變電站七星樁接地極應(yīng)用分析

沈源興，沈盛，周曉琳，潘向華

（1.國網(wǎng)山東蓬萊市供電公司，山東蓬萊265600；2.國網(wǎng)山東萊陽市供電公司，山東萊陽265200；3.國網(wǎng)山東省電力公司煙臺供電公司，山東煙臺264006；4.國網(wǎng)山東省電力公司，濟(jì)南250001）

變電站七星樁接地極應(yīng)用分析

沈源興1，沈盛2，周曉琳3，潘向華4

（1.國網(wǎng)山東蓬萊市供電公司，山東蓬萊265600；2.國網(wǎng)山東萊陽市供電公司，山東萊陽265200；3.國網(wǎng)山東省電力公司煙臺供電公司，山東煙臺264006；4.國網(wǎng)山東省電力公司，濟(jì)南250001）

35 kV清泉水源地變電站供電系統(tǒng)近幾年頻繁故障，根據(jù)現(xiàn)場錄波分析，判斷是雷電造成供電系統(tǒng)過電壓，過電壓時(shí)避雷器沒有起到應(yīng)有的作用造成絕緣擊穿，發(fā)生相間短路。運(yùn)用七星樁接地極，采取就近接地等措施后，問題得到徹底解決，為類似問題的處理提供參考。

頻繁故障；過電壓；避雷器；七星樁接地極

0　引言

自2013-07-01至2014-06-19，清泉水源地變電站共發(fā)生10次故障。以往雷擊發(fā)生線路開關(guān)跳閘，沒有損壞站內(nèi)設(shè)備，但自兩臺變頻器投入運(yùn)行后，開始有故障發(fā)生。

1　故障現(xiàn)象

35 kV清泉水源地變電站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。正常運(yùn)行時(shí)，2號線路運(yùn)行，1號線路備用；開關(guān)436、352、602、604合閘，開關(guān)351、601斷開。TA位置與保護(hù)的配制見圖1。兩臺變頻器分別于2010年、2011年投入運(yùn)行。

2013年7月1日至8月6日，水源地35 kV供電系統(tǒng)線路跌落保險(xiǎn)燒毀9次，并且造成9次全站停電故障，352開關(guān)變壓器速斷保護(hù)以及差動保護(hù)動作6次；另外，運(yùn)行過程中出現(xiàn)過電動機(jī)零序保護(hù)動作的問題，動作時(shí)電動機(jī)一次側(cè)零序電流5 A。

圖1　35 kV供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2014年6月19日發(fā)生了第10次故障。當(dāng)時(shí)雷雨天氣，清泉水源地352開關(guān)速斷保護(hù)動作，2號水源變壓器故障跳閘，全站失電。變電站最嚴(yán)重故障的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1　2013—2014年變電站最嚴(yán)重故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2　檢查過程

2.1外觀檢查

2013-08-06，全站停電后檢查發(fā)現(xiàn)，線路跌落保險(xiǎn)被燒毀，35 kV開關(guān)至變壓器套管內(nèi)螺絲有放電痕跡，說明絕緣子絕緣被擊穿。

2014-06-19，全站停電后檢查發(fā)現(xiàn)，故障電流達(dá)到差動、速斷保護(hù)動作值，保護(hù)動作；對現(xiàn)場的一次設(shè)備進(jìn)行全面檢查，352開關(guān)柜內(nèi)設(shè)備未發(fā)現(xiàn)異常，開關(guān)、TV、避雷器等均完好；35 kV電纜外觀檢查正常；6 kV、400 V側(cè)一次設(shè)備無異常；開關(guān)室以及變壓器小室內(nèi)溫濕度指標(biāo)正常；2號水源變壓器A相、B相有明顯放電燒灼痕跡，如圖2所示，說明故障時(shí)接線端子對地絕緣被擊穿。

圖2　A、B相放電燒灼的痕跡

2.2絕緣檢查

從表1的數(shù)據(jù)可知，前9次故障保險(xiǎn)被燒毀，有7次發(fā)生在雷雨天氣時(shí)，前7次故障發(fā)生在未涂刷RTV涂料時(shí)，其35 kV絕緣均低于10 MΩ，不符合規(guī)程的規(guī)定，也說明天氣潮濕時(shí)故障的發(fā)生率高。涂刷RTV涂料后又發(fā)生2次故障，跳閘后絕緣檢查結(jié)果均大于10 MΩ。

