周利兵，付 興，周 勇，張 昇，曾耀吾，劉文洵，安正洲

(1. 新疆電力公司 電力科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊830011;2. 山東電力集團(tuán)公司 檢修公司，山東 濟(jì)南250021;3. 長沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙410076)

0 引言

長期以來，雷電嚴(yán)重威脅到礦區(qū)電網(wǎng)安全、可靠供電。尤其是雷電波侵入到變電站［1］，打壞主變，造成大面積停電，導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)、排水、緊急升降等系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。由于許多礦井都是重瓦斯礦，一旦停電，瓦斯超標(biāo)，會(huì)嚴(yán)重威脅到礦工的生命安全。因此，對(duì)礦區(qū)供電的安全性提出了更高要求，務(wù)必保證供電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行［2］。本文以一起該礦區(qū)110 kV 變電站主變?cè)馐芾缀κ鹿?35 kV 側(cè)繞組絕緣破損)為例，通過對(duì)現(xiàn)場雷擊點(diǎn)以及避雷器引下線入地和計(jì)數(shù)器動(dòng)作情況進(jìn)行仔細(xì)檢查。在對(duì)受損主變進(jìn)行相關(guān)高壓試驗(yàn)的基礎(chǔ)上以及結(jié)合避雷器動(dòng)作情況對(duì)主變雷害事故發(fā)生原因進(jìn)行深入分析，找出主要原因，提出相應(yīng)解決辦法，并通過ATP-EMTP 電磁暫態(tài)仿真軟件對(duì)采取改造措施之后的雷電防護(hù)效果(限制從線路側(cè)侵入到變電所的雷電過電壓波的峰值和陡度［3］，從而保護(hù)主變壓器繞組絕緣不被擊穿)進(jìn)行仿真分析，為礦區(qū)電網(wǎng)防雷提供相關(guān)參考。

1 變電站防雷裝置配置及故障發(fā)生過程

1.1 事故前運(yùn)行方式

該110 kV 變電站，設(shè)兩臺(tái)50 000 kVA 主變，用兩回電源線路供電，GIS 進(jìn)線開關(guān)柜內(nèi)分別裝一組避雷器，110 kV I，II 段母線均安裝避雷器，35 kV I，II 段母線PT 柜內(nèi)各安裝一組避雷器，1號(hào)和2 號(hào)主變35 kV 開關(guān)側(cè)各安裝一組避雷器。變電站35 kV 出線4 回，均采用電纜出線，出線開關(guān)柜各安裝一組避雷器，且在出線端桿塔上都安裝線路避雷器。

1.2 事故發(fā)生過程

某日該地區(qū)為雷雨天氣，22 時(shí)13 分雷電活動(dòng)加劇，該變電站35 kV 出線I 回凌晨1 時(shí)2 分因雷擊過流I 段動(dòng)作掉閘;凌晨1 時(shí)3 分35 kV 出線II 回線路過流I 段動(dòng)作掉閘;凌晨1 時(shí)3 分該變電站1 號(hào)主變比率差動(dòng)、重瓦斯保護(hù)動(dòng)作掉閘，值班員立即將情況匯報(bào)調(diào)度中心，并逐級(jí)上報(bào)。經(jīng)上級(jí)領(lǐng)導(dǎo)同意，凌晨1 時(shí)5 分合上110 kV 母聯(lián)100 開關(guān)，并合上35 kV 母聯(lián)3 000 開關(guān)，由于1號(hào)主變退出，運(yùn)行方式改為2 號(hào)主變帶35 kV I，II 段母線運(yùn)行。

2 現(xiàn)場檢查及試驗(yàn)情況分析

2.1 線路現(xiàn)場檢查

經(jīng)現(xiàn)場查看，35 kV 出線I 回線路27 號(hào)桿塔上的B 相絕緣子瓷瓶被打炸(如圖1)，29 號(hào)桿塔上B，C 相絕緣子發(fā)生閃絡(luò)。同時(shí)據(jù)線路工反映，35 kV 出線I 回線路多處桿塔上絕緣子因雷電過電壓而發(fā)生閃絡(luò)，有燒傷痕跡。經(jīng)分析，當(dāng)晚雷電活動(dòng)劇烈，極有可能遭受多重雷擊，35 kV出線普遍采用4 片瓷式絕緣子，因?yàn)槠? 片防污瓷式絕緣子的全波雷電沖擊放電電壓通常在420 kV 左右，并且由于礦區(qū)污染較為嚴(yán)重，很有可能出現(xiàn)低值甚至零值絕緣子(日常檢修相對(duì)缺乏，即使出現(xiàn)也沒有進(jìn)行正常更換)，而雷電感應(yīng)過電壓幅值高達(dá)幾十萬V，發(fā)生瓷瓶被雷電打炸也是情理之中。

