周易龙，赵 宪，童 年，周利兵，刘艳飞

0 引言

35 kV 电网在煤炭工业生产中占据重要位置。35 kV 变电站一般位于矿井附近，6 kV 出线直接给井下供电，其供电安全及可靠性有着极高的要求。山西矿区电网大部分位于山区，电力线路往往要穿山越岭;受黄河河套气候的影响，雷电活动较为频繁，且电网位于电阻率低的煤矿、铁矿层的上面:在雷云活动时易随着雷云的运动感应出地下镜向电流诱发雷击侵入变电站。35 kV 变压器为全绝缘结构，中性点未加任何保护措施，这给变压器的安全造成了严重的威胁。焦煤集团近几年发生多起雷电击穿中性点的事故［1～6］。

1 雷击事故情况

2012 年7 月，35 kV 南紫线路50 号杆曾发生:雷击避雷针，产生较高的塔顶电位，引起跳线弓子对地放电，线路终端杆塔也有落雷痕迹，雷电过电压入侵变电站，造成变电站2 号主变中性点击穿(图1)。该站35 kV 线路进线端第一基杆塔两条线路均安装了HY5WX －54/142 线路避雷器，南紫线线路避雷器A 相动作5 次、B 相动作3 次、C 相动作2 次，另一回线路避雷器均未动作。

图1 35 kV 变电站雷电击穿的变压器中性点

2 设备及运行基本情况

2.1 变电站及线路运行情况

变电站有两台变压器，分别为1 号主变、2号主变，为全绝缘结构，中性点处于对地绝缘状态;两回35 kV 进线，若干条6 kV 出线给井下供电，变电站经两趟LGJ－120 绞线供给。35 kV 南紫线路全长14.932 km，共53 基杆塔;张紫线路全长26.245 km，共116 基杆塔。调查中发现，南紫线50 号杆塔塔顶及变电站站内终端塔上装有避雷针作为线路的进线段的防雷措施，如图2 所示。

图2 某35 kV 变电站终端塔塔顶避雷针

2.2 线路使用绝缘子情况

35 kV 南紫、张紫线路使用4 －5 XWP2 －70片绝缘子串。为了检验其耐雷电气性能，根据文献［5］BGT775.2 －2003. 绝缘子试验方法，对5号杆塔绝缘子串进行绝缘子U50%冲击放电电压试验(见图3)。试验设备为能够产生峰值为1 200 kV，1.2/50 μs 的标准雷电波形的冲击电压发生器。

图3 XWP2 －70 绝缘子U50%冲击放电电压试验实物接线图

试验过程:温度16 ℃，湿度68%。在高电压实验室用冲击电压发生器对每级电压分别做10 次冲击放电电压试验。通过这10 次闪络的情况统计闪络概率，来确定该4 片XWP2 －70 绝缘子串的U50%冲击放电电压值［11］，试验数据见表1。

表1 绝缘子串冲击放电电压试验数据

通过表1 试验数据可知，35 kV 南紫线运行的4 片XWP2 －70 绝缘子串U50%冲击放电电压约为424 kV，烧灼绝缘子并未造成雷击闪络电压的明显下降。

3 雷击事故分析

3.1 35 kV 全绝缘结构变压器的防雷弱点

从图1 可以看出，雷电击穿短路故障点在变压器绕组的尾端至中性点处，这正暴露出35 kV 变压器防雷方面的一个盲区。全绝缘变压器中性点的保护，因为对于电流小于10 A 的35 kV 网络一般采用中性点不接地运行方式。35 kV 变压器属于全绝缘的结构，往往在变压器套管处什么也不接，变压器中性点处于对地绝缘状态。6 ～35 kV 配电线路由于相间距离近，对其构成主要威胁的是感应过电压。过电压一般同时作用于三相线路，只是幅值有所差别。当雷电侵入波从两相线路侵入时，两相波到达不接地的中性点后将同时经由第三相绕组传到线路上去，这时中性点的最大电位将为

