重要起变压器雷击故障的分析与防范

图 1 电气接线示意图
2
检查试验
高厂变 T1 属三相双分裂无励磁调压变压器，低压侧出线非封闭母线结构，设备参数如 表 1 所示。检查发现，高厂变 T1 低压侧两组三相母线排的接头处有烧熔豁口，高厂变 T1
高压侧三相封闭母线外壳间存在明显电弧放电烧损痕迹， 现场故障情况见图 2 所示。 从 6.3kV 母线排外部检查情况来看，存在外部相间短路的痕迹。
图 5 避雷针与被保护设备示意图
如图 5 所示，设电气设备高度为 h，其顶点与避雷针铁塔上的距离最近点为 S 点，当雷 击避雷针时，S 点电位 U s 和避雷针接地体上的电位 U e 分别为：
Us
iRc
L
di dt
（1） （2）
di dt
Ue
iRc
式中， Rc 为避雷针的冲击接地电阻， ；L 为从 S 点到地的电感， H 。 取雷电流 i 的幅值为 150kA[1]，波头形状为斜角波，其陡度取
图 6 高厂变俯视简图
通过以上分析，本次故障间接原因是高厂变和主变区域 A 列墙顶的避雷器接地引下线 布置安装不能满足标准[2]和标准[3]中“ 避雷针与主接地网的地下连接点至 35kV 及以下设备 与主接地网的地下连接点之间， 沿接地体的长度不得小于 15m。 110kV 及以上设备的避雷针 距设备距离不小于 5m，35kV 及以下设备考虑感应过电压的危害应适当加大距离”要求。 本次雷击故障的直接原因可能为：1）雷电直击在避雷针上，由于避雷针引下线距高厂 变高压侧封闭母线距离较近，在直击雷电感压降的作用下，造成绝缘闪络，后在工频电压的 作用下，持续电弧放电，造成高厂变低压侧母排两相及三相短路；2）雷击避雷针后，由于 地电位升高，反击电压造成绝缘闪络，后在工频电压作用下，持续电弧放电，造成高厂变低 压侧母排两相及三相短路。
关键词：变压器 雷击 检查试验 距离 防范
1
引言
某电厂 N 号发电机组采用发电机-变压器组单元制接线，发电机 G 经主变压器 T、并网 开关 S 接入 220kV 分段母线 B，然后并入电网；机端以三相封闭母线连接高压厂用变压器 T1 （简称高厂变） ， 高厂变低压侧以硬母线排经过 6.3kV 开关 S1 供电给 6.3kV 厂用母线 B1， 其电气接线如图 1 所示。Y 年 M 月 D 日，机组 G 带满负荷 200MW，并在 220kV 母线正常 运行，工况稳定，厂用电由发电机自带，高厂变没有异常现象发生。13 点 44 分许，伴随着 天空一声响雷，N 号高厂变差动保护动作、发变组差动保护动作，并网开关 S 跳闸、灭磁开 关跳闸，自带厂用电开关跳闸、备用厂用电开关自投成功，机组停运。复归有关开关，将 N 号发变组转入检修状态，就地检查发现 T1 高厂变上部有明火。
图 4 高厂变绕组接线示意图
由于变压器等设备承受了较大的外部短路电流， 为检测故障后设备是否受损， 开展了高 厂变 T1 的油色谱、绝缘电阻、直流电阻、直流泄漏、介损、低电压短路阻抗（高压侧加 5A 电流） 、交流耐压等相关试验项目，试验数据如表 2 至表 8 所示，数据均正常，可见该外部 短路故障没有造成变压器内部故障。同时，对主变、封母、发电机、6kV 开关、母线等进行 了检查，对保护装置、控制电缆进行了检查、传动试验，各项检查及试验数据均正常。
(GΩ )
表 3 T1 变直流电阻 气温 28℃ 油温 31℃ 湿度 65%
HV(III 档) AB(0) BC(0) CA(0) ΔR(%) mΩ 34.02 34.09 34.03 0.20 LV I 7.005 7.046 7.005 0.58 LV II 11.22 11.21 11.25 0.35
图 3 高厂变低压侧 6.3kV 母线电压波形
从图 3 可以看出，波形在 2ms 时出现畸变，之后的 62ms 内 a、b 相的电压幅值趋近、 相位趋同，而 C 相的电压幅值为两相之和、相位与之相反。由于 a、b、c 相是三角形连接， 如图 4 所示，可以确定这是明显的 a、b 相相间短路特征，故障首先为 a、b 相短路。a、b 相故障约 3 个周波后，a、b、c 三相电压幅值大致趋于相等，相位恢复正常，可以确定故障 已发展成为三相短路。