圖1 絕緣子打壞圖

2.2 避雷器動(dòng)作及接地情況

35 kV 母線I 段避雷器B 相動(dòng)作3 次，C 相動(dòng)作2 次，出線I 回終端桿塔上線路避雷器A 相動(dòng)作4 次，C 相動(dòng)作2 次，35 kV 母線II 段避雷器計(jì)數(shù)器無動(dòng)作記錄。通過對(duì)35 kV 出線終端桿塔線路避雷器接地引下線進(jìn)行勘察，發(fā)現(xiàn)其與鋼架接觸存在很大問題，僅通過螺絲扣緊，接觸面很小。當(dāng)避雷器動(dòng)作，由于接觸不完全，不能迅速泄流，且造成引線上的壓降過高，極有可能導(dǎo)致雷電過電壓波侵入到變電所。該變電站建站時(shí)間長達(dá)30多年，由于后期增容，改造成110 kV 變電站，當(dāng)初改造時(shí)并未對(duì)進(jìn)線段的桿塔做專門降阻處理，用搖表實(shí)測(cè)桿塔接地電阻高達(dá)34 Ω，盡管避雷器動(dòng)作泄流，但是地電位的抬升疊加引線的壓降以及避雷器的殘壓就極有可能對(duì)主變壓器的絕緣造成嚴(yán)重威脅。站內(nèi)母線側(cè)避雷器入地直接與主地網(wǎng)相連，用大電流法(調(diào)用變電站所變，以提供大電流達(dá)70 A)測(cè)量主地網(wǎng)接地阻抗為0.32 Ω，符合規(guī)程要求。

2.3 主變?cè)囼?yàn)情況

礦區(qū)供電公司組織相關(guān)人員對(duì)1 號(hào)主變進(jìn)行試驗(yàn)，數(shù)據(jù)如表1，2，3 所示。

表1 絕緣電阻試驗(yàn)

表2 絕緣電阻試驗(yàn)

根據(jù)上述絕緣電阻、直流電阻試驗(yàn)以及油色譜測(cè)試數(shù)據(jù)，低壓側(cè)絕緣為零，直流電阻嚴(yán)重超標(biāo)，且總烴也出現(xiàn)超標(biāo)，得出結(jié)論:1 號(hào)主變高壓繞組數(shù)據(jù)正常，低壓繞組B 相存在頭尾短路接地。

2.4 吊罩檢查

檢查1 號(hào)主變吊罩情況發(fā)現(xiàn):高壓110 kV 側(cè)繞組絕緣基本完好，低壓35 kV 側(cè)繞組B 相存在匝間短路，局部嚴(yán)重受損、變形，絕緣破裂，且內(nèi)部有熔融顆粒，如圖2。

表3 1 號(hào)主變瓦斯氣體油色譜測(cè)試 μL/L

3 雷害事故主要原因及改造措施

3.1 主變雷害事故發(fā)生主要原因

該次事故的主要原因是35 kV 側(cè)線路雷電過電壓侵入到變電所，使主變絕緣被擊穿。但仍然是以感應(yīng)過電壓為主，因?yàn)楦袘?yīng)過電壓主要影響110 kV 及以下電網(wǎng)。首先是35 kV 線路沒能通過進(jìn)線段保護(hù)對(duì)沿線路侵入的雷電沖擊波進(jìn)行有效限制。因?yàn)?5 kV 線路采用4 ～5 片絕緣子，其線路的全波雷電沖擊放電電壓在420 ～500 kV 左右，而變電站主變壓器35 kV 側(cè)的全波雷電沖擊耐受值則在200 kV 左右［4］(參考GB 1 094.3-2003)，故線路的絕緣水平與變電站的絕緣水平配合存在一定矛盾。一旦線路有雷電沖擊波時(shí)，由于線路絕緣水平較高，進(jìn)線段防護(hù)較弱，雷電沖擊波不能得到有效的限制，從線路側(cè)侵入變電所的雷電波幅值就有可能達(dá)到400 kV 及以上巨大的雷電沖擊電流，極有可能威脅到主變的絕緣等級(jí)。