3.2 线路与变电站设备在绝缘配合上存在问题分析

(1)雷电入侵波分析

如图4 所示:只有线路遭受的雷电波经线路避雷器、母线避雷器后最终施加在变压器的冲击电压小于变压器雷电耐受冲击电压值，才能保证雷电波入侵时主变压器有足够高的绝缘水平而不被损坏［11］。

图4 入侵主变雷电过电压过程示意图

(2)线路与变电站设备在绝缘配合上存在的问题分析

35 kV 线路及变电站位于多雷区。为了降低线路雷击跳闸率，南紫、张紫两回进线都采取加高线路绝缘水平的方式，大多采用4 ～5 片XWP2 －70 绝缘子。通过上面的试验可知，4 片XWP2 －70 的U50%雷电冲击放电电压可达424 kV，5 片绝缘子接近于500 kV;而变电站35 kV 变压器的全波雷电冲击耐受值，按国家标准在200 kV左右。由此可见，线路的绝缘水平远高于变电设备的绝缘水平。线路上的雷电过电压无法在线路上释放，势必会造成侵入到变电站的雷电过电压过高。此时若变电站内避雷器、动作计数器、接地引下线和接地装置等任一环节出现问题都可能超过主变压器的耐受能力而把变压器打坏。因此线路绝缘水平和主变绝缘水平设计配合不恰当，也是变压器遭受雷电波而损坏的重要原因［1～3］。

3.3 站内终端塔及进线段消雷器及避雷针引雷

避雷针适合使用于变电站防雷、建筑物防雷和高压线路防“绕击”。避雷针工作原理在于其上方有雷云时会造成空间电场畸变而将雷引于自身，从而保护其周围的设备。35 kV 及以下电压等级的线路整体绝缘水平较低，不适合用避雷针防护:因为当雷击避雷针，雷电流入地时，会形成一个很高的塔顶电位，造成反击;此外避雷针的存在增加了杆塔高度也就增加了雷击概率。该线路多次发生雷害事故，就与线路避雷针、消雷器的引雷作用有关。同理，将避雷针装在变电站站内杆塔上，会诱发雷击。35 kV 变电站设备的绝缘水平低，雷电波得不到有效衰减使得侵入到变电站的雷电波过强而容易打坏变电站设备。另一方面，雷电放电时会由静电感应和电磁感应在导线上产生过高的感应过电压。由前面的分析，35 kV 线路相间距离近，感应过电压一般作用于三相。三相绕组同时进波时，中性点最大电位将为首端电位的两倍，对中性点绝缘构成很大威胁。此外经避雷针接地引下线泄放的雷电流次数的增多，对其附近电气设备绝缘的影响也很大，使其绝缘长期运行于高压极限状态，再加上一些绝缘本身的积累效应，会加速绝缘的老化，对变电站主设备的绝缘构成威胁或造成事故。35 kV 变压器绕组的额定雷电冲击耐受电压200 kV，如电压多次超过变压器绕组的额定雷电冲击耐受电压值，变压器就有可能被打坏。

3.4 变电站内局部冲击接地电阻过高的问题

该变电站位于半山坡，周围的砂石土壤分布较广，接地体布置于这种土壤。一方面，该土壤内的孔隙较大，不易与钢材料接地体可靠接触，使其接触电阻变大。另一方面，多孔隙土壤中含氧量高，接地体易发生吸氧腐蚀，砂石土壤含水量极差，易干燥，接地装置的参数不稳定;特别是避雷器动作后雷电流入地时，大电流流过土壤，由于电流的加热作用，土壤中水分的温度开始上升，水的电阻率稍微降低。由于在加热速度的局部非均匀性，发生热不稳定过程，电流汇集到更高温度区域，最后所有电流汇流到一个狭窄的通道，导致水分的蒸发，沿这一蒸发通道即产生土壤击穿，从而导致了局部电位升高打坏变压器。另外由于接地装置局部冲击阻抗较高，接地装置的热容量小，避雷器多次动作后会造成局部冲击电位升高，加上避雷器的残压，会超过主设备的全波雷电冲击耐受值而把主设备打坏［2］。

