一起变电站雷击事故分析

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概述

XX年X月X日19时许，110kV某变电站区域持续降雨雷暴天气，据当地人和线路维护站职工反映，故障发生时，雷声不断，云头很低，落雷密度很大。19时17分左右，突降雷暴，10kV53、14、15线路在距变电站不到100m处断线，线路瓷瓶炸裂，随即引发变电站设备损毁事故，造成2台主变损坏、1#主变35kV侧刀闸及开关损坏、10kVI段母线的开关柜烧损。事故后经现场调查，作出如下分析及防范措施建议。 

02

变电站接线示意图

110kV04开关运行，1＃、2＃变并列运行，带35kVⅠ、Ⅱ段负荷。2＃变10kV侧开关断开，仅由1＃主变带10kVⅠ、Ⅱ段负荷，10kV分段开关10在合闸位置。 

当时运行方式安排为2台主变110kV侧中性点不接地，35kV侧中性点不接地。

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运行记录及开关跳闸记录

19:11    10kV 13开关速断动作，重合成功；

19:17   10kV母线分段开关10开关跳闸，发＃变后备保护10KV过流保护动作信号；

19:21    站值守人员电话反映站内10KV高压室起火， 1＃主变起火；

19:25    110kV上级开关跳闸。

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设备受损情况

1）110KV：1＃主变外壳烧损严重，2＃主变内部绕组损伤，变压器油呈黑色，中低压绕组开路（见附录1、附录2）。

2）35KV：31开关烧损，316刀闸三相仅剩下底座（见附件3），311刀闸A相仅剩底座，35KVI段母线A、C相瓷瓶炸损，B相瓷瓶破碎导线脱落。

3）10KV：10KVI段母线所有开关柜及连接设备均烧损，53开关柜内CT被炸成碎片，14、15出线同杆架设处绝缘线断线，瓷瓶损伤， 53出线0－1＃杆断线，5、6＃杆三相瓷瓶炸裂。

4）1＃变附近电缆沟电缆烧损严重， 1＃主变至10KV高压室出线电缆烧毁。

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事故后现场检查及各方面调查情况

1）地网及避雷针： 

该站地网2005年9月测量值为0.308Ω, 按照投运后应小于0.7Ω算,接地电阻合格。事故后复测值为0.31Ω.地网经开挖2处检查，有部分生锈，但无严重腐蚀。地网和接地引下线均为φ12mm圆钢（少数为φ14mm圆钢）。事故后复核了避雷针的直击雷保护范围，结论为合格。

2）35kV出线：

35kV出线的1.5km架空线进线段设有双避雷线。4条出线经巡查未见雷击现象。站内35kV出线间隔电气设备均正常，现已恢复送电。

3）主变检查：

1＃变油化验色谱分析数据显示有过热，但无乙炔。因中低压侧套管已损坏，未进行电气试验检查。

2＃变油已呈深褐色，油样数据严重超标，显示有内部电弧放电。2＃变高压侧直流电阻合格，但是中、低压侧有开路现象。

4）避雷器及动作记录检查：

110kV和35kV母线避雷器外观正常。35kVII段母线互32避雷器已临时恢复送电，110kV母线避雷器和35kV I段母线互31避雷器事故后电气试验结果合格。据集控中心操巡队7月5日记录与事故后避雷器计数器的动作次数比对，在此期间互31避雷器A相动作2次、B相动作1次。

5)母线短路电流计算值：

据调度提供的2008年该变电站母线三相短路电流计算值：110kV ：3.05kA, 35kV ：3.5kA, 10kV ：8.3kA（二相短路电流小于上述值）。

6）雷电定位系统数据：

据查询雷电定位系统数据，因该站未经GPS时钟校准，将查询时段定为19：15－19：22,查询范围2km, 查询结果是在此时段内站附近对地落雷30个，雷电流最大128kA，最小16kA。

7）35、10kV系统的对地电容电流

该站35、10kV系统事故时为不接地系统，对地电容电流未测量过。主变35kV侧中性点的消弧线圈因认为线路不长、估计电容电流为6A，未超过规定的10A，长期未投运。

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故障经过分析

19时17分，10kV53线路在变电站近区遭雷击，绝缘外皮的架空线雷击断线造成线路弧光过电压，过电压沿线路侵入53开关，导致柜中CT被击穿发生爆炸，使53开关保护动作掉牌，但开关未能跳闸。由于故障电流的存在1＃主变低压侧后备保护动作，延时1秒跳开10kV分段开关10将10kVI、II段母线隔离，避免了II段母线设备损毁。

紧接着，10kVI段14、15线路因与10kV53线路相同原因造成CT爆炸。根据低压侧后备保护的动作时间及现场损坏情况分析，低压侧过流保护1秒跳分段，1.3秒跳11，在1.3秒前分段开关10跳同时，由于CT的爆炸造成直流短路。10kV直流保护电源空开被跳开。（根据现场调查情况，该站直流的配置情况是10kV的直流控制电源与保护电源共用一路直流电源，并经由一个空开控制。35kV、110kV直流控制电源与保护电源公用一路直流电源也经由一个空开控制。也就是说，只要有10kV或35kV户外直流电源瞬时短路，就会造成10kV保护或35kV保护失去直流工作电源，属设计不合理。事故中10kV、35kV、110kV直流空开已跳开。）

