一起雷擊事故引發(fā)的敞開式變電站防雷治理方案

胡細兵

(國網(wǎng)安慶供電公司， 安徽　安慶　246000)

1　引言

變電站是電能傳輸?shù)暮诵牟课唬坏┳冸娬驹O備受到雷擊損壞將帶來停電事故，造成經(jīng)濟損失，因此必須采取可靠的防雷措施。以往的運行經(jīng)驗表明，我國各電壓等級均進行防雷設計，安裝了避雷針和避雷器[1]，但是避雷針和避雷器一定程度上都依靠變電站接地網(wǎng)的可靠性，一旦接地網(wǎng)在運行過程中出現(xiàn)了腐蝕或者周邊環(huán)境改變造成接地電阻增大，將會誘發(fā)雷擊事故。本文通過一起變電站雷擊事故進行本質(zhì)原因分析，后續(xù)進行了綜合治理探索，取得了良好效果。

2　一起雷擊事故概述

2016年6月1日3時38分5秒，110kV某變電站#1主變中后備保護復流一段動作出口，跳開# 1主變301開關。#1主變中壓側(cè)301開關流變變比為800/5，中后備保護復流一段定值：1600A/0.9s；三相電流分別為Ia=17.37A，Ib=17.12A，Ic=17.50A。折合一次電流分別為：2779A、2739A、2800A。故障電流均大于定值：1600A/0.9s，保護動作正確，如圖1所示。

故障跳閘后，變電值班人員現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)該變電站35kV Ⅰ母壓變?nèi)啾芾灼骱透邏喝劢z爆裂，熔絲支柱瓷瓶破裂，A、C相避雷器至高壓熔絲連線脫落，如圖2、圖3所示。

圖1　#1主變中后備保護動作報告

圖2　雷擊設備故障照片　　　　圖3　雷擊設備損壞照片

綜合現(xiàn)場情況和主變保護、故障錄波器的故障報告進行分析，故障過程如下：2016年6月1日3時38分03秒013，該變電站所在地區(qū)發(fā)生雷雨天氣，5kV系統(tǒng)Ⅰ段母線區(qū)域受到雷擊(Ⅰ段母線及設備安裝在室外)，保護過程如下：

90ms后發(fā)生35kV Ⅰ母壓變A相壓變?nèi)劢z熔斷，A相壓變失壓。

995ms時發(fā)生A、B相短路故障，#1主變中壓側(cè)故障電流約為2580A，大于主變中后備保護復流一段定值，主變中后備保護啟動。

990ms時轉(zhuǎn)換為三相短路故障。#1主變中壓側(cè)故障電流約為2740A～2800A。

1940ms時，#1主變中后備保護復流一段動作出口(故障持續(xù)940ms左右，定值為900ms)，跳開# 1主變301開關，切除故障。

3　雷擊設備損壞原因分析

3.1　雷擊原因理論分析

雷擊引起主設備損壞的主要原因為變電站雷電過電壓保護措施不完善，最直接的因素為變電站接地網(wǎng)不合格，接地電阻超標。

接地電阻是接地體電壓與通過接地體流入地中電流的比值。它包括接地體金屬本身的電阻(所占的比例很小)、接地體與周圍土壤間的接觸電阻(其值與施工方法關系很大)和接地電流向大地散流的電阻。因為接地電阻實際是沖擊電壓作用下沖擊電流表現(xiàn)出由波過程到電感泄流過程[2]。沖擊電流是高頻電流，因此受到接地體的電感和電容影響，而且由于高頻電流的集膚效應，同時土壤的電阻率和介電系數(shù)也不能視為常數(shù)。所以在沖擊電流作用下，接地網(wǎng)的有效利用面積就大為減小，超過這一范圍的接地網(wǎng)則不能起到散流作用，所以，沖擊電流流過接地裝置呈現(xiàn)出的接地電阻，會比工頻的大得多，應該引起足夠的重視并采取相應的措施。

3.2　該變電站接地電阻實測分析

2016年6月5日，對該變電站進行了接地電阻實測(天氣：晴；環(huán)境溫度：32℃；濕度：60%)，變電站設備平面分布圖如圖4所示。

(1)測試數(shù)據(jù)見表1。

圖4變電站設備平面分布圖
表1接地電阻測試數(shù)據(jù)