HV CX(pf) tg(%) 16160 0.288
LV I 10730 0.29
LV II 12150 0.275
表 7 T1 变短路试验 气温 28℃ 湿度 65%
Z(Ω ) a1b1 b1c1 c1a1 ΔR(%) 2.54 2.52 2.53 0.39 P(W) 5 5 5 0 a2b2 b2c2 c2a2 ΔR(%) Z(Ω ) 2.45 2.45 2.46 0.40 P(W) 5 5 5 0
表 2 T1 变绝缘电阻 气温 28℃ 油温 21℃ 湿度 65%
15s 绕组 (GΩ ) HV LV I LV II 铁芯 2.30 2.50 2.50 7.50 7.70 8.00 11.00 12.00 13.00 3.20 3.08 3.20 5.00 1.47 1.55 1.63 60s 600s R60/R15 R600/R60
50kA / s ，取避雷针
每米电感值为 1 H ，则 U s 和 U e 的幅值分别为（单位：kV） （3） U s 150Rc 50h （4） Ue 150Rc 空气绝缘的平均耐压强度为 500kV/m，为防止避雷针与电气设备间的最小空气间隙 d k 被击穿而危及电气设备， d k 应满足（单位：m）
表 4 T1 变直流耐压泄漏 气温 28℃ 湿度 65%
HV 施加电压(kV) 泄漏电流(μA) 5 0.5 10 1 5 0.5 LV I 10 1 LV II 5 0.5 10 1
表 5 T1 变低压侧交流耐压
LV I 施加电压(kV) 泄漏电流(mA) 19 70 LV II 19 79
表 6 T1 变介损 气温 28℃ 油温 21℃ 湿度 65%
表 8 T 变和 T1 变油色谱数据
H2 T1 T 11 4 CH4 5.6 5.9 C2H6 0.4 1.5 C2H4 0.7 1.0 C2H2 0 0
单位：μl/L
C 6.76 Hale Waihona Puke Baidu.4 CO 162 131 CO2 1120 2429
3
故障原因分析
据当地气象局档案室提供的气象资料， 当天电厂所处区域发生雷暴天气， 雷暴开始时间 13 时 28 分，雷暴终止时间 14 时 35 分。电厂现场人员在故障时间听到雷声，同时有人目视 故障发生地有弧光。 由于高厂变 T1 试验数据良好， 且其低压侧母线与高压侧封闭母线外壳有放电灼伤痕迹， 分析认为高厂变内部不存在故障，其故障起因为外部因素引起。 根据现场勘察，在高厂变和主变区域的 A 列墙顶上安装有三只避雷针，由于电厂地处 多砂石土壤地带， Rc 约为 15 ，故三只避雷针分别经引下线与主地网连接。结合当时雷声、 弧光和电弧烧损情况来推测， 可能是由于雷击造成的冲击反击过电压引发了低压侧母线与高 压侧封闭母线外壳间的电弧放电，造成低压侧 a、b 相间短路，进一步发展成为低压侧 a、b、 c 相三相短路。由于雷电的持续时间为 s 级，故现场的故障录波器未能记录到雷电数据。分 析如下：
一起变压器雷击故障的分析与防范
王成亮 1，王光亮 2 （1.江苏方天电力技术有限公司，南京市，211102） （2.安徽滁州供电公司，滁州市，239000）
摘要：本文描述了某电厂高压厂用变压器在雷击后造成机组停运、高厂变低压侧母线排接头烧熔、高压侧
