变电站七星桩接地极应用分析

沈源兴，沈盛，周晓琳，潘向华

（1.国网山东蓬莱市供电公司，山东蓬莱265600；2.国网山东莱阳市供电公司，山东莱阳265200；3.国网山东省电力公司烟台供电公司，山东烟台264006；4.国网山东省电力公司，济南250001）

变电站七星桩接地极应用分析

沈源兴1，沈盛2，周晓琳3，潘向华4

（1.国网山东蓬莱市供电公司，山东蓬莱265600；2.国网山东莱阳市供电公司，山东莱阳265200；3.国网山东省电力公司烟台供电公司，山东烟台264006；4.国网山东省电力公司，济南250001）

35 kV清泉水源地变电站供电系统近几年频繁故障，根据现场录波分析，判断是雷电造成供电系统过电压，过电压时避雷器没有起到应有的作用造成绝缘击穿，发生相间短路。运用七星桩接地极，采取就近接地等措施后，问题得到彻底解决，为类似问题的处理提供参考。

频繁故障；过电压；避雷器；七星桩接地极

0　引言

自2013-07-01至2014-06-19，清泉水源地变电站共发生10次故障。以往雷击发生线路开关跳闸，没有损坏站内设备，但自两台变频器投入运行后，开始有故障发生。

1　故障现象

35 kV清泉水源地变电站的系统结构如图1所示。正常运行时，2号线路运行，1号线路备用；开关436、352、602、604合闸，开关351、601断开。TA位置与保护的配制见图1。两台变频器分别于2010年、2011年投入运行。

2013年7月1日至8月6日，水源地35 kV供电系统线路跌落保险烧毁9次，并且造成9次全站停电故障，352开关变压器速断保护以及差动保护动作6次；另外，运行过程中出现过电动机零序保护动作的问题，动作时电动机一次侧零序电流5 A。

图1　35 kV供电系统结构

2014年6月19日发生了第10次故障。当时雷雨天气，清泉水源地352开关速断保护动作，2号水源变压器故障跳闸，全站失电。变电站最严重故障的统计结果见表1。

表1　2013—2014年变电站最严重故障统计结果

2　检查过程

2.1外观检查

2013-08-06，全站停电后检查发现，线路跌落保险被烧毁，35 kV开关至变压器套管内螺丝有放电痕迹，说明绝缘子绝缘被击穿。

2014-06-19，全站停电后检查发现，故障电流达到差动、速断保护动作值，保护动作；对现场的一次设备进行全面检查，352开关柜内设备未发现异常，开关、TV、避雷器等均完好；35 kV电缆外观检查正常；6 kV、400 V侧一次设备无异常；开关室以及变压器小室内温湿度指标正常；2号水源变压器A相、B相有明显放电烧灼痕迹，如图2所示，说明故障时接线端子对地绝缘被击穿。

图2　A、B相放电烧灼的痕迹

2.2绝缘检查

从表1的数据可知，前9次故障保险被烧毁，有7次发生在雷雨天气时，前7次故障发生在未涂刷RTV涂料时，其35 kV绝缘均低于10 MΩ，不符合规程的规定，也说明天气潮湿时故障的发生率高。涂刷RTV涂料后又发生2次故障，跳闸后绝缘检查结果均大于10 MΩ。

8月6日全站停电后，将35 kV进线开关柜更换DMC憎水性好的绝缘子。再发生故障之后的绝缘检查结果表明，更换DMC绝缘子后的绝缘电阻均大于35 MΩ，没有更换的绝缘电阻均小于5 MΩ。由此可见，更换绝缘子的效果显著。

第10次故障，6月19日全站停电后拆开高压侧电缆测量35 kV电缆绝缘对地及相间均2 GΩ以上，测量2号水源变压器高压对地侧绝缘电阻为2 GΩ；低压侧绝缘电阻为2 GΩ。

2.3直流电阻检查

2014年6月19日故障后，变压器高压侧直流电阻值AB相2.851 Ω、AC相2.843 Ω、BC相2.835 Ω；低压侧直流电阻值AB相0.04823Ω、AC相0.048 14 Ω、BC相0.048 09 Ω。

2.4避雷器检查

对12只避雷器进行检查，其绝缘电阻最小值为3.1 GΩ；直流1 mA及75%U1mA电压下的泄漏电流I75%U1mA最大值为U1mA=80 kV，I75%U1mA=3 μA，均合格。

