云南電網(wǎng)有限責任公司玉溪供電局 楊 杰 雷亞蘭 李建東 云南電網(wǎng)有限責任公司楚雄供電局 楊家凱

變電站的防雷系統(tǒng)對變電站的安全運行極為重要，為了提高電網(wǎng)運行水平，原縣級電力公司與各地州供電局合并，之前市電力公司、州電力公司運行維護的一些110kV變電站存在防雷設計不合理的情況，導致在雷電進行波侵入變電站時，造成主變母線橋絕緣擊穿，主變保護動作跳閘，引發(fā)6kV II段母線失壓，給客戶和企業(yè)帶來了數(shù)很大的經(jīng)濟損失，同時還危及主變壓器的安全運行。本文對一起變電站主變壓器雷電進行波過電壓跳閘事件進行了計算和分析，并找到了原因，改進了防雷措施，提高了主變運行的安全可靠性。

1 雷擊的危害

雷擊分為以下幾種類別：直擊雷、雷電波侵入、感應過電壓、系統(tǒng)內(nèi)部操作過電壓、地電位反擊。

直擊雷。雷電云層直接對大地的一點產(chǎn)生的放電現(xiàn)象叫做直擊雷。直擊雷破壞力很強，若未快速將此時雷電產(chǎn)生的巨大能量泄放入大地，就會導致回路內(nèi)及附近的建筑物、動植物等遭受嚴重的破壞或傷害，這種雷電還會引發(fā)火災、破壞建筑物、使電子電氣系統(tǒng)失效，危及人身安全。

雷電波侵入。雷電并未直接對設備或建筑放電，而是對其外部的線纜放電。雷電波或過電壓沿著線纜以光速傳播，侵入并破壞室內(nèi)的各種電力電子設備。因為在同種介質(zhì)中光速遠遠大于聲速，所以在聽到雷聲之前，雷電波就能破壞系統(tǒng)內(nèi)的電子設備、控制系統(tǒng)等。

感應過電壓。雷擊發(fā)生在云層之間，未發(fā)生在云層與設備之間，或者未擊中設備但在設備或線路附近放電。在電能釋放時，金屬管道、金屬支架、數(shù)據(jù)線及電源上由于電磁感應現(xiàn)象生成感應過電壓[1]。

當建筑物安裝避雷針以后，發(fā)生雷擊時，避雷針（避雷帶、避雷線、避雷網(wǎng)或避雷針）在建筑物頂部接閃，雷電的高電壓大電流向大地的釋放過程中，會在避雷針引下線的周圍形成較大的電磁場變化，這種變化能干擾電子設備，影響其正常使用，或?qū)⒃斐蓴?shù)據(jù)丟失，癱瘓設備或者產(chǎn)生誤動作。

系統(tǒng)內(nèi)部操作過電壓。當系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生改變時，例如發(fā)電廠或變電站操作斷路器、投切感性負荷及較大負荷、發(fā)生短路故障等，系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)變化使，電力系統(tǒng)內(nèi)部電磁能量轉化，產(chǎn)生操作過電壓。雖然操作過電壓幅值小，但是相較于雷電感應過電壓發(fā)生的概率要高很多。

暫態(tài)過電壓（或稱瞬時過電壓）包括以下兩種：感應過電壓和操作過電壓。這兩種過電壓都會產(chǎn)生電氣浪涌，對電力電子設備造成破壞或影響，縮短設備的使用壽命，損壞相關的數(shù)據(jù)庫使元件失控。

地電位反擊。當雷擊發(fā)生在裝設有避雷設備保護的建筑物上時，因?qū)〞r整個雷擊電路呈短路狀態(tài)，雷擊點接地網(wǎng)的地電位會在極短的時間內(nèi)提升至數(shù)萬或數(shù)十萬伏。強大的雷電流會順著裝置的接地部分延伸到電力系統(tǒng)及網(wǎng)絡信號系統(tǒng)中。甚至可以擊穿絕緣竄入其他供電回路或網(wǎng)絡系統(tǒng)中。這會造成系統(tǒng)內(nèi)的設備損壞。

2 避雷器的作用

避雷器通常并聯(lián)在被保護的設備上，避雷器的本體通過引下扁體硬連接，連接著大地。當設備上出現(xiàn)過電壓時，避雷器能夠正確動作，通過引下扁體泄放大電流，起到有效保護作用。在正常電壓下運行時，避雷器不會動作，避雷器與大地之間相當于開路。當被保護的設備電壓上升至危及設備絕緣時，避雷器才會動作，被擊穿或?qū)ǎ瑢⑦^電壓大電流向大地釋放，能有效限制電壓的幅值，起到良好的保護作用。當過電壓消失以后，避雷器能在短時間內(nèi)恢復原來的狀態(tài)，使被保護設備正常運行。