三相封闭母线外壳烧痕的情况，通过分析录波得出故障首先为两相短路， 约三个周波后发展成为三相短路。 给出了高厂变的油色谱、绝缘电阻、直流电阻、直流泄漏、介损、低电压短路阻抗、交流耐压等检查试验 情况，结果表明承受了较大短路电流后的变压器状况正常。在现场测绘防雷接地布置的基础上，结合电厂 土壤情况、雷声弧光情况，计算并推断了雷电反击过电压使得绝缘闪络，后在工频电压作用下持续电弧放 电，造成高厂变低压侧母排两相及三相短路的过程，分析得出故障原因为变压器区域墙顶的避雷器接地引 下线布置安装不能满足标准《交流电气装置的接地》 、 《交流电气装置的过电压和绝缘配合》的要求。最后 提出了避雷针接地装置的接地电阻必须足够小，避雷针引下线与被保护设备导电部分或接地金属部分之间 的空气中距离必须足够大，在冲击接地电阻不能做到很小的情况下，可将避雷针的接地体与变电所的地网 相连，但应该特别注意避雷针接地体与变电所地网的连接点到35千伏及以下设备的接地线入地点，沿接地 体的地中距离应大于15米的防范措施，为类似雷电反击事故的分析提供具有重要参考价值的信息。
额定容量 额定电压 额定电流 联结组别 冷却方式 生产厂家 出厂日期 投运日期
（a）
（b）
图 2 高厂变上方放电烧伤痕迹
经调查保护和故障录波，继电保护在故障后 36ms 动作出口，高厂变带厂用电开关、并 网开关、灭磁开关在故障后 50-74ms 相继跳闸。故障发生后高厂变 T1 的高压侧最大故障电 流达到了其额定电流的 14.4 倍，S1 开关的最大故障电流达到其额定电流的 3.6 倍。由于发 电机 G 与故障点之间无开断点隔离， 高厂变 T1 高压侧电流 819ms 衰减为零， 发电机机端电 压衰减为剩磁电压。 图 3 为高厂变低压侧电压 6.3kV 母线段电压录波图， 纵轴代表电压二次 值，其额定值为 100V。
表 1 高厂变设备参数
项 型 目 号 内 容
SFF10-31500/15.75 31500/20000-20000kVA 15.75/6.3-6.3kV 1154.7/1832.9-1832.9A Dd0-d0 ONAN/ONAF (60%/100%) 保定天威集团特变电气有限公司 2005 年 11 月 2006 年 1 月
dk Us 500 0.3Rc 0.1h
（5）
将电厂 Rc =15 、高厂变放电位置高度 h=3.19m 代入式（5）得到间隙距离 d k 不得小于 4.819m， 而现场测量 A 列墙顶中间避雷器裸露在外的接地引下线和 T1 高厂变的高压侧封闭 母线间的距离仅为 4m。 由于裸露在墙顶的避雷针引下线对被保护设备的空气间隙 d k 不够大，这就使得雷击避 雷针时，雷电流流经接地引下线，在接地电阻和避雷针铁塔本身的电感上产生的压降，在这 一空气间隙中发生击穿放电， 形成雷电反击过电压击穿放电， 从而使设备外壳与设备的导电 部分之间产生了高电压。 与此类似，由式（4）可以计算出图中避雷针的接地装置对被保护设备接地装置之间的 反击电压约为 2250kV，该电厂土壤电阻率 500 m ，而在这种土壤电阻率条件下，冲击 波沿地中埋线流动 15m 后，幅值才可以衰减到原来的 22%[1]，而现场测绘避雷针引下线入 地点与高厂变接地引下线入地点，沿接地体的长度距离 d 为 5.1m，算上高厂变接地引下线 位置到高压侧封母放电点间的金属外壳距离也不够 15m。如果按照 15m 计算，衰减后幅值 约为 495kV。 而在高厂变低压侧硬母排 a1、b1 两相与高压侧封闭母线 A 相外壳间的直线距离仅为 0.65m，如图 6 所示。以空气绝缘的平均耐压强度为 500kV/m 计算，只要有 325kV 就可以将 其击穿。
4
防范措施
（1）为了防止雷电反击过电压击穿事故，避雷针接地装置的接地电阻必须足够小，避 雷针引下线与被保护设备导电部分或接地金属部分之间的空气中距离必须足够大。 （2）在实际冲击接地电阻不能做到很小的情况下，可将避雷针的接地体与变电所的地 网相连，但应该特别注意避雷针接地体与变电所地网的连接点到 35kV 及以下设备的接地线 入地点，沿接地体的地中距离 d 应大于 15m，以避免对设备的反击事故的发生。 （3）改变高厂变接地引下线与主接地网连接点的位置，从高厂变接地端子引出的接地 线在地中绕接后， 连接到主接地网， 使得连接点到避雷针引下线与主地网连接点导体距离满 足不小于 15m；将高厂变和主变区域 A 列墙顶上的三只避雷针用扁钢做电气连接，将中间 避雷针原有引下线在连接点处断开，使得避雷针距设备距离不小于 5m。