8月6日全站停電后，將35 kV進(jìn)線開關(guān)柜更換DMC憎水性好的絕緣子。再發(fā)生故障之后的絕緣檢查結(jié)果表明，更換DMC絕緣子后的絕緣電阻均大于35 MΩ，沒有更換的絕緣電阻均小于5 MΩ。由此可見，更換絕緣子的效果顯著。

第10次故障，6月19日全站停電后拆開高壓側(cè)電纜測量35 kV電纜絕緣對地及相間均2 GΩ以上，測量2號水源變壓器高壓對地側(cè)絕緣電阻為2 GΩ；低壓側(cè)絕緣電阻為2 GΩ。

2.3直流電阻檢查

2014年6月19日故障后，變壓器高壓側(cè)直流電阻值A(chǔ)B相2.851 Ω、AC相2.843 Ω、BC相2.835 Ω；低壓側(cè)直流電阻值A(chǔ)B相0.04823Ω、AC相0.048 14 Ω、BC相0.048 09 Ω。

2.4避雷器檢查

對12只避雷器進(jìn)行檢查，其絕緣電阻最小值為3.1 GΩ；直流1 mA及75%U1mA電壓下的泄漏電流I75%U1mA最大值為U1mA=80 kV，I75%U1mA=3 μA，均合格。

35 kV進(jìn)線避雷器的接地導(dǎo)線截面積約20 mm2，泄流容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

2.5線路電壓電流參數(shù)檢查

8月6日的故障錄波檢查結(jié)果表明，故障時(shí)存在明顯的過電壓現(xiàn)象，數(shù)據(jù)結(jié)果如下。

參考時(shí)間0 ms時(shí)，電壓瞬時(shí)值UAB=-47 V，UBC= 256 V，UCA=201 V；

相對時(shí)間40 ms時(shí)，電壓瞬時(shí)值UAB=-6 V，UBC= -113 V，UCA=119 V。

2014年5月，變電站運(yùn)行中對線路電壓電流進(jìn)行了檢查，數(shù)值結(jié)果如下。

UAB=103.9V，UBC=103.9 V，UCA=103.9 V

UAB與UBC夾角120°，UAB與IA夾角45.0°；

UBC與UCA夾角119°，UBC與IB夾角44.8°；

UCA與UAB夾角121°，UCA與IC夾角43.6°。

可見，電壓電流運(yùn)行參數(shù)值正常。

2.6線路跌落保險(xiǎn)參數(shù)檢查

變電站35kV線路跌落保險(xiǎn)的設(shè)計(jì)容量為100 A，實(shí)際的配置容量60 A。顯然配置容量偏低，說明以往的跌落保險(xiǎn)熔斷與參數(shù)配置不合格有關(guān)。

2.7變頻器輸入輸出側(cè)諧波測試

在現(xiàn)場進(jìn)行了諧波測試，結(jié)果表明2次及以上電壓、電流諧波均滿足電能質(zhì)量規(guī)程規(guī)定的要求。即變送器的投入沒有構(gòu)成因諧波超標(biāo)而引起諧振過電壓的風(fēng)險(xiǎn)。6 kV母線諧波電壓含有率和總畸變率測試結(jié)果如表2所示。

表2　6 kV母線諧波電壓含有率和總畸變率%

3　原因分析

根據(jù)諧波測試結(jié)果可知，變電站系統(tǒng)不存在諧波超標(biāo)而引起諧振過電壓的因素，因此諧波的問題被否決。

3.1雷電過程引起系統(tǒng)短路

對于35 kV進(jìn)線系統(tǒng)，是雷電過程以及陰天下雨、設(shè)備的絕緣下降，兩種因素共同作用引起了短路的發(fā)生［1］。

當(dāng)附近的35 kV線路遭雷擊時(shí)，出現(xiàn)雷電過電壓。其一，相間線路直接遭雷擊而短路；其二，落雷造成單相線路接地故障，非故障相電壓升高，導(dǎo)致了絕緣擊穿。根據(jù)對電壓波形的分析結(jié)果可知，雷電時(shí)雖然雷電的電壓波形沒有記錄下來，但是進(jìn)線側(cè)工頻相電壓的峰值明顯升高［2］。

對于雷電過程導(dǎo)致的系統(tǒng)過電壓或工頻過電壓，避雷器沒有發(fā)揮吸收過電壓的作用，導(dǎo)致設(shè)備的絕緣擊穿等；另外，是避雷器的性能問題，導(dǎo)致了本身被擊毀。

3.2避雷器效果與接地極密切相關(guān)

