一起35kV开关雷击爆炸事故分析

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(陕西省地方电力(集团)有限公司，陕西 西安 710061)

一起35kV开关雷击爆炸事故分析

黄博，孙振权，汪雨辰

(陕西省地方电力(集团)有限公司，陕西 西安 710061)

对一起35kV开关雷击爆炸事故进行分析，结合现场勘查，指出了事故的直接原因是断路器无法及时开断由雷击造成的近区故障短路电流。对事故涉及的雷击机理进行了阐述，结合运行经验，给出了解决问题的解决方案，即安装线路避雷器，对避雷器的参数选择、安装位置提出了有实用价值的建议，以防止类似事故再次发生。

断路器；变电站；雷击；线路避雷器

1 引言

雷害事故占电力系统事故的比例逐年上升。根据国内电线路运行状况的有关历史统计数据，电力系统中输配电线路故障的起因有50%～60%是由于雷击跳闸的，雷害是引起线路故障的主要原因。近年来，在雷雨天气下相继发生了多起敞开式变电站内断路器爆炸事故，严重威胁了电网的安全稳定运行。广东地区及国内其他地区等变电站频繁发生同类事故[1-3]。电压等级覆盖了220、110、35、及10kV，尤其是中压线路非全线加装避雷线的情况下事故更甚。本文以一起35 kV变电站断路器因雷击爆炸的事故为例，对断路器爆炸的形成条件、影响因素及防范与减小事故影响的措施进行分析，给出解决方案。

2 事故概况

2.1事故前系统运行方式

某变电站35kV系统采用单母线分段的接线方式，其事故前运行方式为：35kV两条进线分列运行，联络开关处于断开位置。故障断路器作为进线1的备用，处于热备用状态，即线路侧隔离开关及母线侧隔离开关均处于合位置。

图1 故障前运行方式示意图

2.2事故检查概况

2010年10月19日，变电站上空出现较大雷雨，23时34分35kV青槐变35kV青槐T线开关遭雷击爆炸，造成一台35kV开关(LW16-40.5/1600)严重损坏报废，五台35kV刀闸支持绝缘子损伤(35kV青镇开关线刀闸、母刀闸；35kV青槐T开关线刀闸、母刀闸；Ⅱ号主变35kV侧刀闸)，35kV母线B相导线损伤三处，35kV青槐T线调度自动化用耦合电容器损伤。断路器A,C上、中瓷套完全炸开，碎片散落在四周，碎片散落的直径范围约5m，断路器B相底部破裂，断路器底座及控制柜已被电弧烧黑。19日23时34分雷击后，110kV镇安变35kV镇庙线Ⅱ段保护动作，开关跳闸，造成镇安电网35kV庙坡变、铜关变、张家变停电。

图2 故障前断路器

图3 故障后断路器

3 事故原因分析

3.1雷电行波侵入变电站

根据变电站值班人员的描述，在开关爆炸前有闪电雷鸣,该站未安装落雷记录仪器与雷电定位系统。线路上形成的雷电侵入波造成断路器断口击穿，断路器断口击穿后，电弧剧烈燃烧，断路器灭弧室内部温度急剧升高，SF6气压剧增，短路电流持续约550 ms后断路器底部破裂，SF 气体向下释放；同时断路器绝缘被破坏，对底座和地面放电，使上、中瓷套完全炸开。

图4 爆炸后损坏部件

爆炸形成条件主要受以下几个方面的影响：

(1)断路器断口未得到有效保护，绝缘被击穿。

(2)短路点在出线1号塔，为近母线短路，短路电流非常大。近距故障时流过断口的电流非常大，加剧电弧燃烧，加大断路器内部气体压力。若短路故障点距离较远时，断路器会受损，但是不会爆炸。

(3)断路器中的短路电流持续时间较长，断路器断口保护措施不适当。综上所述，要防止同类断路器爆炸事故的发生，首先应采取措施保护断路器断口，同时适当加强线路两端绝缘，防止近区短路故障的发生，缩短断路器失灵时故障的切除时问。