避雷器可以用來防止各種類型的過電壓，包括因雷電而產(chǎn)生的大氣過電壓及操作時產(chǎn)生的操作過電壓。避雷器能有效保護電力系統(tǒng)中與之相連的運行電氣設備不被雷電過電壓、工頻暫態(tài)過電壓及操作過電壓損壞。避雷器主要有氧化鋅避雷器、保護間隙及閥型避雷器等幾種類型。其中，氧化鋅避雷器和閥型避雷器多用于發(fā)電廠及變電站的設備保護，在500kV以下電力系統(tǒng)內(nèi)主要限制雷電產(chǎn)生的過電壓，在其他電力系統(tǒng)中還可以限制內(nèi)部產(chǎn)生過電壓。

3 避雷器的分類

避雷器種類繁多，主要有以下幾種：金屬氧化物避雷器（含線路型、無間隙線路型、全絕緣復合外套型）、可卸式避雷器。避雷器按照主要類型分為氧化鋅避雷器、管型避雷器及閥型避雷器等。雖然不同種類的避雷器工作原理不盡相同，但是本質(zhì)上都是可以保護電力系統(tǒng)內(nèi)的設備和線路不受過電壓的侵害。

管型避雷器。管型避雷器含有兩個串聯(lián)的間隙，外間隙暴露在大氣中，可以有效起到隔離工作電壓，避免由于工頻泄漏電流而損害內(nèi)間隙。內(nèi)間隙或者稱為滅弧間隙，安裝在氣管內(nèi)。管型避雷器的工頻電流大小與滅弧能力有關，屬于一種保護間隙型避雷器，常見安裝于電力系統(tǒng)的供電線路，能保護線路免受過電壓侵害。

閥型避雷器。閥型避雷器含有閥片電阻及火花間隙兩個部分，閥片電阻由特殊材料的碳化硅制作而成，可以利用碳化硅的性質(zhì)能有效保護設備，防止大氣過電壓和操作過電壓的危害。當產(chǎn)生過電壓時，過電壓擊穿火花間隙，閥片的電阻能瞬間下降，起到導通回路的作用，將雷電流泄放入大地，從而起到對電力系統(tǒng)的設備保護作用。在避雷器正確動作以后，閥片電阻又能恢復至原來的狀態(tài)。在正常運行狀態(tài)下，不會擊穿火花間隙，閥片電阻值也處于阻值較高的狀態(tài)，回路相當于開路，不影響設備或線路的正常運行。

氧化鋅避雷器。氧化鋅避雷器含有氧化鋅壓敏電阻。由于壓敏電阻的非線性伏安特性，制成時就決定了在正常運行的電壓下阻值很大，處于絕緣的狀態(tài)，在過電壓的狀態(tài)下，處于低阻值可被擊穿，電路呈短路的狀態(tài)[2]。在壓敏電阻動作后，可自行恢復至原來的絕緣狀態(tài)。壓敏電阻的狀態(tài)變更取決于當前電壓是否高于壓敏電壓。氧化鋅避雷器保護性能較好、性能穩(wěn)定、質(zhì)量較輕、安裝方便。

以上介紹的三種避雷器，每種避雷器的優(yōu)點缺點都不盡相同，不能一概而論。在設計和配置時，因根據(jù)現(xiàn)場的實際情況及環(huán)境狀態(tài)選取適合的種類，才能起到良好的防止過電壓的效果。

4 事件經(jīng)過

時間：2018年8月23日14時50分；天氣：陰雨。某供電局110kV某變電站附近發(fā)生雷暴現(xiàn)象，導致2號主變差動保護動作跳閘。2號主變高壓側112斷路器、低壓側632斷路器由于2號主變差動保護跳閘，保護動作行為正確。因為此前2號主變中壓側322斷路器已處熱備用狀態(tài)，所以2號主變中壓側322斷路器未動作，處于分閘位置。

圖1

事件發(fā)生后，現(xiàn)場運行人員根據(jù)對故障的判斷，立即開展故障隔離，將2號主變各側隔離開關拉開，做好安全措施后對2號主變各側保護范圍內(nèi)的所有一、二次設備立即進行檢查。經(jīng)過檢查，發(fā)現(xiàn)2號主變中壓側322斷路器靠2號主變側開關進線鋁排處B、C相有電弧性放電擊穿痕跡，經(jīng)過測量與圖紙比對，2號主變中壓側322斷路器靠2號主變側開關進線鋁排處B、C相相間距離為410mm，擊穿點在戶內(nèi)，電氣距離符合設計規(guī)程要求。

