故障發(fā)生后，對變電站現(xiàn)場進行了如下檢查.

(1)避雷器動作情況 站內(nèi)35 kV 58避雷器放電計數(shù)器A相、B相、C相各動作1次.

(2)變電站接地網(wǎng)地阻測試結(jié)果為1.135 Ω，符合建站設(shè)計要求(要求小于4 Ω).

(3)站院內(nèi)裝有兩支避雷針，分別安裝在院內(nèi)東南角和東北角，避雷針高37 m，經(jīng)過現(xiàn)場校核，防雷保護設(shè)計符合要求.

(4)經(jīng)運行人員反映及雷電定位系統(tǒng)統(tǒng)計，故障發(fā)生時該地區(qū)正在下雷陣雨，雷電活動強烈.

(5)事故后運行人員將35 kV 32小車、302-5小車、345小車、345-5小車，以及10 kV 202開關(guān)拉到檢修位置，對2#主變壓器本體及附屬設(shè)施外觀進行檢查，未見異常;對4個35 kV開關(guān)柜小車進行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)觸頭等部件均無問題.試驗人員對2#主變壓器進行常規(guī)檢查性試驗，數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)比對無明顯變化，未發(fā)現(xiàn)問題;對2#主變壓器采油樣進行色譜分析，各項指標正常，未發(fā)現(xiàn)問題;對35 kV封閉母線筒進行了耐壓試驗，并打開母線筒進行檢查，也未發(fā)現(xiàn)問題.

(6)本次故障過程中，35 kV變電站2#主變壓器差動速斷動作0 s跳開32開關(guān)和202開關(guān)，快速切除故障.故障時的電流波形如圖1所示.

圖1 某變電站32開關(guān)短路電流波形

(7)經(jīng)故障電流分析和現(xiàn)場檢查，初步判定故障點位于32CT和302-5CT之間，于是對302-5打開后柜門進行絕緣檢查，發(fā)現(xiàn)A相和B相引線排間有放電痕跡，絕緣擋板有黃黑色痕跡，支柱絕緣子(用于帶電顯示器傳感器)有黑色燒痕.

2 事故原因分析

根據(jù)當時的氣象條件及故障后避雷器的動作情況，初步分析為35 kV輸電線路遭到雷擊造成雷電波入侵變電站，導(dǎo)致302-5開關(guān)柜內(nèi)A相和B相引線排發(fā)生相間短路，造成2#主變壓器差動保護動作.這與線路工作人員在事故后巡線發(fā)現(xiàn)35 kV輸電線路的故障點相吻合.故障時的系統(tǒng)簡圖如圖2所示.

圖2 故障時的系統(tǒng)示意

分析輸電線路現(xiàn)場實際故障狀況發(fā)現(xiàn)，該35 kV線路雷擊處屬于平地與山地交接處，落差大，高地山區(qū)桿塔更容易引雷，因雷電現(xiàn)象十分復(fù)雜，直擊雷、繞擊雷都會造成絕緣子的閃絡(luò)，引起線路跳閘.

雷擊桿塔的耐雷水平為:[9]

式中:U50%——線路絕緣子串的50%沖擊閃絡(luò)電壓;

k——導(dǎo)地線間的耦合系數(shù);

β——分流系數(shù);

Rch——桿塔沖擊接地電阻;

Lgt——桿塔電感;

hd——桿塔高度.

繞擊時的耐雷水平為:

式中:U50%——線路絕緣子串的50%沖擊放電電壓;

Z——雷擊導(dǎo)線處的波阻抗.

因此，若要提高線路的耐雷水平，應(yīng)采取的主要手段為降低桿塔接地電阻、提高耦合系數(shù)，以及安裝線路專用避雷器.

該35 kV線路經(jīng)過改造，在故障前已安裝專用避雷器.從事后對線路的接地電阻測試情況來看，線路53#桿和100#桿之間有7級桿塔接地電阻偏大，故降低線路接地電阻成為提高該線路耐雷水平的關(guān)鍵.

該35 kV變電站302-5隔離開關(guān)和開關(guān)柜均為同一公司生產(chǎn)，額定電流均為1 250 A，投運日期為2007年11月.該開關(guān)柜屬于緊湊型，柜內(nèi)采用絕緣板以增強絕緣效果.為驗證該絕緣板的絕緣效果，聯(lián)系專業(yè)公司進行試驗.在試驗過程中發(fā)現(xiàn)一個現(xiàn)象，即潮濕絕緣板的絕緣強度迅速降低，放電次數(shù)明顯增加.在絕緣板上用噴壺噴灑水霧，模擬潮濕條件下的復(fù)合絕緣試驗，發(fā)現(xiàn)在180 kV雷電電壓的潮濕環(huán)境下，不但380 mm的絕緣板發(fā)生沿面放電，而且空氣間隙需要達到260 mm以上才能確保不被擊穿，這已經(jīng)超過目前廠家35 kV緊湊型開關(guān)柜的設(shè)計標準:在122 kV雷電電壓下，空氣間隙為120 mm及以上才能保證不被擊穿.以上試驗結(jié)果表明，潮濕因素影響了絕緣板的絕緣性能.

查閱絕緣板材料的相關(guān)文獻可知，不飽和聚酯材料是高分子材料，其內(nèi)部含有許多穩(wěn)定分布的微孔，這為水分子在其內(nèi)部擴散提供了對流作用，在濕熱環(huán)境下，其吸收水分速度會進一步加快，絕緣性能大幅下降.因此，絕緣板材料憎水性能相對不佳是發(fā)生柜內(nèi)短路故障的主要原因之一.

另外，柜內(nèi)放電發(fā)生部位無絕緣熱縮套或絕緣盒，也是導(dǎo)致柜內(nèi)引線排絕緣性能下降的原因之一.

3 技術(shù)處理

針對事故發(fā)生的原因，采取如下技術(shù)措施.

(1)對該線路53#桿和100#桿之間的7級接地電阻偏大的桿塔進行降阻改造.

(2)更換該變電站內(nèi)AB兩相引線排間的絕緣擋板及支柱絕緣子(含帶電顯示器傳感器);絕緣擋板采用憎水性能更佳的SMC材料.

(3)對該變電站內(nèi)302-5后柜門內(nèi)AB兩相引線排發(fā)生放電的位置進行打磨，力求平滑無毛刺，并對A，B，C三相引線排裸露處進行絕緣化處理.處理完成后，對處理部位進行耐壓試驗，未出現(xiàn)異常.

(4)運行過程中加強對線路及站內(nèi)設(shè)備的巡視，并進行狀態(tài)檢測，發(fā)現(xiàn)異常后及時進行處理.

技術(shù)處理后至今已一年有余，未再次發(fā)生因雷擊線路導(dǎo)致變電站開關(guān)柜絕緣被擊穿產(chǎn)生的開關(guān)柜短路故障現(xiàn)象.

4 結(jié)語

輸變電設(shè)備是電力系統(tǒng)的重要組成部分之一，其運行狀態(tài)對電力系統(tǒng)的可靠性有著重大影響.通過對該起雷擊線路引起的變電站開關(guān)柜短路故障現(xiàn)象進行分析，提出了相關(guān)的技術(shù)措施，對預(yù)防類似事故起到了積極作用.另外，還需認真檢查設(shè)備的運行情況，同時利用春、秋檢對設(shè)備進行檢修和試驗，以消除隱患.

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