變電站雷害分析與防雷措施研究

謝海芬

摘 要：廣西屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，全境雷電活動頻繁，電網(wǎng)雷害問題一直較為嚴(yán)峻，因此有必要采取有效的措施來防止雷害事故的發(fā)生。本文針對防雷存在的漏洞進(jìn)行分析，提出一些卓有成效的整改措施，僅供參考！

關(guān)鍵詞：廣西；雷害；防雷

中圖分類號： U665.12文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：

0 前言

廣西屬典型的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，南部沿海，西北多山，全境雷電活動整體頻繁而強(qiáng)烈，同時又具有相對其他省份更為復(fù)雜的時空分布特性。例如，據(jù)廣西雷電定位系統(tǒng)監(jiān)測顯示，2012年8月8日8時～9日10時，廣西共發(fā)生閃電3413次。閃電區(qū)域主要集中在：百色、崇左、南寧、欽州、北海、防城港、玉林、貴港、來賓、梧州、桂林等地。根據(jù)統(tǒng)計，雷擊事故占廣西電網(wǎng)輸電事故的65％，有的年份甚至更高。廣西電網(wǎng)雷害問題一直較為嚴(yán)峻，輸電線路雷擊跳閘率居高不下，雷擊跳閘成為威脅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的最主要、最突出的矛盾。

廣西雷電探測分析系統(tǒng)自1999年投入運行至今，積累了海量的雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)。深入分析這些數(shù)據(jù)資料，對掌握廣西全境雷電活動規(guī)律、指導(dǎo)廣西電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計和設(shè)備的運行維護(hù)具有重大意義。

1.雷擊故障類型及判據(jù)

1.1雷擊故障類型

對于110 kV及以上電壓等級的輸電線路，直擊雷是線路的主要危害。直擊雷有反擊和繞擊兩種形式。雷擊造成輸電線路事故一般有3種情況：

接地電阻超標(biāo)，造成輸電線路耐雷水平降低，此時雷擊避雷線或塔頂，桿塔電位升高引起反擊使線路跳閘；

接地電阻合格，但是由于雷電流太大，超過了線路設(shè)計的耐雷水平，此時雷擊避雷線或塔頂，反擊使線路跳閘；

雷繞擊到線路，使線路跳閘。

運行經(jīng)驗證明，雷擊發(fā)生在避雷線的檔距中間，且與導(dǎo)線發(fā)生閃絡(luò)引起跳閘的情況是極罕見的，可不予考慮。

2.2雷擊故障類型判據(jù)

大量的計算和運行情況表明，對于110～220 kV線路，繞擊與反擊均是危險的。若同桿三相或同桿兩相同時發(fā)生雷擊閃絡(luò)，應(yīng)分析為是反擊閃絡(luò)，因為繞擊不可能造成多相同時閃絡(luò)。若相鄰桿塔非同一相同時雷擊閃絡(luò)，也應(yīng)認(rèn)為是反擊閃絡(luò)。

水平排列的導(dǎo)線，若中相發(fā)生雷擊閃絡(luò)，則一般認(rèn)為是反擊閃絡(luò)，因為雷電直接擊中導(dǎo)線的概率是很小的。反擊和繞擊的特點見表1。

表1反擊和繞擊的特點比較

比較項目 反擊 繞擊

雷電流

接地電阻

閃絡(luò)基數(shù)與相數(shù)

地形特點

接地線夾 大

一般100 kA以上

大一基多相或多基多相

地形因素影響不大

有燒傷痕跡 小

一般20～30 kA

與接地電阻關(guān)系不大

基單相或相鄰二基相同

山坡及山頂容易發(fā)生不一定有痕跡

2.防雷措施漏洞分析

（1）變壓器高壓側(cè)安裝的避雷器位置較遠(yuǎn)，且接地引下線較長，沒有嚴(yán)格實施“三點共地”的接地方式。當(dāng)從線路侵入的雷電過電壓到達(dá)變壓器高壓側(cè)，即使避雷器動作，作用到變壓器上的過電壓仍可能高于變壓器沖擊電壓耐壓值，使變壓器發(fā)生擊穿事故。

