一起雷击事故引发的敞开式变电站防雷治理方案

胡细兵

(国网安庆供电公司， 安徽　安庆　246000)

1　引言

变电站是电能传输的核心部位，一旦变电站设备受到雷击损坏将带来停电事故，造成经济损失，因此必须采取可靠的防雷措施。以往的运行经验表明，我国各电压等级均进行防雷设计，安装了避雷针和避雷器[1]，但是避雷针和避雷器一定程度上都依靠变电站接地网的可靠性，一旦接地网在运行过程中出现了腐蚀或者周边环境改变造成接地电阻增大，将会诱发雷击事故。本文通过一起变电站雷击事故进行本质原因分析，后续进行了综合治理探索，取得了良好效果。

2　一起雷击事故概述

2016年6月1日3时38分5秒，110kV某变电站#1主变中后备保护复流一段动作出口，跳开# 1主变301开关。#1主变中压侧301开关流变变比为800/5，中后备保护复流一段定值：1600A/0.9s；三相电流分别为Ia=17.37A，Ib=17.12A，Ic=17.50A。折合一次电流分别为：2779A、2739A、2800A。故障电流均大于定值：1600A/0.9s，保护动作正确，如图1所示。

故障跳闸后，变电值班人员现场检查发现该变电站35kV Ⅰ母压变三相避雷器和高压熔丝爆裂，熔丝支柱瓷瓶破裂，A、C相避雷器至高压熔丝连线脱落，如图2、图3所示。

图1　#1主变中后备保护动作报告

图2　雷击设备故障照片　　　　图3　雷击设备损坏照片

综合现场情况和主变保护、故障录波器的故障报告进行分析，故障过程如下：2016年6月1日3时38分03秒013，该变电站所在地区发生雷雨天气，5kV系统Ⅰ段母线区域受到雷击(Ⅰ段母线及设备安装在室外)，保护过程如下：

90ms后发生35kV Ⅰ母压变A相压变熔丝熔断，A相压变失压。

995ms时发生A、B相短路故障，#1主变中压侧故障电流约为2580A，大于主变中后备保护复流一段定值，主变中后备保护启动。

990ms时转换为三相短路故障。#1主变中压侧故障电流约为2740A～2800A。

1940ms时，#1主变中后备保护复流一段动作出口(故障持续940ms左右，定值为900ms)，跳开# 1主变301开关，切除故障。

3　雷击设备损坏原因分析

3.1　雷击原因理论分析

雷击引起主设备损坏的主要原因为变电站雷电过电压保护措施不完善，最直接的因素为变电站接地网不合格，接地电阻超标。

接地电阻是接地体电压与通过接地体流入地中电流的比值。它包括接地体金属本身的电阻(所占的比例很小)、接地体与周围土壤间的接触电阻(其值与施工方法关系很大)和接地电流向大地散流的电阻。因为接地电阻实际是冲击电压作用下冲击电流表现出由波过程到电感泄流过程[2]。冲击电流是高频电流，因此受到接地体的电感和电容影响，而且由于高频电流的集肤效应，同时土壤的电阻率和介电系数也不能视为常数。所以在冲击电流作用下，接地网的有效利用面积就大为减小，超过这一范围的接地网则不能起到散流作用，所以，冲击电流流过接地装置呈现出的接地电阻，会比工频的大得多，应该引起足够的重视并采取相应的措施。

3.2　该变电站接地电阻实测分析

2016年6月5日，对该变电站进行了接地电阻实测(天气：晴；环境温度：32℃；湿度：60%)，变电站设备平面分布图如图4所示。

(1)测试数据见表1。

图4变电站设备平面分布图
表1接地电阻测试数据

I主变:2.184ΩII主变:2.267Ω402间隔:2.190Ω302间隔:2.192Ω10kV电容器:2.191Ω控制室:2.081Ω

(2)试验仪表：济南泛华AI- 6301型自动抗干扰地网电阻测量仪。

(3)试验方法：电流电压表法(三级法采用0.618法则)。

(4)试验结论：按规程规定主网接地电阻值为0.5Ω，本次测试显示，该变电站主网接地电阻严重超标。

3.3　该变电站接地电阻理论技术分析

图5　等效的接地网结构图

该变电站位于大别山区，坐落在一山坳处，三面为低矮山丘，站南侧为进出口，缓坡而下。变电站内面积约85米×75米，站外三面所环山丘较变电站地面高度约10米至20米左右；站南、北、西向皆有进出线路，线路塔杆离站10米至30米不等。站北、西两侧进出线塔杆坐落在环山之上，塔杆顶部远高于变电站。变电站四角各有一座独立避雷针，高度约30余米。等效的接地网结构如图5所示。

根据计算，接地网面积4万平方米以上(半径115米左右的圆)，接地电阻才可约为2.2Ω，而若要接地电阻降至0.5Ω，则接地网面积需达到80万平方米(半径500米左右的圆)，当地环境和周边居民状况显然无法满足这样的要求。经了解和观察，该变电站接地网曾经进行过改造，将主接地网由站东西两侧，分引出两支向缓坡下伸长的接地体，分别至离站120米远的一个水塘和一片水田(水塘边可见扁钢)，而且站内还曾使用过降阻剂等辅助措施，故而接地网电阻达到2.2Ω。

对站门边的一支独立避雷针进行接地电阻测量时，发现该避雷针接地电阻达数百欧姆，这样的接地电阻雷击电流将无法有效释放，使得该避雷针成了“引雷针”，而该避雷针离居民房屋不过七八米，且就在居民房屋的门口和行路上，这与规程要求严重不符，给安全带来较大隐患。