整個(gè)泵站設(shè)計(jì)緊湊，地網(wǎng)面積很小，難以承受大電流、高電壓沖擊，而避雷器的接地都接到這個(gè)網(wǎng)上，不僅其避雷效果差，而且避雷器擊穿造成一次系統(tǒng)短路時(shí)的沖擊電流干擾容易使站內(nèi)二次設(shè)備出現(xiàn)不正常動作行為。

3.3雷電活動與地理狀況有關(guān)

根據(jù)雷電的形成與避雷過程的理論，結(jié)合35 kV線路走廊的地理特征，分析認(rèn)為線路及桿塔幾乎矗立于四面環(huán)山的山谷中央，位置突兀，極易成為山谷雷電的感應(yīng)和瀉流載體，并產(chǎn)生雷電過程［3］。

對于第10次故障，與之前的故障有所區(qū)別。結(jié)合上述理論分析可以斷定最后一次故障，即2號水源變壓器故障的起始原因是雷電過程造成的，而且雷電時(shí)避雷器未動作。變壓器A、B相放電的原因是外線路落雷產(chǎn)生的過電壓串至高壓側(cè)，造成A、B相對地放電，即AB相間短路，352開關(guān)速斷、差動保護(hù)動作跳閘［4］。

35 kV線路側(cè)及開關(guān)側(cè)避雷器未動作的原因，是雷擊過電壓未達(dá)到避雷器動作電壓值，避雷器動作值是額定電壓的5倍左右。

3.4保護(hù)的動作行為分析

10次故障有6次發(fā)生在速斷保護(hù)、差動保護(hù)動作區(qū)之內(nèi)，速斷保護(hù)、差動保護(hù)動作正確；有4次發(fā)生在速斷保護(hù)、差動保護(hù)動作區(qū)之外，跌落保險(xiǎn)熔斷正確；至于線路側(cè)的故障與站內(nèi)保護(hù)無關(guān)。另外，出現(xiàn)的電動機(jī)零序保護(hù)動作的問題，是電動機(jī)進(jìn)線A相發(fā)生了間歇性接地故障，一次側(cè)零序電流達(dá)5 A，超過了零序保護(hù)的定值?？梢姳Ｗo(hù)動作正確。

4　防范措施

4.1避雷器接地極與接地線的處理

根據(jù)上述分析并結(jié)合現(xiàn)場的地理狀況，為了提高避雷器的避雷能力，第一采用七星樁接地極接地；第二縮短避雷器與接地極之間的連接線或增加連接線的面積［4］。

七星樁接地極的結(jié)構(gòu)見圖3。這種接地極在原理上增加了與土壤之間的接觸面積，在工藝上采用了融合劑的澆注措施，使雷電聚集的電荷能夠順暢地進(jìn)入大地，因此七星樁結(jié)構(gòu)的接地極具有良好避雷效果。

七星樁接地極的安放位置與距離也值得研究，將避雷器的接地單獨(dú)設(shè)置，在柜內(nèi)與現(xiàn)有地網(wǎng)絕緣，戶外連接線采取絕緣處理，其位置選在東側(cè)墻外的水渠內(nèi)。7個(gè)深井接地裝置按3 m的間距放置于水渠下方，使之常年有渠水滲入。但是，如此安裝使避雷器與接地極之間距離L＞40 m。但是連接線長度的增加，對于高頻電抗的影響極為明顯。

雷電流的振幅與頻率，雷電流的振幅主要集中在低頻部分即0～1 kHz之間［5］。經(jīng)計(jì)算可知，如果七星樁接地極遠(yuǎn)離避雷器的連接線長度增加倍數(shù)α=10，則工頻阻抗Z50Hz增加倍數(shù)為α=10。而f=1 kHz下的阻抗Z1kHz與工頻阻抗Z50Hz相比增加倍數(shù)β由下式確定：

圖3　避雷器七星樁接地狀況

反之，如果將連接線長度限制在4 m以內(nèi)，與L＞40 m相比，雷電時(shí)的高頻頻率f=1 kHz對應(yīng)的阻抗與工頻相比也會大幅度降低?？梢?，縮短接地線的長度，會使避雷器的放電效果會明顯提高。同樣可以證明，增加接地線的線徑其放電效果也會明顯改善。

由于受地理位置的影響縮短接地距離不容易做到，最后采取了增加截面積的措施，將接線的截面增加1倍。

4.2增加兩級避雷器

在清泉變電站進(jìn)線的前兩級鐵塔均加裝避雷器，以避免清泉變電站水泵房因?yàn)榈貏莸?，土壤電阻相對較小，而遭受雷擊故障的影響。

4.3提高避雷器與跌落保險(xiǎn)的指標(biāo)參數(shù)