造成1＃主变低压侧过流保护直流工作电源消失而返回。11主变低压开关无法跳开。因短路点不能切除，造成14、15开关柜持续放电，使CT爆炸后形成的金属蒸气弥漫至整个高压室，造成I段母线及所连开关柜内部多处相间及对地短路，出现连锁起火，部分控制电缆烧毁。引发直流系统多点接地，直流母线电压急剧下降，导致站内所有保护及控制回路失效。同时，因1＃主变10kV侧短路持续，导致了1＃主变低压侧出口至10kV室的电缆烧断。

在10kV开关柜爆炸的同时，室外1#主变35kV侧31开关区域遭直击雷，强大雷电流导致316、311刀闸粉碎性爆炸，B相母线瓷瓶炸裂，刀闸碎片将1#主变散热器击穿数十处，变压器油沿击穿孔外喷。雷击同时造成35kV母线A、B两相同时经构架接地体发生接地，导致A、B两相经构架接地体短路；母线构架及311刀闸构架接地引下线承受强大短路电流后，在电杆根部烧断，同时引发接地体在熔断处电弧放电，电弧引燃泄漏出的变压器油，致使1#主变散热器起火燃烧。

大火将1＃主变35kV、10kV引线烧断，使1＃主变中低压侧与故障隔离。在一次设备遭受雷击同时，31开关机构箱、端子箱也被摧毁，造成35kV、110kV直流空开跳闸，全站保护直流电源无工作电源。由于直流保护电源的中断，在后续的故障扩大转换的过程中，包括差动保护、瓦斯保护、110kV侧的后备保护均无法动作切除故障。

35kV母线短路后短路电流造成B相母线瓷瓶连接处铁附件熔断，导线脱落搭接在31开关与35KV母线引下线上，导致35KV母线三相完全短路。当时，1#、2#变35kV侧并列运行，由于1#主变35kV侧因316刀闸粉碎性炸裂使主变与35KV母线断开，使1#主变35kV侧避免了短路电流冲击，但2#变35kV出口处因持续短路，造成2#变内部绕组严重受损，绝缘油变色发黑。

在站内发生故障期间，该站110kV进线近区因雷击A相接地，19：21该线路首端线路保护接地距离二段动作，开关跳闸并重合成功。

根据保护整定原则，该线路保护范围不包括1＃、2＃主变中、低压侧。开关重合后，因中低压故障未切除，造成首端线路开关过负荷动作。经4分钟后，19：25,110kV线路再次发生单相接地故障而动作跳闸，跳闸后未重合（因过负荷闭锁重合闸），至此，该站全站失压，故障切除。事故后，站内保护经检验定值正确，整组试验动作正确。

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事故原因分析

遭遇多次、多处雷击是造成此次事故的主要原因。雷电定位系统的数据也显示有多次落雷。

10kV的3条线路在变电站出口处先后遭遇雷击，GG1A开关柜设备陈旧，CT的绝缘薄弱发生爆炸，使线路保护失效。因开关柜不是封闭式，一台开关爆炸就迅速波及至整个母线隔室。

关于1＃主变35kV侧区域的直击雷，4个独立避雷针位于站的4个角（有一个在围墙外），虽经校核保护范围合格，但1＃主变的35kV侧区域处于正中的“锅底区”，被保护的裕度最小。35kV线路及站内出线间隔的设备均完好，无证据说明是沿线路进波。1＃主变的35kV侧316刀闸支柱瓷瓶和金属件粉碎、仅余底座，水泥构架支柱损坏严重，但是35kV母线的三相短路电流仅3.5kA,不至于造成如此严重的后果。因此认为此处是直击雷。

从继电保护保护动作情况可见，造成本次事故扩大的主要原因是电源设计配置不合理。由于老站设计上的缺陷，控制电源与保护电源未分开，某一控制电源在事故中瞬时短路，将造成保护电源中断而使保护无法工作。

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存在的问题

（1）由于该站为1976年建站，虽经多次改造，但防雷设施未经大的改造，站内整体防雷水平偏低，存在防雷薄弱点。

（2）电缆沟内强、弱电缆混合敷设。

（3）控制电源与保护电源未分开设置。

（4）10KV开关柜为GG1A式开关柜，一旦着火，极易殃及相邻间隔。

（5）事故发生时，运行人员应急处理不及时。

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防范措施

（1）提高该站防雷水平。在110kV、35kV母线构架上增设避雷针，将构架φ12接地体更换为60*6扁钢。

（2）更换10kV开关柜为封闭性开关柜,柜内CT选用高质量CT。

（3）将变压器三侧电源分开，并将各侧控制电源与保护电源分开设置。

（4）电缆敷设时严格隔离强电、弱电电缆。

（5）10kV主变出口避雷器增设计数器。

（6）测量35kV和10kV系统的对地电容电流，如超标应投入、安装消弧线圈。

（7）加强运行人员的业务培训，开展有针对性反事故演练，提高应急处理能力。