3.2 主要改造措施

針對(duì)礦區(qū)此次主變雷害事故，其主要原因是進(jìn)線段保護(hù)相對(duì)薄弱，沒能夠限制從線路側(cè)侵入到變電所的雷電過電壓波，從而使主變繞組絕緣受到損害，故提出對(duì)進(jìn)線段采取差異性防雷措施。所謂進(jìn)線段差異性防雷，對(duì)變電站進(jìn)線段前四級(jí)桿塔安裝差異性可調(diào)式保護(hù)間隙，通過調(diào)整保護(hù)間隙的動(dòng)作值，其目的就是為了解決線路側(cè)與變電站絕緣水平配合存在的問題，在兩者之間起一個(gè)橋梁的作用，更好地銜接兩者之間的絕緣等級(jí)。保護(hù)間隙的動(dòng)作值大小主要參考母線側(cè)避雷器的雷電沖擊殘壓來設(shè)定，高于其20% ～28%，而不是線路絕緣子的U50%沖擊耐受，因?yàn)橹熬€路絕緣水平較高，并從終端塔開始逐次提高間隙動(dòng)作值3% ～5%。若間隙動(dòng)作值取再低一些，進(jìn)線段絕緣水平下降過多;若動(dòng)作值取較高，則不能很好限制雷電侵入波。35 kV 側(cè)避雷器標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊殘壓為134 kV 左右，而主變絕緣雷電沖擊耐受達(dá)200 kV，故取間隙動(dòng)作值高于避雷器雷電殘壓20% ～28%，相對(duì)來說更安全可靠。

3.3 可調(diào)式保護(hù)間隙結(jié)構(gòu)及原理

保護(hù)間隙與終端塔線路避雷器相互配合，通過調(diào)整間隙大小使其先于避雷器放電，進(jìn)而削弱避雷器所承受的雷電沖擊。保護(hù)間隙擁有其自身優(yōu)點(diǎn):絕緣恢復(fù)速度快、穩(wěn)定、非易損件。其安裝示意圖如圖3。保護(hù)間隙應(yīng)用到進(jìn)線段，其本質(zhì)就是提供了另外一種有效雷電放電通道，故其對(duì)避雷器來說，是一種補(bǔ)充、完善。

圖3 已安裝35 kV 可調(diào)式保護(hù)間隙示意圖

4 改造措施的防雷效果仿真對(duì)比分析

采用ATP/EMTP 對(duì)35 kV 架空線路遭受雷擊時(shí)，對(duì)變壓器35 kV 側(cè)線路遭受雷電過電壓情況進(jìn)行仿真研究分析。并對(duì)進(jìn)線段安裝差異性可調(diào)式保護(hù)間隙前后變壓器35 kV 側(cè)所遭受的雷電沖擊過電壓情況進(jìn)行對(duì)比分析［5～7］。

(1)35 kV 進(jìn)線段架空線模型

參考設(shè)計(jì)院相關(guān)35 kV 架空線(包括避雷線及耦合地線)設(shè)計(jì)參數(shù)，線型:LGJ-120，弧垂3.2 m，水平偏移±1.8 m，呼高27.6 m，檔距170 m，三角形排列;避雷線:GJ-35，與導(dǎo)線垂直距離為3.1 m，弧垂1.7 m;耦合地線:LJ-35，弧垂1.6 m，與導(dǎo)線垂直距離為2.8 m，水平偏移2.0 m;根據(jù)上述相關(guān)實(shí)際參數(shù)，選用ATP 中J．Marti 模型(三相導(dǎo)線、單避雷線、單耦合地線)，其優(yōu)點(diǎn)在于該模型已經(jīng)考慮避雷線、耦合地線一定屏蔽、分流作用。

(2)變壓器模型

變壓器容量為50 MVA，用入口電容來模擬，由變壓器入口電容的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式:

式中:S為變壓器容量(MVA);n為220 kV 及以下電壓等級(jí)，n取3;K為入口電容修正系數(shù)。

(3)差異性保護(hù)間隙閃絡(luò)模型

差異性主要是通過調(diào)整保護(hù)間隙距離的大小來實(shí)現(xiàn)，從終端塔逐次提高5% ～8%，直至第四級(jí)桿塔，每級(jí)間隙相互配合，逐級(jí)動(dòng)作，提供釋放雷電能量通道。選用ATP-EMTP 中的Flash Mode 模型來模擬保護(hù)間隙，終端塔安裝的保護(hù)間隙動(dòng)作值參考母線側(cè)避雷器雷電沖擊殘壓(高于其20% ～28%)，取170 ～175 kV，間隙動(dòng)作值分別取:173 kV，183kV，193 kV，203 kV。

(4)避雷器模型

35 kV 線路避雷器為YH5WX-51/134，額定電壓51 kV，雷電沖擊殘壓134 kV，選用ATP 中MOA模型仿真，參數(shù)設(shè)計(jì)參考其出廠電壓-電流特性。

5 ATP-EMTP 仿真結(jié)果及分析

進(jìn)線段安裝差異性可調(diào)式保護(hù)間隙對(duì)變壓器35 kV 側(cè)遭受雷電沖擊侵入波的影響，現(xiàn)對(duì)35 kV架空線路單相遭受雷擊，對(duì)比進(jìn)線段加裝差異性保護(hù)間隙和未加裝時(shí)變壓器35 kV 側(cè)所遭受的雷電沖擊侵入波的峰值。

通過對(duì)比仿真圖4、圖5 可知，當(dāng)C 相遭受雷擊(Il=5 kA)時(shí)，進(jìn)線段未安裝差異性保護(hù)間隙時(shí)，變壓器35 kV 側(cè)遭受的雷電沖擊侵入波幅值達(dá)到220 kV，而根據(jù)DL/T620-1997 中變壓器35 kV 側(cè)的雷電全波沖擊耐受電壓為200 kV，隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，絕緣會(huì)有所下降，很有可能造成變壓器絕緣受到損壞。而對(duì)進(jìn)線段采取差異性保護(hù)間隙之后，變壓器35 kV 側(cè)遭受的雷電沖擊過電壓為100 kV 左右，僅為加裝保護(hù)間隙前時(shí)的45%。這是因?yàn)楸Ｗo(hù)間隙可以先于絕緣子放電，相當(dāng)于提供了一種額外的雷電能量釋放通道，并通過保護(hù)間隙的逐級(jí)配合，依次釋放相應(yīng)雷電能量，從而削弱侵入到變電所的雷電沖擊波幅值和陡度。最后，通過仿真證明，當(dāng)該35 kV 線路單相遭受雷擊時(shí)，通過進(jìn)線段安裝差異性保護(hù)間隙對(duì)限制侵入到變電所的雷電沖擊波幅值和陡度有很明顯的作用，從而對(duì)主變壓器的絕緣起到很好的保護(hù)作用。

圖4 3 號(hào)節(jié)點(diǎn)遭受雷電過電壓情況

圖5 變壓器35 kV 側(cè)雷電過電壓情況

6 結(jié)論

(1)針對(duì)該礦區(qū)110 kV 主變被雷擊打壞進(jìn)行了仔細(xì)分析，通過相關(guān)直流電阻和油色譜測(cè)試分析，其主要原因是由于35 kV 側(cè)線路遭受雷擊，由于進(jìn)線段防雷措施相對(duì)薄弱，沒能很好限制雷電沖擊過電壓波的峰值和陡度，從而導(dǎo)致雷電沖擊過電壓波對(duì)主變壓器的絕緣造成損壞。

(2)對(duì)于上述主要原因，提出對(duì)進(jìn)線段采取差異性防雷措施，對(duì)進(jìn)線段前四級(jí)桿塔安裝差異性可調(diào)式保護(hù)間隙，并通過ATP-EMTP 電磁暫態(tài)仿真軟件對(duì)安裝前后的變壓器35 kV 側(cè)所遭受的雷電過電壓進(jìn)行了仿真對(duì)比分析，仿真結(jié)果表明:進(jìn)線段安裝差異性保護(hù)間隙對(duì)于限制侵入到變電所的雷電沖擊波的峰值和陡度有很好的限制作用，從而保護(hù)主變絕緣免受雷電過電壓擊穿。

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