针对近区多次雷击故障的变电站防雷措施改进建议

薛华伟

摘要：本文针对一起220kV线路多次雷击导致设备损坏的事故进行理论计算及深入分析，得出提升变电站线路间隔防雷水平的建议。

1、事故概况

2019年夏，广东沿海220kV某变电站220kV某线路C相发生连续两次故障跳闸，故障测距1.1kM，220kV母联及220kV 2M母线上所有运行设备开关跳闸。事故发生时为雷暴天气。

现场检查及后续设备解体检查发现，线路间隔C相电流互感器CT头部存在多处放电路径，断路器在分闸情况下发生击穿。

2、变电站防雷设计及现状

根据设计方案，故障线路出线避雷器布置在变电站外终端塔上，选用的避雷器为线路绝缘子防雷用的带串联间隙金属氧化物避雷器，不是电站型避雷器。该型避雷器的正极性50%雷电冲击放电电压为862.6kV（峰值），负极性50%雷电冲击放电电压为1004kV。当雷击过电压低于该冲击放电电压时，避雷器不动作，雷击过电压侵入变电站内，可能造成站内设备损坏。

设计单位按照DL/T620-1997进行变电站防雷保护设计，220kV、110kV、10kV母线上均安装氧化锌避雷器，主变三侧均装设氧化锌避雷器，220kV设备雷电冲击保护水平配合系数为1.92。220kV IM、2M及#1、#2变高避雷器选用YH10W-200/496W。变电站内建筑物及电气设备均在避雷针保护范围内。

设计单位按照GB/T 50064-2014 第5.4.13款第6点要求对出线避雷器位置进行校核设计，出线避雷器与故障CT的电气距离为69米，距离故障开关的电气距离为79米。

3、雷击故障计算及原因分析

3.1 避雷器动作情况分析

故障线路出线避雷器未动作，该避雷器型号为YH10CX-204/592，为带串联间隙金属氧化物避雷器，该型避雷器的正极性50%雷电冲击放电电压为862.6kV（峰值），负极性50%雷电冲击放电电压为1004kV。由于避雷器及计数器现场试验合格，产品处于正常状态，因此，两次故障时避雷器不动作的原因为，出线避雷器位置的雷击过电压小于该避雷器的50%雷电冲击放电电压，串联间隙无法击穿，避雷器上流过的电流较小。

故障其它相关避雷器均动作，且均为C相避雷器。因此，怀疑为雷击故障线路，并沿线路入侵变电站导致。

3.2 雷击故障发展过程分析

故障当天雷暴天气，根据气象局提供的信息，故障线路附近有5个落雷，雷电流为12-24kA。

第一次接地故障时，雷击造成75#塔线路C相绝缘子闪络放电的同时，雷电波向变电站方向传播，此时开关处于合位，雷击过电压可沿线路入侵站内，引起I母221PT、 II母222PT、#1主变变高C相避雷器动作，残压钳制在532kV，有效地保护了站内设备。

第二次接地故障时，雷电波沿着故障线路向变电站方向传播，但由于此时C相开关处于分闸状态，雷电波在开关端口位置发生波反射，且由于避雷器距离开关断口较远（79m），开關断口处的电压将大幅提高，经理论计算，实际开关断口和CT端部的雷电过电压均将明显超过其绝缘的雷电冲击耐受电压，最终导致开关断口击穿、CT一二次绕组间放电。

3.3 理论计算

对C相第二次接地故障时，雷击过电压导致开关、CT故障的情况进行计算。

取雷电波为一斜角波u（t）=at，其中a为陡度。当雷电波入侵时，由于雷电波的反射，开关断口处的电压将高于避雷器端部电压Ub，根据波过程分析，开关断口靠线路侧和CT端部电压为

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

其中，l为与避雷器的距离，v为光速。可见设备上所受冲击电压的最大值必然高于避雷器的端部电压，其差值为

ΔU = 2a l/v                                （2）

以上分析是从最简单、最严重的情况出发的。实际上，由于变电站接线比较复杂，出线可能不止一路，设备本身又存在对地电容，这些都将对变电站的波过程产生影响。一般可将式（2）修改为ΔU = 2a （l/v） k ，其中k 为考虑设备电容而引入的修正系数。

根据现场避雷器没有动作记录的事实，为偏严考虑，对于多次重复雷击，取雷电波传到避雷器端部的电压为正极性862kV，即处于避雷器50%冲击放电的临界值。由于无法获知雷电波形的上升沿，按照以下两种情况考虑：

1）考虑2.6μs/50μs的较陡的雷电波形，上升沿2.6μs，得到陡度（电压变化率）a = 1430 ×106 kV/s，断路器断口处最大的ΔU = 2a l/v = 753 kV，CT端部ΔU为658 kV，实际断路器断口处最大电压可达1615 kV，CT端部电压可达1520 kV。

2）考虑8μs/20μs的波形（避雷器电阻片雷电冲击试验波形），上升沿8μs，得到a = 465 ×106 kV/s，断路器断口处最大的ΔU = 2a l/v = 465 kV，CT端部ΔU为406 kV，实际断路器断口处最大电压可达1327 kV，CT端部电压可达1268 kV。

综合上述，两种雷电波陡度下的断路器断口和CT端部的雷电过电压均明显超过其绝缘的雷电冲击耐受电压（断路器断口为1050+206 kV，CT主绝缘为1050kV）。

3.4 故障原因分析

综合上述，分析认为线路间隔设备故障原因为：

第一次跳闸，雷击导致在75#塔线路绝缘子闪络放电，引发单相接地故障。

第二次跳闸，同时引起开关及CT故障，分析认为：

因此，雷击过电压是开关断口击穿及CT内部放电故障的根本原因。

4、发现的问题及防雷措施改进建议

问题1：故障线路出线避雷器选型为线路绝缘子防雷用的带串联间隙金属氧化物避雷器，其50%雷电冲击放电电压较高（正极性50%雷电冲击放电电压为862.6kV（峰值），负极性50%雷电冲击放电电压为1004kV），当雷击过电压低于该冲击放电电压时，避雷器不动作，雷击过电压易侵入变电站内，无法有效保护站内开关和CT。

问题2：出线避雷器安装位置距离断路器断口和CT较远（分别为79m和69m），使得被保护设备承受的雷电过电压较避雷器的端部电压高得多，断路器的断口运行工况苛刻，易造成重复雷击下的断口灭弧室难以正确灭弧。

改进建议1：将变电站出线避雷器移至站内，站内避雷器采用型号为Y（H）10W-204/532的产品。

改建建议2：对新建敞开式变电站，要求在110-500kV站内断路器线路侧附近安装氧化锌避雷器。