從跌落保險(xiǎn)熔斷脫落狀況來看，雷擊時(shí)電流很大，因此，采取以下措施：將35 kV進(jìn)線避雷器的容量提高1倍，并且在此基礎(chǔ)上再增加一個(gè)可靠系數(shù)，可靠系數(shù)按1.3倍考慮；根據(jù)設(shè)計(jì)要求，提高清泉變電站內(nèi)跌落保險(xiǎn)的容量指標(biāo)，將現(xiàn)行的60 A改成100 A。

4.4改善運(yùn)行環(huán)境

在清泉變電站2號主變室、35 kV開關(guān)室均安裝1臺除濕器，并附有在線檢測手段，以密切跟蹤室內(nèi)溫濕度的變化，確保環(huán)境及設(shè)備干燥絕緣的良好狀態(tài)。

4.5更改保護(hù)的整定值

調(diào)整差動保護(hù)的定值，適當(dāng)降低其靈敏度，將差動保護(hù)的定值由0.5Ie提高到0.7Ie，以避免區(qū)外故障時(shí)的誤動作。

5　結(jié)語

變電站在裝設(shè)變頻器之后故障就頻繁發(fā)生了，當(dāng)時(shí)并沒有找到故障的原因，一直認(rèn)為是變頻器產(chǎn)生諧波造成的。因此，水源地變電站每次故障后都進(jìn)行了常規(guī)的外觀檢查與絕緣檢查工作，并在運(yùn)行過程中對其運(yùn)行參數(shù)、諧波含量等進(jìn)行了測試，結(jié)果均在正常范圍以內(nèi)。但是，故障過程中變壓器高壓側(cè)相電壓二次瞬時(shí)值260 V、電流二次值達(dá)10.7 A，故障時(shí)設(shè)備的損壞程度嚴(yán)重。

后來，考慮到防雷的問題。水源地供電系統(tǒng)處于雷電活動頻繁區(qū)域，雷擊時(shí)電流十分強(qiáng)大，由于接地網(wǎng)的問題使避雷器沒有起到應(yīng)有的作用。運(yùn)用了近年來研究的接地極新成果七星樁接地極，同時(shí)采用接地極澆注工藝，并增加了避雷器與接地極連接線的截面等。變電站再次投入運(yùn)行后1年多來未出現(xiàn)與以往類似的故障，可見由于防雷措施不當(dāng)導(dǎo)致變電站頻繁出現(xiàn)全站停電的一系列問題得到徹底解決。

七星樁接地極與接地極澆注工藝是近幾年研究的新成果，在電力系統(tǒng)的防雷技術(shù)中必將得到廣泛的應(yīng)用。

［1］王劍，劉亞新，陳家宏，等.基于電網(wǎng)雷害分布的輸電線路防雷配置方法［J］.高電壓技術(shù)，2008（10）：2065-2069.

［2］余力，李和國.架空輸電線路的防雷與接地［J］.江西電力，2010（2）：15-17.

［3］張菲.關(guān)于降低輸電線路桿塔接地電阻的思考［J］.硅谷，2010（4）：40.

［4］陳少東，李孝波，李斌，等.標(biāo)準(zhǔn)雷電波形的頻譜分析及其應(yīng)用［J］.氣象，2006（10）：11-19.

［5］賈洪海.送電線路接地裝置分析與計(jì)算［J］.黑龍江科技信息，2008（29）：39.

Application of Substation Seven-pile-grounding

SHEN Yuanxing1，SHEN Sheng2，ZHOU Xiaolin3，PAN Xianghua4
（1.State Grid Penglai Electric Power Company，Penglai 265600，China；2.State Grid Laiyang Electric Power Company，Laiyang 265200，China；3.State Grid Yantai Electric Power Company，Yantai 264006，China；4.State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China）

In recent years，failures are occurred frequently in the 35 kV water source substation.According to the wave record analysis on site，the overvoltage of the power supply system is caused by the lightning，and the insulation breakdown and interphase short circult are occurred because of the lightning arrester failure.After using seven piles grounding and adopting measures of grounding nearby，the problem is solved.The solving way provides

for similar problems.

frequent faults；overvoltage；lightning arrester；seven piles grounding

TM63

B

1007－9904（2015）12－0068－04

2015-10-22

沈源興（1961），男，技師，從事變電檢修管理工作；

沈盛（1984），男，從事繼電保護(hù)工作；

周曉琳（1985），女，從事營銷管理及用電檢查工作。