3.5 线路处于易受雷击的山区

35 kV 线路上防雷设施缺失。35 kV 南紫线全线没有避雷线保护又处于雷电多发区，其中大跨越档穿过山谷易发生雷电直击。图5 为在线路中发生过绝缘子串雷击放电的大跨越塔。

图5 发生过中相雷击放电的35 kV 南紫线大跨越塔

4 采取防雷措施讨论研究

4.1 全绝缘结构变压器中性点的保护

根据矿区雷电活动频繁的具体情况，由前面分析的全绝缘结构变压器的防雷弱点可知，在35 kV变压器中性点应加装氧化锌避雷器，以抑制雷电波入侵时中性点电位的升高。这对主变安全运行是有利的，用比较小的代价使变压器的可靠运行得到改善，在技术经济上都是合理的［8］。文献［10］也通过实际运用情况说明中性点避雷器对抑制35 kV 变压器中性点因雷击引起的过电压的有效性。

4.2 完善变电站进线段保护

线路处于雷电多发地段，可在距离变电站2 km 内架设避雷线。避雷线的保护角设定为20°，以降低雷击导线的概率。对于发生在进线段之外的雷击，进线段自身的阻抗作用将有效限制流过避雷器的雷电流幅值，降低侵入波的陡度。此外，考虑到线路的绝缘水平较高，在进线段的首段，距离变电站2 km 处，装设金属氧化物避雷器MOA1，以限制入侵雷电波的幅值;在进线段末段，靠近变电站隔离开关处，装设金属氧化物避雷器MOA2，以保护隔离开关和断路器，如图6 所示。

4.3 拆除进线端不当的防雷设施

由前面对避雷针的原理和杆塔塔顶安装避雷针、消雷器的效果分析可知，在塔顶安装避雷针、消雷器不但起不到避雷效果，反而会大大增加雷击概率;故建议拆除杆塔避雷针、消雷器及站内终端塔避雷针，变电站可采取独立避雷针对变电站进行直击雷防护。

4.4 降低变电站局部冲击接地电阻

图6 进线段保护示意图

由于所受土地资源限制，大规模地铺设接地网不太现实。为解决山区砂石土壤区域变电站局部冲击接地电阻过高引起反击的问题，如图7 所示，在避雷线或避雷器接地引下线入地处外围距离地表约1 m 深处铺设一内外双层环状接地体;然后在内外环状接地体之间隔段距离铺设水平连接体把内外环连接在一起，并在外层环状水平接地体上隔段距离连接至原有地网;再在各连接点处嵌入1 根1.2 ～1.5 m 的垂直接地极，把水平接地体与垂直接地极有效地焊接在一起，并把水平接地体用防腐降阻剂包覆。接地网采用双层环状接地体辅以垂直接地极，既减小了局部冲击接地电阻，加强了冲击接地电流的扩散，又保护了变压器等一、二次电气设备的安全运行;增大了散流截面，改善接地电极四周的冲击电位分布和电场分布。

图7 降低变电站局部冲击接地电阻接地示意图

［9］的计算公式:

式中:UBL为避雷器残压，kV;i 为直击雷电流，其直击雷幅值一般大于10 kA;Rch为避雷器或避雷线等接地装置的冲击接地电阻，Ω;L 为接地引下线的电感，μH。

由式(1)可知，Rch减小，雷击时加在变压器等电气设备的压降也会降低;同时避雷线或避雷器接地引下线直接入地接入接地装置，电感L也会相应降低:如此就大大减少了雷击时加在变压器等电气设备上的电压，附加到变压器上的电压就不会超过变压器的截波耐压值，减小了变压器被雷击打坏的可能性［13～14］。

5 结论

(1)35 kV 全绝缘结构变压器需在变压器中性点加装氧化锌避雷器，以抑制雷电波入侵时中性点电位的升高。

(2)降低变电站避雷器入地处局部冲击接地电阻可以保护变压器等一、二次电气设备的安全运行，同时增大了散流截面，改善接地电极四周的冲击电位分布和电场分布。

(3)35 kV 线路及变电站绝缘水平低不适合避雷针进行进线段保护(独立避雷针除外)。

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