小型水電站35 kV架空輸電線路雷擊事故分析

楊 中 瑞， 劉 昌 軍

(四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 都江堰 611830)

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小型水電站35 kV架空輸電線路雷擊事故分析

楊 中 瑞， 劉 昌 軍

(四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 都江堰 611830)

對夏季雷暴及雷雨多發(fā)地區(qū)小型水電站來說，其高壓架空輸電線路的防雷保護與安全運行非常重要，因為線路兩側(cè)連接著電站與上網(wǎng)變電站的主設(shè)備，輸電線路一旦遭受雷擊，就有可能造成電站或變電站的主設(shè)備損壞，從而造成重大安全事故和經(jīng)濟損失。通過對某小型水電站35 kV架空輸電線路的雷擊并發(fā)生振蕩事件進行定性分析，闡述了線路雷擊損壞的發(fā)生機理，提出了改進對策與建議并付諸實施，取得了較好的效果。

小型水電站；35 kV輸電線路；雷擊；振蕩；防雷保護

1 概 述

雷電是夏季常見的自然現(xiàn)象，其何時何地發(fā)生、強度多少無法準(zhǔn)確預(yù)測。對于地處多雷暴地區(qū)的水電站來說，安全渡汛和防雷工作尤為重要。水電站中最易遭受雷擊的部位是位于室外的高壓輸電線路、升壓站、開關(guān)站等。按照國家相關(guān)規(guī)范，對于升壓站、開關(guān)站等布置水電站重要設(shè)備的區(qū)域均應(yīng)設(shè)置避雷針，其可以有效地保護區(qū)域內(nèi)的設(shè)備免受直接雷擊破壞；而對于保護35 kV高壓架空輸電線路的避雷線一般只在距該線路兩側(cè)離變電站2.5 km范圍內(nèi)設(shè)置，因而其不能做到全線防雷保護。而且，既使設(shè)有避雷線，也可能因雷擊過于強烈而發(fā)生直擊雷繞擊在輸電線路上造成與線路兩端直接相連的設(shè)備發(fā)生雷電侵入波引起的過電壓損壞的事故，嚴重影響到水電站的運行安全并可能造成較大的經(jīng)濟損失。

都江堰市處于成都平原與西部高原氣流交匯處，夏季雷雨多，強度大，該區(qū)域同類型小型水電站有50余座，因此，防洪渡汛和防雷保護就顯得尤為重要。2013年7月28日凌晨發(fā)生的異常雷雨天氣使某小型水電站35 kV架空輸電線路遭受雷擊，造成線路兩側(cè)的A相電流互感器損壞，停止發(fā)電7 d，形成了巨大的汛期安全隱患并造成較大的經(jīng)濟損失。

2 事件發(fā)生經(jīng)過

2013年7月28日凌晨2時左右，某小型水電站所在區(qū)域發(fā)生較大雷雨，中控室值班人員根據(jù)雷雨天氣應(yīng)急預(yù)案規(guī)定，短時跳開35 kV出線303開關(guān)并開啟泄洪閘泄洪，1#機保廠用發(fā)電，2#機空載運行備用，短時關(guān)閉全廠通訊信號；生產(chǎn)管理人員、值班領(lǐng)導(dǎo)迅速到達電站中控室現(xiàn)場值守，全廠進入有序的應(yīng)急狀態(tài)。

凌晨3時左右，值班人員發(fā)現(xiàn)35 kV高壓開關(guān)室內(nèi)有明顯閃光后迅速消失，現(xiàn)場檢查后未發(fā)現(xiàn)明顯異常。雷電減弱后、準(zhǔn)備恢復(fù)上網(wǎng)發(fā)電時，值班人員發(fā)現(xiàn)35 kV線路系統(tǒng)側(cè)無電，在現(xiàn)場驗電確認后立即向電力調(diào)度人員了解情況，調(diào)度人員回復(fù)因電站35 kV專用輸電線上出現(xiàn)過短路現(xiàn)象，線路變電站側(cè)的上網(wǎng)開關(guān)312保護動作已跳開，要求電站檢查輸電線路情況。電站立即組織人員進行檢查，初步發(fā)現(xiàn)35 kV線路側(cè)A相避雷器損壞，絕緣電阻明顯偏低，遂立即將其拆除。當(dāng)時，雖然雷擊現(xiàn)象逐漸減弱，但暴雨正逐步加強，為盡快恢復(fù)發(fā)電，確保渡汛安全，電站值班人員電告調(diào)度人員請求系統(tǒng)試送電。