（2）變壓器低壓側(cè)未裝避雷器進(jìn)行保護(hù)，不能有效防范“逆變換過電壓”。當(dāng)雷電波從10 kv 線路侵入，引起避雷器動作產(chǎn)生壓降。該壓降作用在低壓繞組的中性點上，使中性點電位升高，低壓線路相當(dāng)于波阻抗接地。此時在中性點電位作用下，低壓繞組流過較大的沖擊電流，三相繞組中流過的沖擊電流方向相同、大小相等，它們產(chǎn)生的磁通在高壓繞組中按變壓器匝數(shù)比感應(yīng)出數(shù)值極高的脈沖電勢，三相脈沖電勢方向相同、大小相等。由于高壓繞組接成星形，且中性點不接地，因此在高壓繞組中，雖有脈沖電勢，但無沖擊電流。沖擊電流只在低壓組中流通，高壓繞組中沒有對應(yīng)的沖擊電流來平衡。因此，低壓繞組中的沖擊電流全部成為激磁電流，產(chǎn)生很大的零序磁通，使高壓側(cè)感應(yīng)很高的電勢。由于高壓繞組出線端電位受避雷器殘壓固定，這個感應(yīng)電勢就沿著繞組分布，在中性點幅值最大。因此，中性點絕緣容易擊穿。還有當(dāng)線路兩相或三相來波時也會在變壓器的中性點產(chǎn)生較高的過電壓，這就是造成該站變壓器中性點擊穿的主要原因。

（3）接地電阻過高且未采取措施改善沖擊電位分布，雷電流不能順暢的通過接地裝置散流，嚴(yán)重影響了防雷設(shè)備的動作，或動作后殘壓高于被保護(hù)設(shè)備耐受值。

（4）弱電系統(tǒng)的防雷保護(hù)配置不達(dá)標(biāo)。主要是防雷保護(hù)器件的選型與被保護(hù)設(shè)備的絕緣配合、保護(hù)范圍設(shè)置上的不規(guī)范；以及等電位聯(lián)接不規(guī)范。這是雷達(dá)站電氣設(shè)備發(fā)生過電壓擊穿事故的主要原因。

3 整改措施及效果

2009 年8 月我們對防雷保護(hù)進(jìn)行全面整改，包括升級配電變壓器及其防雷保護(hù)措施；加強(qiáng)10kv 專用線路絕緣水平；完善接地系統(tǒng)和弱電系統(tǒng)的逐級防雷與屏蔽設(shè)施。聯(lián)合統(tǒng)計附近氣象觀測預(yù)報室雷暴日記錄和站點值班日志，通過三年多的運行考驗，專線減少再因雷擊跳閘或變壓器受損，輸變電設(shè)施耐雷水平得到有效提高。

首先，重點針對接地系統(tǒng)進(jìn)行了兩方面的改造：

（1）進(jìn)行了以降低沖擊接地電阻改善沖擊電位分布為主的改造。有的站點所處位置基本無土，或僅5 cm 表層土，土壤電阻率高達(dá)5 000Ω/m。以此條件在半徑100 m 范圍，降低工頻接地電阻至4Ω是不現(xiàn)實的。因此，我們重點降低沖擊接地電阻，改善沖擊電位分布。我們在站周邊100 m 范圍內(nèi)布置了3 處放射型水平接地裝置，每隔5 m 布置水平均壓接地帶，水平地網(wǎng)沿地形溝壑埋深盡量0.6m 以上，并采用GPF-94高效膨潤土降阻防腐劑進(jìn)行降阻防腐。該降阻劑具有低電阻率（ρ≤0.35Ω.m）、高防腐性（對鋼接地體的腐蝕率小于0.00049 mm/a）、較強(qiáng)的吸水保水性特性，可以加強(qiáng)接地體與大地的可靠接觸，降低接地電阻，改善雷電流的沖擊電位分布，對降低站的工頻和沖擊接地電阻能起到了很好的作用。