5 原因初步分析

根據(jù)當時天氣情況初步判斷，當時該變電站附近有雷暴現(xiàn)象，雷電行波經(jīng)過110kV母線避雷器動作后，殘壓再經(jīng)110kV母線到2號主變這段電氣距離后升高，然后經(jīng)過2號主變110kV側與35kV側的電磁耦合后，經(jīng)2號主變35kV側322斷路器的電氣距離使得電壓進一步上升，電壓達到臨界值以后，將322斷路器進線處鋁排絕緣擊穿放電。導致2號主變差動保護正確動作，使2號主變高壓側112斷路器、2號主變中壓側632斷路器跳閘，2號主變低壓側332斷路器因處于熱備用狀態(tài)而未動作。因中壓側612分段斷路器在分閘位置，此次事件造成該變電站6kV II段母線失壓，該變電站6kV II段母線所供負荷全部失去，其中含礦山井下負荷失電事件。

6 分析計算

一是110kV雷電進行波經(jīng)110kV母線避雷器動作后，殘壓在110kV避雷器到2號主變電氣距離上的升高。

測量110kV母線避雷器到2號主變距離為98.55 m，即電氣距離L-98.55（1+5%）m=104m，該距離已大于全線有避雷線單進戶線距離90m。

避雷器型為老式的FZ-110，其在5kA雷電流下的殘壓為：Uc=375kV。

查得雷電波陡度為：α/=0.75kV/m。

光速：V=3.0×108m/s。

根據(jù)公式，可計算出2號主變多次截波沖擊電壓為：

Us＞Uj=478（kV）即此時2號主變壓器的實際多次截波過電壓Us已大于允許值Uj，變壓器110kV側已有危險存在。

二是2號主變壓器110kV側經(jīng)電磁耦合到35kV側的沖擊電壓值磁分量：U2/由變壓器變比n1:n2決定：

2號主變由110kV經(jīng)靜電耦合到35kV側的沖擊電壓值得由下列公式?jīng)Q定：

其中，C12為高、中壓側繞組間的電容，C20為中壓側繞組對地電容，對于2號主變，經(jīng)過測量，C12=1610PF，C20=12200PF。

對于靜電分量和電磁分量兩者之間，由于沖擊電壓波入侵到變壓器繞組瞬間，電感中的電流不能突變，故在初始時刻繞組電壓傳遞是以靜電耦合形式進行的。

三是2號主變35kV側322斷路器進線側電壓的升高，由于322斷路器當時在斷開狀態(tài)（熱備用），故沖擊電壓波在322斷路器斷開處反射升高一倍：

為了說明322斷路器進線側B、C相被雷電沖擊波電壓擊穿，這個擊穿點電壓可以用U50%來驗證，U50%是指在沖擊電壓作用下放電的概率為50%，實際上它和絕緣的最低沖擊放電電壓已距離不遠，實際上用1.5/40us波形來模擬雷電沖擊電壓，經(jīng)過多次試驗，當時環(huán)境棒對棒時擊穿場強約為547kV/m。

已知：2號主變中壓側322斷路器靠2號主變側開關進線鋁排處B、C相相間距離為410mm，對于35kV，U50%=0.410×547=224（kV），而U/20= 321（kV）＞U50%，故被擊穿。

7 結論及控制措施

一是在考慮設備的過電壓保護時，不能僅僅以該設備這一側相連的母線是否裝設了避雷器作為安全的判斷標準，還因考慮每個避雷器與被保護設備之間的電氣距離是否處于保護范圍之內(nèi)。上述事件中，已知由于110kV避雷器到2號主變的距離為104m，已大于允許的最大電氣距離90m，故2號主變有可能被雷電壓擊穿高壓側，設計時需要在2號主變高壓側靠近變壓器處安裝一組避雷器，并將2號主變中壓側322斷路器靠2號主變側開關進線鋁排處A、B、C相相間距離調(diào)整到500mm。

二是在考慮過電壓保護范圍時，同時因考慮到事故情況下的停電范圍，避免造成大規(guī)模的停電事故。幾年前，某110kV變電站35kV側線雷擊，避雷不合格，造成某站40MVA主變35kV側絕緣擊穿而返廠修復，給客戶供電負荷在關鍵時間受到了嚴重影響，同時還給單位造成了嚴重的經(jīng)濟損失。

三是對一些新合并過來的變電站，應在各側進出線口、主變?nèi)齻榷技友bFZ型氧化鋅避雷器，完全達到變電站防雷反措的要求，變電站的過電壓防護才能萬無一失。