黄之玉
中石化重庆涪陵页岩气勘探开发有限公司 重庆 408014
摘要：变电站、输电线路是电力系统的重要组成部分，每年遭受雷击保护跳闸造成多起停电事故，严重影响页岩气产量。本文阐述了气田前期电网分布情况及存在的问题，对主动式变能防雷系统进行了介绍，从变电站和输电线路两方面深入探讨了主动式变能防雷系统在涪陵页岩气田的实际应用，及时采取措施避免雷击伤害和减少雷击造成的损失，保障气田生产的连续性。
关键词：防雷系统；跳闸；主动式变能防雷系统；涪陵页岩气田
前言
涪陵页岩气田位于重庆市涪陵区境内，由于地层较为复杂，热力状况差异也较大，容易产生空气对流，因而出现积雨云的概率较大。而起伏的山峦又使得空气对流运动呈现一种非常不规则的乱流状态，并能影响到相当高的高度，容易生成雷电天气。此外，不稳定的暖湿气流进入山区，受地形作用的抬升，也极易成为积雨云[1]。因此，出现雷电的频率要比平原或盆地多一些。
涪陵页岩气田按照国家规范设计并建设的变电站、10kV线路，每年遭受雷击保护跳闸造成瞬间停电多达数十次。全面实施增压开采后，变电站、10kV线路停电对生产造成较大影响，会造成大范围停产，产量损失比较严重；同时，在雷雨恶劣天气下，开展集气站复产，对人员、增压设备存在较大的安全事故风险。经统计，2019年雷击跳闸17次，影响页岩气产量165万方。
江汉油田110kV江汉变电站地处重庆市涪陵区焦石镇，该站建于山区，地势较高，站内部分外露金属皆处于高处，易引雷遭受雷击，从而造成大面积停电、设备损坏、人身安全、火灾等安全隐患。10kV江油二线全程16.2 km，有塔杆158基，气候比较潮湿，日照时间较长，年平均雷暴日达到49日，属于多雷区域。线路架设于高山峻岭地带，塔杆本身又高出地面10-30 m，线路绵延10几km，故线路落雷密度大，遭受雷击跳闸停电的概率高[2]。作为110kV江汉变电站和35kV焦石变电站的联络线，一旦停电将直接影响两座变电站紧急故障情况下的互为备用功能，以及自身担负的9座增压站和12台压缩机的供电保障。因此，只有做好防雷措施才能有效保障输电线路的安全性，保障油田生产安全、有效的进行。
本文采用主动式变能防雷技术，在保留原有防雷设施的基础上，增设主动式变能防雷系统，对现有变电站、输电线路的防雷设施进行加强改造，减少遭雷击概率，提升雷电防护能力，保障气田安全生产。
1 气田前期电网分布情况及存在的问题
1.1 气田前期电网分布情况
目前气田以110kV江汉变电站、35kV焦石变电站及35kV梓白变电站为主要供电电源，以10KV江油一线、江油二线、江油三线、江油四线、焦气一线、焦气二线、乌江北线（南区支线）及江东线为主要供电路径，平桥北区10kV宏中、宏石线、183支线构成保障气田生产的供电网系统。
110kV江汉变电站是涪陵页岩气田唯一枢纽变电站，位于涪陵山区雷电活动频繁区域。关键设备20MVA主变及配套设备位于室外，一旦遭受雷击损坏，因现有备用3.15MVA主变容量过小，将会造成周边备用电源将无法担负现有全部32座增压站45台压缩机的供电保障。按照45天维修或设备采购、安装周期，110kV江汉变电站主变故障，影响产量将达到0.7亿方。
1.2存在问题
1.2.1 引雷装置问题
江汉变电站各工作区上端有金属装置，江油二线及涛汉线输电线路的电杆通过内部的钢筋接地，属于硬接闪，雷电流通过引下通道导入大地，塔杆上端有金属装置，对变电站和线路来说都是引雷装置。这些引雷装置平时裸露于空气中，因空中雷云感应、磁场变化被切割、电场非限线变化等原因，易产生静电荷或雷电流，并将雷电流引入大地进行释放。
1.2.2接地电阻问题
山区地质岩石较多，接地电阻很难达到理想要求。若存在接地电阻较高或接地不良等不合理情况，一旦有形成雷的条件时，地表电荷产生雷累积效应，通过塔杆及其周围放电，易产生静电火花或隐型火花。雷电流无法有效释放并形成反压，最终会导致输电线路和设备故障。
1.2.3 雷电流的热效应及其危害
雷电流通过导体时，能使放电通道的温度高达数万度，在极短时间内将电能转换成大量的热能。雷击点的发热能量巨大，能够使温度达到6000℃以上的温度，从而造成施工设备烧毁甚至融化[3-5]。电器设备上通过安装氧化锌避雷器，可以保护设备免受雷电过电压的损害，但因氧化锌避雷器的使用效果同样受到接地电阻效果的影响，强大的雷电流释放到大地，极易受到反压，对设备造成二次损坏。
1.2.4 防雷规范问题
社会在快速发展，技术也在大幅度进步，防雷规定却停滞不前。日常防雷检测仅针对局部，不对整个输电线路防雷系统的有效性开展检测评估。
当前设计主要依据《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010）和《石油与石油设施雷电安全规范》（GB15599-2009）[6-7]。上述规范中仅对单个设施给出了防雷的做法，没有区域防雷的规定，即：规定了“点”的防雷做法，没有规定“整体”的防雷做法。这也是我国在防雷领域内的缺陷。由于现行法规的局限，从设计施工到运行维护检测，停留在“点”的层面，难以保证整个系统的有效性。
1.2.5雷击跳闸问题