（2）在站下方100 m 處的架空線與電纜的接頭處又設(shè)置了另一片接地網(wǎng)，該接地網(wǎng)主要是考慮該處有一組避雷器的接地，還由于該處的土壤電阻率相對較低，使用GPF-94 高效膨潤土降阻防腐劑后與山頂雷達(dá)站的接地并聯(lián)在一起使整個地網(wǎng)的接地電阻降到了4Ω以下，對整體接地裝置起到了有效的降阻作用，同時也滿足了10 kv 配電裝置對工頻接地電阻的作用。

其次，結(jié)合本臺站特點，與變壓器廠家聯(lián)合研制耐雷水平較高的“防雷特種變壓器”。通過對繞組聯(lián)接及絕緣結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，不但將其耐雷水平比普通的變壓器提高30%，還可讓雷電過電壓通過電磁感應(yīng)和電容傳遞得到大幅度的哀減，有效防止由線路侵入的雷電過電壓對副邊設(shè)備造成危害（圖1）。

圖1 特種變壓器及高壓側(cè)避雷保護(hù)

這種變壓器高壓側(cè)有中性點引出端，A、B、C三相和中性點引出端就近安裝高壓避雷器，并在低壓側(cè)也安裝了相應(yīng)的避雷器進(jìn)行保護(hù)。這祥在避雷器動作壓變壓器只承受避雷器動作后的殘壓，而不承受引線和接地電阻上的壓降；避雷器緊靠變壓器安裝，避免沖擊電位升高，對防止“逆變換過電壓”和“正變換過電壓”具有很好的防雷效果。

第三，把原來絕緣水平較低的P10 和P15 絕緣子統(tǒng)一換成絕緣水平相對較高的P20 型絕緣子，提高線路的整體絕緣水平，降低雷擊閃絡(luò)概率。為了防止由此造成的沿線路侵入雷達(dá)站的雷電過電壓過高，我們采用在絕緣子兩端并聯(lián)可調(diào)式球間隙和進(jìn)線段保護(hù)對其進(jìn)行限制。間隙的雷電沖擊放電電壓略低于絕緣子的擊穿電壓，在保護(hù)線路絕緣子的同時，還可限制由線路侵入的雷電過電壓幅值和陡度，防止其危及雷達(dá)站內(nèi)電氣設(shè)備。

第四，完善弱電系統(tǒng)防雷保護(hù)配置和等電位聯(lián)接。根據(jù)弱電系統(tǒng)各級防雷器件的動作殘壓和響應(yīng)速度，結(jié)合被保護(hù)設(shè)備耐壓水平，逐級布置防雷器。為易損信號端口定制特型SPD，并將其線路穿紫銅管單獨屏蔽。同時完善機(jī)房內(nèi)M 型等電位聯(lián)接，杜絕漏接現(xiàn)象；縮短避雷器接地線長度；防止在雷電活動時由“地電位差”造成的危害。

4 結(jié)束語

通過對雷電的觀察，主要是雷擊地點較為集中時，雷擊傷害程度大、時間長、雨量大，由于對線路做了大量的防洪、防雷的前期準(zhǔn)備工作，特別是在專用架空線防雷、雷電侵入波防護(hù)、變壓器防雷保護(hù)和接地裝置上存在問題所至。特種“防雷變壓器”針對性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，顯示出較強(qiáng)的防雷適應(yīng)性。在絕緣子兩端并聯(lián)可調(diào)式球間隙，是對線路氧化鋅防雷器有益補充。防雷是一項長期的工作，需遵循“因地制宜、綜合整治”的基本方針。同時線路防雷工作應(yīng)綜合使用經(jīng)驗成熟的技術(shù)，并適當(dāng)考慮應(yīng)用新技術(shù)和新設(shè)備。

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