I主變:2.184ΩII主變:2.267Ω402間隔:2.190Ω302間隔:2.192Ω10kV電容器:2.191Ω控制室:2.081Ω

(2)試驗儀表：濟南泛華AI- 6301型自動抗干擾地網(wǎng)電阻測量儀。

(3)試驗方法：電流電壓表法(三級法采用0.618法則)。

(4)試驗結(jié)論：按規(guī)程規(guī)定主網(wǎng)接地電阻值為0.5Ω，本次測試顯示，該變電站主網(wǎng)接地電阻嚴重超標。

3.3　該變電站接地電阻理論技術分析

圖5　等效的接地網(wǎng)結(jié)構圖

該變電站位于大別山區(qū)，坐落在一山坳處，三面為低矮山丘，站南側(cè)為進出口，緩坡而下。變電站內(nèi)面積約85米×75米，站外三面所環(huán)山丘較變電站地面高度約10米至20米左右；站南、北、西向皆有進出線路，線路塔桿離站10米至30米不等。站北、西兩側(cè)進出線塔桿坐落在環(huán)山之上，塔桿頂部遠高于變電站。變電站四角各有一座獨立避雷針，高度約30余米。等效的接地網(wǎng)結(jié)構如圖5所示。

根據(jù)計算，接地網(wǎng)面積4萬平方米以上(半徑115米左右的圓)，接地電阻才可約為2.2Ω，而若要接地電阻降至0.5Ω，則接地網(wǎng)面積需達到80萬平方米(半徑500米左右的圓)，當?shù)丨h(huán)境和周邊居民狀況顯然無法滿足這樣的要求。經(jīng)了解和觀察，該變電站接地網(wǎng)曾經(jīng)進行過改造，將主接地網(wǎng)由站東西兩側(cè)，分引出兩支向緩坡下伸長的接地體，分別至離站120米遠的一個水塘和一片水田(水塘邊可見扁鋼)，而且站內(nèi)還曾使用過降阻劑等輔助措施，故而接地網(wǎng)電阻達到2.2Ω。

對站門邊的一支獨立避雷針進行接地電阻測量時，發(fā)現(xiàn)該避雷針接地電阻達數(shù)百歐姆，這樣的接地電阻雷擊電流將無法有效釋放，使得該避雷針成了“引雷針”，而該避雷針離居民房屋不過七八米，且就在居民房屋的門口和行路上，這與規(guī)程要求嚴重不符，給安全帶來較大隱患。

4　變電站防雷綜合整治方案及實施

該變電站內(nèi)已布滿接地網(wǎng)，且基本完整，如僅在站內(nèi)施工改造，即便采用較先進的技術與材料，也只會有部分效果；而站外周圍居民較多，最近的住房離站約10米，三面環(huán)山，山側(cè)亦有住家及建筑，四周可用于接地改造的區(qū)域較少，唯一就是南側(cè)站門的道路兩邊，尚有部分空曠地帶或可利用。據(jù)此，進行了深度改造方案分析。

4.1　總體原則

按照電力規(guī)程要求，110kV變電站的主地網(wǎng)接地電阻應小于0.5Ω，獨立避雷針的接地電阻小于10Ω；但在高土壤電阻率地區(qū)，在采取措施保證接觸電勢、跨步電勢滿足人身安全的情況下，變電站接地電阻允許達到5Ω。結(jié)合現(xiàn)場實際，提出改造方案：將主接地網(wǎng)電阻降到1Ω，將獨立避雷針接地電阻降到10Ω，檢查測量站內(nèi)各引下線導通情況并對不良處予以處理修復。

4.2　主地網(wǎng)布置

(1)在變電站內(nèi)部地面外環(huán)，開挖水平溝槽和垂直接地極井，溝槽敷設新水平接地體和填用降阻劑；垂直電極井為6組，其內(nèi)安裝電解離子接地極6套。

(2)在變電站內(nèi)開挖縱橫水平溝槽，端部與外環(huán)閉合，溝內(nèi)敷設水平接地體，安裝石墨接地板6套；開挖垂直接地極井4組，安裝電解離子接地極4套。

(3)沿以前改造時在站東西兩側(cè)外引的伸長接地體方向敷設新接地體，接地體應深埋1米以下；新老地線做四點以上的連接，敷放長度各約200米至300米；合適部位安裝石墨接地板約4套，鍍鋅角鋼接地極8套。