35 kV进线避雷器的接地导线截面积约20 mm2，泄流容量远远不够。

2.5线路电压电流参数检查

8月6日的故障录波检查结果表明，故障时存在明显的过电压现象，数据结果如下。

参考时间0 ms时，电压瞬时值UAB=-47 V，UBC= 256 V，UCA=201 V；

相对时间40 ms时，电压瞬时值UAB=-6 V，UBC= -113 V，UCA=119 V。

2014年5月，变电站运行中对线路电压电流进行了检查，数值结果如下。

UAB=103.9V，UBC=103.9 V，UCA=103.9 V

UAB与UBC夹角120°，UAB与IA夹角45.0°；

UBC与UCA夹角119°，UBC与IB夹角44.8°；

UCA与UAB夹角121°，UCA与IC夹角43.6°。

可见，电压电流运行参数值正常。

2.6线路跌落保险参数检查

变电站35kV线路跌落保险的设计容量为100 A，实际的配置容量60 A。显然配置容量偏低，说明以往的跌落保险熔断与参数配置不合格有关。

2.7变频器输入输出侧谐波测试

在现场进行了谐波测试，结果表明2次及以上电压、电流谐波均满足电能质量规程规定的要求。即变送器的投入没有构成因谐波超标而引起谐振过电压的风险。6 kV母线谐波电压含有率和总畸变率测试结果如表2所示。

表2　6 kV母线谐波电压含有率和总畸变率%

3　原因分析

根据谐波测试结果可知，变电站系统不存在谐波超标而引起谐振过电压的因素，因此谐波的问题被否决。

3.1雷电过程引起系统短路

对于35 kV进线系统，是雷电过程以及阴天下雨、设备的绝缘下降，两种因素共同作用引起了短路的发生［1］。

当附近的35 kV线路遭雷击时，出现雷电过电压。其一，相间线路直接遭雷击而短路；其二，落雷造成单相线路接地故障，非故障相电压升高，导致了绝缘击穿。根据对电压波形的分析结果可知，雷电时虽然雷电的电压波形没有记录下来，但是进线侧工频相电压的峰值明显升高［2］。

对于雷电过程导致的系统过电压或工频过电压，避雷器没有发挥吸收过电压的作用，导致设备的绝缘击穿等；另外，是避雷器的性能问题，导致了本身被击毁。

3.2避雷器效果与接地极密切相关

整个泵站设计紧凑，地网面积很小，难以承受大电流、高电压冲击，而避雷器的接地都接到这个网上，不仅其避雷效果差，而且避雷器击穿造成一次系统短路时的冲击电流干扰容易使站内二次设备出现不正常动作行为。

3.3雷电活动与地理状况有关

根据雷电的形成与避雷过程的理论，结合35 kV线路走廊的地理特征，分析认为线路及杆塔几乎矗立于四面环山的山谷中央，位置突兀，极易成为山谷雷电的感应和泻流载体，并产生雷电过程［3］。

对于第10次故障，与之前的故障有所区别。结合上述理论分析可以断定最后一次故障，即2号水源变压器故障的起始原因是雷电过程造成的，而且雷电时避雷器未动作。变压器A、B相放电的原因是外线路落雷产生的过电压串至高压侧，造成A、B相对地放电，即AB相间短路，352开关速断、差动保护动作跳闸［4］。

35 kV线路侧及开关侧避雷器未动作的原因，是雷击过电压未达到避雷器动作电压值，避雷器动作值是额定电压的5倍左右。

3.4保护的动作行为分析

10次故障有6次发生在速断保护、差动保护动作区之内，速断保护、差动保护动作正确；有4次发生在速断保护、差动保护动作区之外，跌落保险熔断正确；至于线路侧的故障与站内保护无关。另外，出现的电动机零序保护动作的问题，是电动机进线A相发生了间歇性接地故障，一次侧零序电流达5 A，超过了零序保护的定值。可见保护动作正确。

4　防范措施

4.1避雷器接地极与接地线的处理

根据上述分析并结合现场的地理状况，为了提高避雷器的避雷能力，第一采用七星桩接地极接地；第二缩短避雷器与接地极之间的连接线或增加连接线的面积［4］。

七星桩接地极的结构见图3。这种接地极在原理上增加了与土壤之间的接触面积，在工艺上采用了融合剂的浇注措施，使雷电聚集的电荷能够顺畅地进入大地，因此七星桩结构的接地极具有良好避雷效果。

七星桩接地极的安放位置与距离也值得研究，将避雷器的接地单独设置，在柜内与现有地网绝缘，户外连接线采取绝缘处理，其位置选在东侧墙外的水渠内。7个深井接地装置按3 m的间距放置于水渠下方，使之常年有渠水渗入。但是，如此安装使避雷器与接地极之间距离L＞40 m。但是连接线长度的增加，对于高频电抗的影响极为明显。