3.2雷击防护机理与分析

雷击线路有直击、绕击和行波侵入等形式。本文涉及的事故可能原因为绕击或雷电波入侵。雷电过电压沿线路入侵变电站，会形成雷电入侵波。由于波在传播过程中必须满足单位长度线路上存储的电场能量和磁场能量相等这一基本规律，即：

(1)

如果线路参数，L0，C0和波阻抗Z在某节点上发生突变，那么为了满足式(1)，线路上的电压波和电流波必然会发生相应改变，这样就会在该节点上产生行波的折射与反射。如行波从波阻抗较大的架空线路传人波阻抗较小的电缆线路，或相反地从电缆线路传人架空线路，或带电开口运行开关的断口处等均会发生行波的折射与反射。

通过分析波的折射与反射可知，当电压波到达开路末端时将发生全反射，使线路末端电压上升到入射波电压的2倍；同时，电流波发生负的全反射，使线路末端电流变为零。此时，入射波的磁场能量将全部转变为电场能量。因此当雷电过电压从线路传人变电站，且该雷电波传至带电开口运行开关时，即相当于过电压波传到开路末端。由于过电压波传至开路末端时会发生全反射，因此开路末端的电压上升为人射波电压的2倍，即相当于雷电过电压入射波的2倍，这样就会严重威胁到断路器绝缘，甚至造成断路器设备的损坏。

当输电线路遭到突发性的雷击以后，雷电分流会发生较大的变化，一部分电流通过塔体进入地下，当这一电流超过额定值以后线路避雷器动作加入分流；另一部分的电流从避雷线导入杆塔。雷电流在通过避雷线时，会产生电磁感应，这就会产生耦合分量。然后，利用避雷器分流大于雷电流的耦合作用提高导线电位，这样就会使绝缘子串的电压大于导线和塔顶之间的电位之差，从而绝缘子不具备发生闪络的条件，断路器断口不致于击穿，达到防雷的目的，它的最大的优点就是钳电位作用明显，可以有效地保护线路及设备的安全。

4 防范措施及方案

4.1站内装设出线避雷器

发生本次事故最直接的原因为线路雷电侵入波，故障断路器的大气过电压未得到有效的抑制，因此有必要采取适当措施限制雷电侵入波的侵害，在站内安装出线避雷器是最简单的方法。站内出线避雷器可选择无间隙氧化锌避雷器，注意选择标称电流的残压水平及雷电冲击绝缘水平与避雷器保护水平有较大的裕度配合系数。安装合成绝缘外套氧化锌避雷器也可以有效地抑制雷电侵入波的危害，对降低线路雷击跳闸率有较好的效果，在安装位置适当的情况下，可有效地保护断路器断口。

4.2线路避雷器的参数选择

(1)持续运行的电压。持续运行电压是可以负荷的持续地施加在端子间的工频电压的等效值。目前在我国普遍使用的氧化锌避雷器，由于电压直接加在电阻片上，久而久之就会导致电阻片劣化。所以持续运行的电压必须大于长期作用在避雷器上的电压，以免出现热崩溃的现象。

(2)额定电压。额定电压指的是施加到端子之间的最大工频电压等效值，与持续运营电压相比最大的不同之处在于额定电压是最大允许电压值，超过这一数值就会损坏线路避雷器。标称电压一定的情况下，额定电压越高，流经避雷器的电流就会越小，这就可以提高运行的可靠性，但是，如果过高就会导致残压较高。因此，需要权衡额定电压与残压之间的关系。

(3)标称放电电流。标称放电电流主要用来划分线路避雷器等级的放电电流的峰值，主要是和雷电流穿通道入地的时间长短有关，只要能够在线路开关动作之前，未建立工频电弧，线路就可以供电。这一个指标比较难以计算，可以根据具体线路的雷电发生情况，并结合运行经验值来确定之。