(4)在西側(cè)外引線的合適部位，鉆挖接地深井2孔，深度約20米至30米，放置加強接地極和填灌降阻劑。

(5)在東側(cè)外引線的終端水塘處，敷設水下網(wǎng)狀接地體，面積約300平方米；若此塘可征用，則可將水抽光后，制作裝設雙層接地網(wǎng)后，外運較好土質(zhì)予以回填。

(6)在兩外引線的尾部，橫斷開挖道路并將兩線連接連通在一起。穿過道路的溝深1.2米，并恢復水泥混凝土路面。為防止跨步電壓及接觸電勢危害，在接地極井口以及部分人員活動處，加裝均壓帶和敷設水泥混凝土地面。

(7)本部位施工，采用電極離子接地極10套，鍍鋅扁(圓)鋼約1200米，加強接地極2套，石墨接地板10套，鍍鋅角鋼接地極6套至8套。使用降阻劑25噸，更換土質(zhì)約180立方米(不含水塘回填)，使用水泥等14立方米。

改造示意圖如圖6所示。

圖6　接地改造施工示意圖

4.3　避雷針接地

(1)因獨立避雷針分布在變電站圍墻外部，且周圍為民居或山坡樹叢，測量與施工都有一定難度，所以尚需到現(xiàn)場詳細查看和測量后方能制訂具體方案。

(2)避雷針接地總的原則是電阻小于10Ω，離人行通道3米以上，或采取均壓及輻射碎石瀝青路面(厚5cm～8cm)等措施。

(3)當單個避雷針周圍無足夠地網(wǎng)施工的地面時，在采取加裝離子接地極或石墨接地板的同時，考慮將獨立避雷針的接地網(wǎng)兩兩連接甚至四支連接(因與主地網(wǎng)可能的交叉，不考慮環(huán)接)，以有效降阻和滿足各避雷針要求。

(4)本部位施工，采用電極離子接地極和石墨接地板各4套，鍍鋅角鋼接地極4套至8套，鍍鋅扁(圓)鋼約250米至300米，使用降阻劑5噸，更換土質(zhì)約40立方米，使用水泥混凝土等8立方米。

4.4　站內(nèi)引下線的檢修

(1)檢查、測量站內(nèi)各桿塔、構架的接地引下線，確認完好無斷裂，導通試驗合格。

(2)對缺損、斷裂和線徑不足的引下線進行加裝更換和焊接修補，并涂刷防銹漆。

(3)本項施工估計鍍鋅扁鋼用料90米。

圖7　接地網(wǎng)引出隱蔽工程

4.5　現(xiàn)場實施

2016年8月份，組織對該變電站接地網(wǎng)按照上述方案進行了整改，整改后接地電阻達到預期目標，接地電阻為0.9Ω。隱蔽工程如圖7所示。

該工程實施后，該變電站沒有再次發(fā)生雷擊設備損壞事件，站內(nèi)設備在雷雨季節(jié)運行良好。

5　結(jié)論

通過接地網(wǎng)改造降低敞開式變電站接地電阻是變電站防雷改造的最重要手段，也是最有效手段。但是雷電防護是個系統(tǒng)工程，除降低主網(wǎng)接地電阻外，還需要對以下方面進行審查檢驗：

(1)獨立避雷針的保護范圍足夠，避雷針接地網(wǎng)與主地網(wǎng)間距離是否符合規(guī)定。

(2)進出線路的避雷線是否完備，保護角等設計是否合理，如裝有線路避雷器，該裝置是否完好。

(3)進出線路桿塔的接地裝置是否完好，電阻是否合格。

(4)避雷器的選型和配置是否符合被保護設備需求，是否定期檢測，接地裝置是否正確及完好。

(5)電纜進出線與架空線的連接處有無避雷器，電纜金屬外皮是否可靠接地或經(jīng)接地刀閘接地。

(6)防感應雷過電壓和侵入波過電壓的傳遞，以及危險電位內(nèi)引外送的二級防護區(qū)是否采取可靠措施，包括：進出變電站管線、橋架、二次電纜、端子箱、所用電系統(tǒng)等。

參考文獻：

[1] 張翠霞,李汝彪,葛棟,等.浙江省110和220kV敞開式變電站雷害事故分析[J].電網(wǎng)技術,2011,35(2)：159-162.

[2] 中華人民共和國電力工業(yè)部.DL/T 621-1997.交流電氣裝置的接地[S].北京：中國電力出版社，1997.