雷电流的振幅与频率，雷电流的振幅主要集中在低频部分即0～1 kHz之间［5］。经计算可知，如果七星桩接地极远离避雷器的连接线长度增加倍数α=10，则工频阻抗Z50Hz增加倍数为α=10。而f=1 kHz下的阻抗Z1kHz与工频阻抗Z50Hz相比增加倍数β由下式确定：

图3　避雷器七星桩接地状况

反之，如果将连接线长度限制在4 m以内，与L＞40 m相比，雷电时的高频频率f=1 kHz对应的阻抗与工频相比也会大幅度降低。可见，缩短接地线的长度，会使避雷器的放电效果会明显提高。同样可以证明，增加接地线的线径其放电效果也会明显改善。

由于受地理位置的影响缩短接地距离不容易做到，最后采取了增加截面积的措施，将接线的截面增加1倍。

4.2增加两级避雷器

在清泉变电站进线的前两级铁塔均加装避雷器，以避免清泉变电站水泵房因为地势低，土壤电阻相对较小，而遭受雷击故障的影响。

4.3提高避雷器与跌落保险的指标参数

从跌落保险熔断脱落状况来看，雷击时电流很大，因此，采取以下措施：将35 kV进线避雷器的容量提高1倍，并且在此基础上再增加一个可靠系数，可靠系数按1.3倍考虑；根据设计要求，提高清泉变电站内跌落保险的容量指标，将现行的60 A改成100 A。

4.4改善运行环境

在清泉变电站2号主变室、35 kV开关室均安装1台除湿器，并附有在线检测手段，以密切跟踪室内温湿度的变化，确保环境及设备干燥绝缘的良好状态。

4.5更改保护的整定值

调整差动保护的定值，适当降低其灵敏度，将差动保护的定值由0.5Ie提高到0.7Ie，以避免区外故障时的误动作。

5　结语

变电站在装设变频器之后故障就频繁发生了，当时并没有找到故障的原因，一直认为是变频器产生谐波造成的。因此，水源地变电站每次故障后都进行了常规的外观检查与绝缘检查工作，并在运行过程中对其运行参数、谐波含量等进行了测试，结果均在正常范围以内。但是，故障过程中变压器高压侧相电压二次瞬时值260 V、电流二次值达10.7 A，故障时设备的损坏程度严重。

后来，考虑到防雷的问题。水源地供电系统处于雷电活动频繁区域，雷击时电流十分强大，由于接地网的问题使避雷器没有起到应有的作用。运用了近年来研究的接地极新成果七星桩接地极，同时采用接地极浇注工艺，并增加了避雷器与接地极连接线的截面等。变电站再次投入运行后1年多来未出现与以往类似的故障，可见由于防雷措施不当导致变电站频繁出现全站停电的一系列问题得到彻底解决。

七星桩接地极与接地极浇注工艺是近几年研究的新成果，在电力系统的防雷技术中必将得到广泛的应用。

［1］王剑，刘亚新，陈家宏，等.基于电网雷害分布的输电线路防雷配置方法［J］.高电压技术，2008（10）：2065-2069.

［2］余力，李和国.架空输电线路的防雷与接地［J］.江西电力，2010（2）：15-17.

［3］张菲.关于降低输电线路杆塔接地电阻的思考［J］.硅谷，2010（4）：40.

［4］陈少东，李孝波，李斌，等.标准雷电波形的频谱分析及其应用［J］.气象，2006（10）：11-19.

［5］贾洪海.送电线路接地装置分析与计算［J］.黑龙江科技信息，2008（29）：39.

Application of Substation Seven-pile-grounding

SHEN Yuanxing1，SHEN Sheng2，ZHOU Xiaolin3，PAN Xianghua4
（1.State Grid Penglai Electric Power Company，Penglai 265600，China；2.State Grid Laiyang Electric Power Company，Laiyang 265200，China；3.State Grid Yantai Electric Power Company，Yantai 264006，China；4.State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China）

In recent years，failures are occurred frequently in the 35 kV water source substation.According to the wave record analysis on site，the overvoltage of the power supply system is caused by the lightning，and the insulation breakdown and interphase short circult are occurred because of the lightning arrester failure.After using seven piles grounding and adopting measures of grounding nearby，the problem is solved.The solving way provides

for similar problems.

frequent faults；overvoltage；lightning arrester；seven piles grounding

TM63

B

1007－9904（2015）12－0068－04

2015-10-22

沈源兴（1961），男，技师，从事变电检修管理工作；

沈盛（1984），男，从事继电保护工作；

周晓琳（1985），女，从事营销管理及用电检查工作。