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变电站弱电设备防雷问题及整改措施


摘要:通过计算 110 kV 儒岩变电站地网冲击接地电阻在遭受雷电入侵时升高的地电位,分析了在主控室所用变低压侧中性点与二次弱电设备的外壳不等电位时,二次弱电设备受反击而损坏的原因,并提出了整改措施。

关键词:弱电设备;等电位;防雷

110 kV 儒岩变电站位于广西梧州市,该地区雷电活动频繁,每年平均雷暴日达到 100—130 天。该变电站在 110 kV 及 35 kV 设备全部处于热备用状态、10 kV 设备仅有 1 条出线带站用变运行方式下,发生了 2 次雷击弱电设备的事故,本文分析雷电反击引起的设备损坏原因并提出解决方法。

1 雷击设备损坏情况

2005 年 7 月 22 日,110 kV 儒岩变电站上空出现第 1 次雷鸣闪电,10 kV 1 段母线出现谐振告警,A、B 两相对地电压同时升高到 UAN=UBN=7.1 kV,C 相对地 UCN=6 kV,AB 相间电压 UAB=0 kV,1 号所变低压侧断路器因 AB 相间电压降至 0 V 跳闸,全站交流失压,监控系统由直流蓄电池供电,运行正常。15min 后变电站上空出现第 2 次雷鸣闪电,光纤通信屏 (奥能 GEC- 20A/220 V) 不间断电源插件绝缘损坏,与本地总通信单元和远方调度中心通信失败。

2 雷击损坏弱电设备原因分析

2.1 变电站冲击接地电阻估算

2.1.1 变电站方孔水平地网冲击接地电阻估算

继电保护和综合自动化装置接地示意图如图 1所示。7 月 22 日,该变电站所有 110 kV 断路器处于热备用状态,雷电入侵路径为避雷线或避雷针,均靠近端子箱"6"处,经查故障时的落雷幅值为 25 kA,在图 1 继电保护和综合自动化装置接地示意图中,

图 1 继电保护和综合自动化装置接地示意图

避雷针距离变电站地网横向边线约 6.5 m,距离纵向中心线约 7 m,雷击变电站水平方孔地网横向边线中点时,可以将地网拆成图 2[1]。

图 2 雷击变电站水平方孔地网横向边线中点电路拆分图




忽略土壤放电效应,经计算雷击变电站水平方孔地网横向边线中点 5 的冲击接地电阻 Rt=3.86Ω[1]。

2.1.2 变电站方孔地网垂直接地体冲击电阻估算

一般情况下,雷击方孔形地网边线中央时,距离雷击点 25 m后雷电流已经大大衰减,在计算方孔形地网垂直接地体总冲击电阻可以只考虑雷击点 25 m范围内的垂直接地体总的冲击电阻。儒岩变电站在雷击点 25 m附近约有垂直接地体 20 支。单个垂直接地体的冲击系数为

式中:ψ0———系数,取 1.3;

k———系数,对于垂直接地体取值为 0.9;

ρ———冲击接地电阻计算用土壤电阻率,kΩ·m;

l———垂直接地体长度,取 2.5 m;

ρ0———雷雨季无降雨时测得的土壤电阻率,Ω·m;

Im———流入地网的雷电流幅值,雷电击在边线

中点时,按有 20 个接点将雷电流分流进行计算,这20 个接点均分雷电流,所以 Im=25/20=1.25 kA。

代入式(1)计算得

单个垂直接地体工频接地电阻为

对于等边角钢 d=0.84 b,b 为角钢边长,此处为0.05 m。

代入式(2)计算得

单个垂直接地体的冲击接地电阻为[1]

2.1.3 方形地网水平和垂直接地体总冲击电阻估算

方形地网和垂直接地体总的接地电阻为

ηiv 为由水平接地体连接 n根垂直接地体构成的组合接地体冲击利用系数,可近似取 0.7。将前文计算出的 Rt、Rim 的值代入式(3),得

即入地雷电流为 25 kA 时,总的冲击接地电阻计算值为 3.73Ω。从图 1 中看出,从 110 kV 户外端子箱通往主控楼的信号线屏蔽层的一端直接接在地网引下线上,另一端接在主控室保护地线上,保护地线在整个主控室内是绝缘的,仅通过在主控楼地层电缆夹层一点与变电站地网相连,当雷击构架避雷针时,110 kV 断路器端子箱距离 110 kV 构架避雷针距离不足 3 m,110 kV 断路器端子箱的电位将升高,其值约等于雷电流与接地网的冲击电阻的乘积,而儒岩变电站接地网冲击电阻计算值为 3.73Ω,由此可算出 110 kV 断路器端子箱的电位将升高至 93kV,110 kV 断路器端子箱信号线的屏蔽层直接接在端子箱引下线上,雷击时信号线的屏蔽层同样也会出现 93 kV 暂态过电压,这个暂态过电压通过信号线屏蔽层直接引到主控室保护地线。

2.2 光纤通信电源插件损坏分析

从图 3 看出,所用变低压侧 N 线(中性线)在离避雷针很远的 10 kV 配电间就近与主地网接地后使用绝缘电缆引到主控室交流屏,交流屏上 N 线与柜体不接地。发生雷击避雷针时,高电位通过信号线传导到二次地线上,由于光纤通信电源的 PE 保护线与主控室二次地线接在一起,引起光纤通信电源的PE 保护线对装置反击,导致光纤通信电源插件绝缘损坏。经检查发现 A 对外壳完全击穿,绝缘电阻为0。光纤通信电源损坏后,本地数据无法传送到调度端。光纤通信电源插件的外壳与损坏电源插件之间距离约 3 cm,空气的击穿场强取 500 kV/m[2],当光纤通信电源的 PE 保护线与光纤通信插件之间的电位差大于 15 kV 时,会反击损坏电源插件。

图 3 光纤通讯电源受保护地线反击分析图

3 整改措施及效果

由以上分析可知,弱电设备被雷击损毁是因为弱电设备的接地线距离过大,地面通过雷电流时,致使弱电设备间的电位差过大,最终导致弱电设备损坏。因此,采用等电位接线,将弱电设备的接地线都接到地网的同一根引下线,这样弱电设备就不会承受电位差,避免了弱电设备的雷击损坏。儒岩变电站弱电设备采用此方法改造后,运行至今,未发生一起因雷击引起的弱电设备损坏事故。

参考文献

[1] 张小青 . 建筑防雷与接地技术[M] . 北京:中国电力出版社,2002 .

[2] 周泽存 . 高电压技术[M] . 北京:中国电力出版社,1998 .

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