系統(tǒng)送電后，在未合電站出線開關(guān)303情況下，值班人員發(fā)現(xiàn)303開關(guān)線路側(cè)A相電流互感器有放電現(xiàn)象，線路側(cè)功率出現(xiàn)忽“+”忽“-”振蕩并逐漸加強，最高達到±1 800 kW左右。值班人員立即請求調(diào)度人員斷開變電站側(cè)312開關(guān)。由于雷擊可能已經(jīng)造成變電站側(cè)也發(fā)生了故障而不能及時斷開312上網(wǎng)開關(guān)，放電越來越嚴重，15 min后，已出現(xiàn)明火燃燒，18 min后，變電站側(cè)上網(wǎng)開關(guān)312斷開，事故現(xiàn)象消失。

天亮后，電力部門與電站技術(shù)人員共同查找事故產(chǎn)生的原因。首先檢查電站及變電站兩側(cè)開關(guān)的損壞情況，初步判斷在電站35 kV專用輸電線路上發(fā)生了雷擊事故，造成電站側(cè)303開關(guān)、變電站側(cè)312開關(guān)A相電流互感器絕緣損壞。經(jīng)全輸電線路巡查，發(fā)現(xiàn)雷擊點正好位于2.8 km長的輸電線路中段，架空避雷線遭受雷擊發(fā)生斷股，但輸電線路其它地方未見明顯損壞。

3 事故現(xiàn)象所涉及的主要參數(shù)

電站裝機容量為3×1 250 kW，通過1回35 kV架空輸電線路上網(wǎng)，線路型號為LGJ-3×95，線路總長度為2.8 km，采用全線架空避雷線。避雷線型號為LGJ-1×50，線路兩端電站及變電站斷路器均采用GBC-35型手車式開關(guān)柜，柜內(nèi)電流互感器型號為LZC-35，線路避雷器型號為HY5WZ-41/134。電站上網(wǎng)的變電站為所在城市的110 kV樞紐變電站，裝設(shè)兩臺容量為50 MVA三繞組變壓器。該變電站主要承擔(dān)城區(qū)和部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)供電，并接受區(qū)域內(nèi)的小型水電站上網(wǎng)。

4 事故分析

4.1 問題的提出

在該事件中，對以下兩個現(xiàn)象需要進行分析研究以確定雷擊原因和可能造成的損害，從而指導(dǎo)電站今后的防雷保護工作：一是雷擊后為什么會發(fā)生振蕩現(xiàn)象？如何防止類似事故的發(fā)生；二是可能造成哪些危害？該電站地理接線和雷擊點見圖1。

4.2 等效電路

圖2中，CA、CB、CC分別為與35 kVⅡ段母線有直接電氣連接的全部線路、變壓器高壓側(cè)、電纜等形成的對地等效電容，303為電站側(cè)上網(wǎng)開關(guān)，TA1為其柜內(nèi)配置的電流互感器；312為變電站側(cè)上網(wǎng)開關(guān)，TA2為其柜內(nèi)配置的電流互感器。雷擊點發(fā)生在2.8 km長的輸電線路中段，雷擊發(fā)生時303、312開關(guān)已經(jīng)斷開，線路兩側(cè)均無電源。

圖1 地理接線及雷擊點示意圖

圖2 等效電路及雷擊點示意圖

4.3 雷擊破壞原因

圖2中，雷擊發(fā)生時電站、變電站兩側(cè)開關(guān)303、312已經(jīng)斷開，當(dāng)線路中段A相遭受雷擊、所形成的強大雷電侵入波向兩側(cè)推進至斷路器斷口時，無法正常釋放強大的雷電電荷，形成浪涌過電壓，而此時避雷器卻沒有迅速放電實施保護；與此同時，電站和變電站兩側(cè)的A相電流互感器高壓側(cè)也遭受到同樣大小的雷擊過電壓作用，必然會造成互感器高壓側(cè)首匝線圈絕緣損壞。

4.4 電弧產(chǎn)生的原因

線路遭受雷擊事故后，線路兩側(cè)的電流互感器絕緣已經(jīng)損壞，但由于故障排查工作不徹底，未能排除已經(jīng)存在的故障點，一旦系統(tǒng)312開關(guān)送電，35 kV工頻交流電作用在線路及兩側(cè)電壓互感器上，在絕緣已經(jīng)損壞的A相電流互感器上產(chǎn)生電弧而接地形成電弧過電壓，所產(chǎn)生的電弧過電壓將導(dǎo)致絕緣的進一步損壞且逐步加強。

4.5 電弧過電壓振蕩產(chǎn)生的原因

調(diào)度人員合上312開關(guān)試送電時電站側(cè)上網(wǎng)開關(guān)303呈斷開狀態(tài)，此時的等效電路見圖3。

圖3 接地電弧振蕩等效電路圖

設(shè)某一時刻三相交流電的相電壓分別為UA、UB、UC，對地電容分別為CA、CB、CC，線路各相的電感分別為XA、XB、XC，對地電容電流分別IA、IB、IC。正常狀態(tài)下，三相對地電容電流相量和為0。