4.3线路避雷器的安装位置

在选择安装线路避雷器地点过程中，必须结合本地区历年来的线路雷击跳闸情况、运行经验及线路所经的地形，综合各种因素来确定线路避雷器安装的最佳地点。线路防雷仿真计算可以作为分析安装线路避雷器效果的辅助手段。本此事故主要由线路站端直击雷或远端线路雷电行波造成的，因此安装位置如下考虑：

(1) 变电站馈线线路的第一基杆塔，为了防止绕击跳闸，一般在上相或两边相上各安装一只线路避雷器；在接地电阻较高，雷害活动较强烈，易于发生绕击的杆塔，且接地电阻降低有困难(如岩石塔基)，加强线路绝缘受到杆塔尺寸限制的情况下，一般在三相导线上安装线路避雷器；

(2)沿该线路在地形或气象特殊的的绕击易发区的杆塔上安装线路避雷器，由于雷击一相放电最多，应该重点考虑雷击一相线路避雷器的安装数量；

(3)线路避雷器的安装位置要处于跌开式熔断器保护范围之内，这样可以防止其正常运行或遭雷击后发生意外的故障，影响电力系统的正常运行。在位置选择时必须考虑经济性，尽量少安装避雷器。但是，安装的数量应该能够满足雷击事件发生的分散性、不确定性和统计性的要求，否则就不能达到避雷的效果。

5 结语

在断路器断口击穿或电弧重燃的特殊情况下，应避免线路绝缘子闪络，形成短路条件，如果断路器在分位后短路，应采取适当保护措施快速切除故障。近距短路故障产生的巨大电流会损伤系统设备，对于大电流接地系统站，应尽量避免近距短路故障的发生，可适当加强线路两端的外绝缘。

陕南山区雷电活动强烈，电网结构与运行方式复杂，防雷工作任务繁重。为了防止同类断路器爆炸事故的发生，在现有的技术条件下，应以装设站内出线避雷器为主要措施，但要加强避雷器的运行维护管理，防止避雷器爆炸事故的发生。同时应逐步深化推广线路避雷器的研究与应用，使雷电事故的防范措施更加全面有效。

[1]彭向阳，郑晓光，钟定珠.加强广东电网110kV及220kV敞开式变电站雷电侵入波保护分析[J].广东电力，2008，21(7)：18-21.

[2]刘辉.一起220kV SF6断路器爆炸事故的分析[J].广西电力，2006(6)：62-64.

[3]杜永平，李加存.220 kV变电站进线防雷措施的完善[C]//第十五届华东六省一市电机工程(电力)学会输配电研讨技术会论文集.安徽黄山：中国电机工程协会，2007：142-145

[4]江日洪，张兵，罗晓宇.发、变电站防雷保护及应用实例[M].北京：中国电力出版社，2005.

[5]李谦，彭向阳，钟定珠.线路避雷器在广东电网输电线路上异常运行情况的分析[J].广东电力，2006，19(6)：43-47.

[6]李谦，彭向阳，钟定珠.线路避雷器电气性能跟踪试验[J].广西电力，2006(5)：29 -32.

AnalysisonanExplosionAccidentof35kVCircuitBreaker

HUANGBo，SUNZhen-quan，WANGYu-chen

(Shaanxi Regional Electric Power Group Co.,Ltd,Xi′an 710061,China)

The process and disposal of a 35 kV circuit breaker fault caused by multi-lightning strikes were analyzed，combined with on-site inspection of accident，pointed out that the circuit breaker cannot quickly switch off the fault current caused by short line fault is the direct cause of the accident.The lighting mechanism was described,the rational suggestions and preventative measures were provided in order to stop the similar faults happen once more.

circuit breaker;substation;lightning stroke;line surge arrester

1004-289X(2013)03-0079-04

TM561.3

B

2013-03-13

黄博，男，高级工程师，陕西省地方电力(集团)有限公司镇安分公司总经理，长期工作于电力系统一线，拥有丰富的生产运行实践经验;

孙振权，男，博士，教授级高工，陕西省地方电力(集团)有限公司配电网研究中心副主任;

汪雨辰，男，硕士，助理工程师，主要研究方向智能电网，电器智能化理论。