針對近區多次雷擊故障的變電站防雷措施改進建議

薛華偉

摘要：本文針對一起220kV線路多次雷擊導致設備損壞的事故進行理論計算及深入分析，得出提升變電站線路間隔防雷水平的建議。

1、事故概況

2019年夏，廣東沿海220kV某變電站220kV某線路C相發生連續兩次故障跳閘，故障測距1.1kM，220kV母聯及220kV 2M母線上所有運行設備開關跳閘。事故發生時為雷暴天氣。

現場檢查及后續設備解體檢查發現，線路間隔C相電流互感器CT頭部存在多處放電路徑，斷路器在分閘情況下發生擊穿。

2、變電站防雷設計及現狀

根據設計方案，故障線路出線避雷器布置在變電站外終端塔上，選用的避雷器為線路絕緣子防雷用的帶串聯間隙金屬氧化物避雷器，不是電站型避雷器。該型避雷器的正極性50%雷電沖擊放電電壓為862.6kV（峰值），負極性50%雷電沖擊放電電壓為1004kV。當雷擊過電壓低于該沖擊放電電壓時，避雷器不動作，雷擊過電壓侵入變電站內，可能造成站內設備損壞。

設計單位按照DL/T620-1997進行變電站防雷保護設計，220kV、110kV、10kV母線上均安裝氧化鋅避雷器，主變三側均裝設氧化鋅避雷器，220kV設備雷電沖擊保護水平配合系數為1.92。220kV IM、2M及#1、#2變高避雷器選用YH10W-200/496W。變電站內建筑物及電氣設備均在避雷針保護范圍內。

設計單位按照GB/T 50064-2014 第5.4.13款第6點要求對出線避雷器位置進行校核設計，出線避雷器與故障CT的電氣距離為69米，距離故障開關的電氣距離為79米。

3、雷擊故障計算及原因分析

3.1 避雷器動作情況分析

故障線路出線避雷器未動作，該避雷器型號為YH10CX-204/592，為帶串聯間隙金屬氧化物避雷器，該型避雷器的正極性50%雷電沖擊放電電壓為862.6kV（峰值），負極性50%雷電沖擊放電電壓為1004kV。由于避雷器及計數器現場試驗合格，產品處于正常狀態，因此，兩次故障時避雷器不動作的原因為，出線避雷器位置的雷擊過電壓小于該避雷器的50%雷電沖擊放電電壓，串聯間隙無法擊穿，避雷器上流過的電流較小。

故障其它相關避雷器均動作，且均為C相避雷器。因此，懷疑為雷擊故障線路，并沿線路入侵變電站導致。

3.2 雷擊故障發展過程分析

故障當天雷暴天氣，根據氣象局提供的信息，故障線路附近有5個落雷，雷電流為12-24kA。

第一次接地故障時，雷擊造成75#塔線路C相絕緣子閃絡放電的同時，雷電波向變電站方向傳播，此時開關處于合位，雷擊過電壓可沿線路入侵站內，引起I母221PT、 II母222PT、#1主變變高C相避雷器動作，殘壓鉗制在532kV，有效地保護了站內設備。

第二次接地故障時，雷電波沿著故障線路向變電站方向傳播，但由于此時C相開關處于分閘狀態，雷電波在開關端口位置發生波反射，且由于避雷器距離開關斷口較遠（79m），開關斷口處的電壓將大幅提高，經理論計算，實際開關斷口和CT端部的雷電過電壓均將明顯超過其絕緣的雷電沖擊耐受電壓，最終導致開關斷口擊穿、CT一二次繞組間放電。

3.3 理論計算

對C相第二次接地故障時，雷擊過電壓導致開關、CT故障的情況進行計算。

取雷電波為一斜角波u（t）=at，其中a為陡度。當雷電波入侵時，由于雷電波的反射，開關斷口處的電壓將高于避雷器端部電壓Ub，根據波過程分析，開關斷口靠線路側和CT端部電壓為

UD = Ub + 2a l/v? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

其中，l為與避雷器的距離，v為光速。可見設備上所受沖擊電壓的最大值必然高于避雷器的端部電壓，其差值為

ΔU = 2a l/v? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

以上分析是從最簡單、最嚴重的情況出發的。實際上，由于變電站接線比較復雜，出線可能不止一路，設備本身又存在對地電容，這些都將對變電站的波過程產生影響。一般可將式（2）修改為ΔU = 2a （l/v） k ，其中k 為考慮設備電容而引入的修正系數。

根據現場避雷器沒有動作記錄的事實，為偏嚴考慮，對于多次重復雷擊，取雷電波傳到避雷器端部的電壓為正極性862kV，即處于避雷器50%沖擊放電的臨界值。由于無法獲知雷電波形的上升沿，按照以下兩種情況考慮：

1）考慮2.6μs/50μs的較陡的雷電波形，上升沿2.6μs，得到陡度（電壓變化率）a = 1430 ×106 kV/s，斷路器斷口處最大的ΔU = 2a l/v = 753 kV，CT端部ΔU為658 kV，實際斷路器斷口處最大電壓可達1615 kV，CT端部電壓可達1520 kV。

2）考慮8μs/20μs的波形（避雷器電阻片雷電沖擊試驗波形），上升沿8μs，得到a = 465 ×106 kV/s，斷路器斷口處最大的ΔU = 2a l/v = 465 kV，CT端部ΔU為406 kV，實際斷路器斷口處最大電壓可達1327 kV，CT端部電壓可達1268 kV。

綜合上述，兩種雷電波陡度下的斷路器斷口和CT端部的雷電過電壓均明顯超過其絕緣的雷電沖擊耐受電壓（斷路器斷口為1050+206 kV，CT主絕緣為1050kV）。

3.4 故障原因分析

綜合上述，分析認為線路間隔設備故障原因為：

第一次跳閘，雷擊導致在75#塔線路絕緣子閃絡放電，引發單相接地故障。

第二次跳閘，同時引起開關及CT故障，分析認為：

因此，雷擊過電壓是開關斷口擊穿及CT內部放電故障的根本原因。

4、發現的問題及防雷措施改進建議

問題1：故障線路出線避雷器選型為線路絕緣子防雷用的帶串聯間隙金屬氧化物避雷器，其50%雷電沖擊放電電壓較高（正極性50%雷電沖擊放電電壓為862.6kV（峰值），負極性50%雷電沖擊放電電壓為1004kV），當雷擊過電壓低于該沖擊放電電壓時，避雷器不動作，雷擊過電壓易侵入變電站內，無法有效保護站內開關和CT。

問題2：出線避雷器安裝位置距離斷路器斷口和CT較遠（分別為79m和69m），使得被保護設備承受的雷電過電壓較避雷器的端部電壓高得多，斷路器的斷口運行工況苛刻，易造成重復雷擊下的斷口滅弧室難以正確滅弧。

改進建議1：將變電站出線避雷器移至站內，站內避雷器采用型號為Y（H）10W-204/532的產品。

改建建議2：對新建敞開式變電站，要求在110-500kV站內斷路器線路側附近安裝氧化鋅避雷器。