形成電弧過電壓的基礎(chǔ)是產(chǎn)生間歇性電弧。當(dāng)中性點非直接接地系統(tǒng)發(fā)生單相間歇性電弧接地故障時，由于電弧多次不斷的熄滅和重燃而導(dǎo)致系統(tǒng)對地電容上的電荷多次不斷的積累和重新再分配，就會在非故障相的電感電容回路上高頻振蕩， 隨著電弧的產(chǎn)生而形成高溫，造成互感器絕緣進行性損壞。

在高頻振蕩過程中，由于等效回路阻抗性質(zhì)呈R-L-C交替變化，則回路中的電流特性亦呈IR-IL-IC交替變化，回路功率產(chǎn)生忽“+”忽“-”的交替變化。諧振時，其達到最大值，同時，絕緣由于電弧熱量的燒損伴隨電弧進行性增強，電弧過電壓就會越來越高，回路電流幅值也就越來越大，電弧振蕩越來越強，功率越來越大，以致回路故障可能從單相接地故障逐步發(fā)展為相間短路故障。當(dāng)312開關(guān)斷開后，加載在線路上的35 kV工頻激勵電壓消失，電弧也就隨之消失了。

5 結(jié) 語

(1)雷擊作為自然現(xiàn)象不可避免，其發(fā)生的時間、地點、強弱等無法預(yù)測。作為水電站，必須加強對其的防范，盡量減少雷擊損失。

(2)架空避雷線是高壓架空輸電線路預(yù)防直擊雷的有效措施，務(wù)必使其功能完好，接地電阻滿足要求。筆者在文中介紹的水電站避雷線就遭受了直擊雷作用而產(chǎn)生電弧，繞擊了輸電線路中的A相而產(chǎn)生雷電侵入波破壞事故；正是由于避雷線的作用，大大削弱了雷擊對輸電線路的直接危害。

(3)高壓架空輸電線路兩側(cè)應(yīng)安裝線路保護避雷器，可有效削弱雷電侵入波；避雷器的配置必須符合相關(guān)規(guī)范要求，作好定期校驗，保證避雷器功能完好并確保避雷器可靠投入運行。

(4)文中介紹的水電站在雷雨時執(zhí)行了雷雨天氣運行應(yīng)急預(yù)案，斷開了電站上網(wǎng)開關(guān)且幸好變電站開關(guān)由于保護動作已經(jīng)斷開，強大的雷電波侵入時沒有直接作用在電站和變電站兩側(cè)的35 kV母線上，否則將會造成母線連接的所有設(shè)備直接遭受雷電侵入波過電壓，極易使主變壓器高壓側(cè)首匝絕緣破壞而發(fā)生嚴重事故，甚至引起變壓器爆炸，造成重大安全事故和經(jīng)濟損失。

(5)小型水電站往往由于資金原因，不可能花較多經(jīng)費去增加防雷、保護設(shè)備設(shè)施，因此，雷雨天氣運行的預(yù)防工作就顯得尤為重要；一定要制定適合于電站實際情況的雷雨天氣應(yīng)急預(yù)案并嚴格執(zhí)行；當(dāng)發(fā)生雷暴、雷雨等強對流異常天氣時，應(yīng)啟動應(yīng)急預(yù)案，科學(xué)避雷，確保人員和主設(shè)備安全。筆者建議：此時應(yīng)停止向外輸電，斷開輸電線路側(cè)開關(guān)，并確認線路避雷器可靠工作。

(6)盡量不要采用發(fā)電機電壓直饋線。因為目前運行的小型水輪發(fā)電機出口電壓不管是6.3 kV，還是10.5 kV均是中性點不接地系統(tǒng)；既使其不是幅度很大但波頭陡度很陡的雷電侵入波也很容易造成發(fā)電機繞組引出線首匝絕緣損壞；一旦局部絕緣輕微損壞而引起的接地電容電流在接地繞組和接地點鐵芯中流過，哪怕該電容電流不大，但燃起的電弧在定子鐵芯中流動極易損壞定子鐵芯疊片的片間絕緣(僅是很薄的一層絕緣漆)，從而使電機的修復(fù)非常困難，將引起較長時間的停機，經(jīng)濟損失巨大。

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2016-07-06

TV7;TV734.3;TV737

B

1001-2184(2016)05-0088-03

楊中瑞(1972-)，男，四川樂至人，雙合教學(xué)科研電廠廠長，講師，學(xué)士，從事水電站技術(shù)管理、教學(xué)、設(shè)計與咨詢等工作；

劉昌軍(1977-)，男，四川宜賓人，助理工程師，學(xué)士，從事水電站運行技術(shù)與管理工作.