4　变电站防雷综合整治方案及实施

该变电站内已布满接地网，且基本完整，如仅在站内施工改造，即便采用较先进的技术与材料，也只会有部分效果；而站外周围居民较多，最近的住房离站约10米，三面环山，山侧亦有住家及建筑，四周可用于接地改造的区域较少，唯一就是南侧站门的道路两边，尚有部分空旷地带或可利用。据此，进行了深度改造方案分析。

4.1　总体原则

按照电力规程要求，110kV变电站的主地网接地电阻应小于0.5Ω，独立避雷针的接地电阻小于10Ω；但在高土壤电阻率地区，在采取措施保证接触电势、跨步电势满足人身安全的情况下，变电站接地电阻允许达到5Ω。结合现场实际，提出改造方案：将主接地网电阻降到1Ω，将独立避雷针接地电阻降到10Ω，检查测量站内各引下线导通情况并对不良处予以处理修复。

4.2　主地网布置

(1)在变电站内部地面外环，开挖水平沟槽和垂直接地极井，沟槽敷设新水平接地体和填用降阻剂；垂直电极井为6组，其内安装电解离子接地极6套。

(2)在变电站内开挖纵横水平沟槽，端部与外环闭合，沟内敷设水平接地体，安装石墨接地板6套；开挖垂直接地极井4组，安装电解离子接地极4套。

(3)沿以前改造时在站东西两侧外引的伸长接地体方向敷设新接地体，接地体应深埋1米以下；新老地线做四点以上的连接，敷放长度各约200米至300米；合适部位安装石墨接地板约4套，镀锌角钢接地极8套。

(4)在西侧外引线的合适部位，钻挖接地深井2孔，深度约20米至30米，放置加强接地极和填灌降阻剂。

(5)在东侧外引线的终端水塘处，敷设水下网状接地体，面积约300平方米；若此塘可征用，则可将水抽光后，制作装设双层接地网后，外运较好土质予以回填。

(6)在两外引线的尾部，横断开挖道路并将两线连接连通在一起。穿过道路的沟深1.2米，并恢复水泥混凝土路面。为防止跨步电压及接触电势危害，在接地极井口以及部分人员活动处，加装均压带和敷设水泥混凝土地面。

(7)本部位施工，采用电极离子接地极10套，镀锌扁(圆)钢约1200米，加强接地极2套，石墨接地板10套，镀锌角钢接地极6套至8套。使用降阻剂25吨，更换土质约180立方米(不含水塘回填)，使用水泥等14立方米。

改造示意图如图6所示。

图6　接地改造施工示意图

4.3　避雷针接地

(1)因独立避雷针分布在变电站围墙外部，且周围为民居或山坡树丛，测量与施工都有一定难度，所以尚需到现场详细查看和测量后方能制订具体方案。

(2)避雷针接地总的原则是电阻小于10Ω，离人行通道3米以上，或采取均压及辐射碎石沥青路面(厚5cm～8cm)等措施。

(3)当单个避雷针周围无足够地网施工的地面时，在采取加装离子接地极或石墨接地板的同时，考虑将独立避雷针的接地网两两连接甚至四支连接(因与主地网可能的交叉，不考虑环接)，以有效降阻和满足各避雷针要求。

(4)本部位施工，采用电极离子接地极和石墨接地板各4套，镀锌角钢接地极4套至8套，镀锌扁(圆)钢约250米至300米，使用降阻剂5吨，更换土质约40立方米，使用水泥混凝土等8立方米。

4.4　站内引下线的检修

(1)检查、测量站内各杆塔、构架的接地引下线，确认完好无断裂，导通试验合格。

(2)对缺损、断裂和线径不足的引下线进行加装更换和焊接修补，并涂刷防锈漆。

(3)本项施工估计镀锌扁钢用料90米。

图7　接地网引出隐蔽工程

4.5　现场实施

2016年8月份，组织对该变电站接地网按照上述方案进行了整改，整改后接地电阻达到预期目标，接地电阻为0.9Ω。隐蔽工程如图7所示。

该工程实施后，该变电站没有再次发生雷击设备损坏事件，站内设备在雷雨季节运行良好。

5　结论

通过接地网改造降低敞开式变电站接地电阻是变电站防雷改造的最重要手段，也是最有效手段。但是雷电防护是个系统工程，除降低主网接地电阻外，还需要对以下方面进行审查检验：

(1)独立避雷针的保护范围足够，避雷针接地网与主地网间距离是否符合规定。

(2)进出线路的避雷线是否完备，保护角等设计是否合理，如装有线路避雷器，该装置是否完好。

(3)进出线路杆塔的接地装置是否完好，电阻是否合格。

(4)避雷器的选型和配置是否符合被保护设备需求，是否定期检测，接地装置是否正确及完好。

(5)电缆进出线与架空线的连接处有无避雷器，电缆金属外皮是否可靠接地或经接地刀闸接地。

(6)防感应雷过电压和侵入波过电压的传递，以及危险电位内引外送的二级防护区是否采取可靠措施，包括：进出变电站管线、桥架、二次电缆、端子箱、所用电系统等。

参考文献：

[1] 张翠霞,李汝彪,葛栋,等.浙江省110和220kV敞开式变电站雷害事故分析[J].电网技术,2011,35(2)：159-162.

[2] 中华人民共和国电力工业部.DL/T 621-1997.交流电气装置的接地[S].北京：中国电力出版社，1997.