一起雷击引起的变电站开关柜短路故障分析及处理

蔡智慧，阴 玺，李静波，周 剑，陆宇航

(1.国网北京市电力公司 门头沟供电公司，北京 102300;2.国网北京市电力公司 检修公司，北京 100067;3.国网北京市电力公司 电力科学研究院，北京 100075)

北京西部电网地处山区，年平均雷暴日约为47天，山区各变电站每年长时间在强大的雷电考验中运行.而给变电站供电的35 kV输电线路则大部分跨越丘陵地带，遭到雷击的机会较多.因此，35 kV输电线路落雷造成的雷害事故较多，对变电站的影响较为严重.本文结合近期发生的一起雷击线路引起的变电站开关柜短路故障并参照以往研究[1-8]对其进行分析，提出了相应的解决方案.

1 故障概述

某35 kV变电站35 kV为内桥接线，10 kV为单母分段接线，正常运行方式为两台主变压器分列运行，母联345和245开关在分位，自投运行.故障现象为2#主变压器差动保护动作，35 kV 32开关、主变压器202开关掉闸，245开关自投成功，未损失负荷.

故障发生后，对变电站现场进行了如下检查.

(1)避雷器动作情况 站内35 kV 58避雷器放电计数器A相、B相、C相各动作1次.

(2)变电站接地网地阻测试结果为1.135 Ω，符合建站设计要求(要求小于4 Ω).

(3)站院内装有两支避雷针，分别安装在院内东南角和东北角，避雷针高37 m，经过现场校核，防雷保护设计符合要求.

(4)经运行人员反映及雷电定位系统统计，故障发生时该地区正在下雷阵雨，雷电活动强烈.

(5)事故后运行人员将35 kV 32小车、302-5小车、345小车、345-5小车，以及10 kV 202开关拉到检修位置，对2#主变压器本体及附属设施外观进行检查，未见异常;对4个35 kV开关柜小车进行外观检查，发现触头等部件均无问题.试验人员对2#主变压器进行常规检查性试验，数据与历史数据比对无明显变化，未发现问题;对2#主变压器采油样进行色谱分析，各项指标正常，未发现问题;对35 kV封闭母线筒进行了耐压试验，并打开母线筒进行检查，也未发现问题.

(6)本次故障过程中，35 kV变电站2#主变压器差动速断动作0 s跳开32开关和202开关，快速切除故障.故障时的电流波形如图1所示.

图1 某变电站32开关短路电流波形

(7)经故障电流分析和现场检查，初步判定故障点位于32CT和302-5CT之间，于是对302-5打开后柜门进行绝缘检查，发现A相和B相引线排间有放电痕迹，绝缘挡板有黄黑色痕迹，支柱绝缘子(用于带电显示器传感器)有黑色烧痕.

2 事故原因分析

根据当时的气象条件及故障后避雷器的动作情况，初步分析为35 kV输电线路遭到雷击造成雷电波入侵变电站，导致302-5开关柜内A相和B相引线排发生相间短路，造成2#主变压器差动保护动作.这与线路工作人员在事故后巡线发现35 kV输电线路的故障点相吻合.故障时的系统简图如图2所示.

图2 故障时的系统示意

分析输电线路现场实际故障状况发现，该35 kV线路雷击处属于平地与山地交接处，落差大，高地山区杆塔更容易引雷，因雷电现象十分复杂，直击雷、绕击雷都会造成绝缘子的闪络，引起线路跳闸.

雷击杆塔的耐雷水平为:[9]

式中:U50%——线路绝缘子串的50%冲击闪络电压;

k——导地线间的耦合系数;

β——分流系数;

Rch——杆塔冲击接地电阻;

Lgt——杆塔电感;

hd——杆塔高度.

绕击时的耐雷水平为:

式中:U50%——线路绝缘子串的50%冲击放电电压;

Z——雷击导线处的波阻抗.

因此，若要提高线路的耐雷水平，应采取的主要手段为降低杆塔接地电阻、提高耦合系数，以及安装线路专用避雷器.

该35 kV线路经过改造，在故障前已安装专用避雷器.从事后对线路的接地电阻测试情况来看，线路53#杆和100#杆之间有7级杆塔接地电阻偏大，故降低线路接地电阻成为提高该线路耐雷水平的关键.

该35 kV变电站302-5隔离开关和开关柜均为同一公司生产，额定电流均为1 250 A，投运日期为2007年11月.该开关柜属于紧凑型，柜内采用绝缘板以增强绝缘效果.为验证该绝缘板的绝缘效果，联系专业公司进行试验.在试验过程中发现一个现象，即潮湿绝缘板的绝缘强度迅速降低，放电次数明显增加.在绝缘板上用喷壶喷洒水雾，模拟潮湿条件下的复合绝缘试验，发现在180 kV雷电电压的潮湿环境下，不但380 mm的绝缘板发生沿面放电，而且空气间隙需要达到260 mm以上才能确保不被击穿，这已经超过目前厂家35 kV紧凑型开关柜的设计标准:在122 kV雷电电压下，空气间隙为120 mm及以上才能保证不被击穿.以上试验结果表明，潮湿因素影响了绝缘板的绝缘性能.

查阅绝缘板材料的相关文献可知，不饱和聚酯材料是高分子材料，其内部含有许多稳定分布的微孔，这为水分子在其内部扩散提供了对流作用，在湿热环境下，其吸收水分速度会进一步加快，绝缘性能大幅下降.因此，绝缘板材料憎水性能相对不佳是发生柜内短路故障的主要原因之一.

另外，柜内放电发生部位无绝缘热缩套或绝缘盒，也是导致柜内引线排绝缘性能下降的原因之一.

3 技术处理

针对事故发生的原因，采取如下技术措施.

(1)对该线路53#杆和100#杆之间的7级接地电阻偏大的杆塔进行降阻改造.

(2)更换该变电站内AB两相引线排间的绝缘挡板及支柱绝缘子(含带电显示器传感器);绝缘挡板采用憎水性能更佳的SMC材料.

(3)对该变电站内302-5后柜门内AB两相引线排发生放电的位置进行打磨，力求平滑无毛刺，并对A，B，C三相引线排裸露处进行绝缘化处理.处理完成后，对处理部位进行耐压试验，未出现异常.

(4)运行过程中加强对线路及站内设备的巡视，并进行状态检测，发现异常后及时进行处理.

技术处理后至今已一年有余，未再次发生因雷击线路导致变电站开关柜绝缘被击穿产生的开关柜短路故障现象.

4 结语

输变电设备是电力系统的重要组成部分之一，其运行状态对电力系统的可靠性有着重大影响.通过对该起雷击线路引起的变电站开关柜短路故障现象进行分析，提出了相关的技术措施，对预防类似事故起到了积极作用.另外，还需认真检查设备的运行情况，同时利用春、秋检对设备进行检修和试验，以消除隐患.

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