雷电跳闸主要受绝缘水平低和地面倾角变化的影响。根据通用标准，10kV配电线路的绝缘水平较低，雷闪放电引起导线对地闪络是无法避免的，当冲击闪络转为稳定的工频电弧形成相间短路，从而引发10kV配电线路跳闸。10kV线路雷击跳闸是正常现象，因此多配合重合闸恢复送电。地面倾角使10kV配电线路感应雷受雷范围和直击雷引雷范围发生变化。涪陵电网10kV线路杆塔由于地形的限制，位于山顶的居多，从而造成遭雷击的概率大。
2.主动式变能防雷系统
2.1系统简介
主动式变能防雷系统是一种区域性防雷系统，通过装置的布局，目的在于降低所保护区域的引雷概率，让所保护区域“不落雷”。区别于传统的引雷再释放的方式，主动式变能防雷系统是在雷电形成的初期进行干预，在雷击发生之前，该装置将地面因空中雷云感应而生成并聚集的电荷释放，以降低与带电云极性相反的导体表面电荷密度和场强，破坏雷电生成的条件，尽可能地降低区域内地面物体尖端对雷云电荷的感应电位，使区域内物体的感应电位低于区域外的物体，从而改变区域内物体尖端被放电的条件，通过改变放电通道达到防雷目的。
该型防雷接地装置是由外壳、内芯与其中间介质组成的封闭式设备，不仅具有极性可变的性能，而且具有低阻抗瞬间导通的性能，能很好的适应雷电不同级性脉冲的冲击。该装置在充电状态时，一旦达到规定电压值，就能启动钳位功能，使电压不再上升，大量的充电电流就会在装置内部产生磁场，在铁芯内部产生涡流，用以将电能变为热能，通过升温散热来释放原来的电荷能量（部分能量转化为化学能与电磁能）。因此，破坏雷云所带电荷与地面电荷的平衡，无法达到击穿空气形成雷击的条件，从而实现对保护对象的有效保护。
2.2系统工作原理
带电雷云经过输电线路塔杆上空时，地面感应电荷经连接线向主动式变能防雷装置和易遭雷击设施汇集。经过组合式防雷接地装置时，电荷能量会被消耗，同时降低塔杆的感应电位，无法形成放电通道，从而阻断保护区域内雷电的形成，以达到防雷的目的。
变能防雷系统主要从有源防护和无源防护两个方向完成，由“双向输出变能避雷针”、“组合式变能接地装置”、“电源防雷柜”、“地基矩阵”组成。基于能量守恒定律，根据低电位，非线性理论，利用低阻抗电容、封闭式电磁场等组合式变能技术而设计开发。其主要工作原理是在打雷发生之前，将地面因空中雷云感应而生成并聚集的电荷能量吸收、变能再释放掉，从而破坏雷电生成的条件，保护区域内不再引雷，从而避免雷击损害。不依赖于接地电阻和地势地貌，解决了目前防雷地线难制作、难达标、效果不好的难题。如图1，主要表现在：（1）塔1、塔2与雷云负电荷同时感应相同能量的正电升荷，谁的感应电位抬到放电级别时，谁就会被放电；（2）塔2接入组合式变能防雷系统后，塔2的正电荷在移动中会被装置消耗并能量转化，从而塔2尖端的感应电位抬升会比塔1慢，那么塔1就会先放电，形成落雷；（3）自然界中雷电放电的通道有很多，雷电能量会在纳秒内的时间释放，所以雷电流会从最先放电的通道去泄放。
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图1 变能防雷系统工作原理示意图
2.3系统功能
2.3.1 主动式变能防雷装置（BNFL-B1）
当带电的雷云出现时,外露金属积累的正电荷以及主动式变能防雷装置周边的正电荷通过对主动式变能防雷装置的充电过程，存储在主动式变能防雷装置中，最终通过装置内部特定介质（固体电解质）的缓慢化学过程被消耗，局部降低与带电云层极性相反的地电荷的密度与场强，从而降低引雷的概率。
2.3.2 双向输入变能避雷针（BNFL-A1）
双向输入变能避雷针（BNFL-A1）由转化装置与感应针组成。转化装置内部存在特殊介质，可以从自然界的电场中吸收、消化能量并快速释放能量。释放的能量再经转化装置传递至感应针。安全接地棒与大地有良好的电气连接，处于等电位状态。感应针在感应到很低的电场强度时就会自发启动工作，无需人为干预。
2.3.3 变能防雷柜（BNFL-C1）
为了防止雷电流通过架空线路侵入，同时又降低电源回路的雷电残压功能，可以使用原接地网或接地棒作为变能防雷系统的地电荷接受带，通过变能防雷装置来吸收并转化通过大地传输集聚的感应电荷，降低保护体的感应电位。通过以上措施，完全可以降低被保护单位立体空间的感应电荷，持续拉低雷云时被保护单位感应电位抬升幅度，以至于达不到雷电放电条件，从而达到防雷目的。
3 防雷整改效果
涪陵页岩气田位于涪陵，属于高雷区，2019-2020年，因雷击共造成线路停电43次。为了降低雷电对电网的危害，工区积极采用主动式变能防雷装置等新技术、新设备。2019年11月对110kV江汉变电站、10kV江油二线试点安装主动式变能防雷装置系统,截至目前，均运行良好，且自投运后，10kV江油二线从未因遭受雷击而跳闸，效果显著。
4 结语
提升110KV江汉变电站、江油二线输电线路的整体防雷水平，降低遭雷击的风险，保障输电线路稳定工作，为油田的安全生产保驾护航，具有一定的经济效益和社会效益。
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