陳穎之

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)，長(zhǎng)沙 410114)

基于ATP仿真的變電站雷害事故改造研究

陳穎之

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)，長(zhǎng)沙 410114)

介紹了某煤炭企業(yè)35 kV變電站雷擊事故情況并系統(tǒng)分析雷害事故原因。根據(jù)雷擊現(xiàn)場(chǎng)具體現(xiàn)象和變電站規(guī)格參數(shù)，對(duì)產(chǎn)生雷擊的原因逐一進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，確定了是雷電侵入波所致，并提出了在變電站進(jìn)線段架設(shè)避雷線作為保護(hù)裝置、減小避雷器與變壓器之間的電氣距離等改造措施。通過(guò)電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真軟件ATP-EMTP對(duì)變電站進(jìn)線段架設(shè)避雷線前后雷電侵入波對(duì)變壓器造成的最大沖擊電壓進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證改造措施的可行性。

35 kV變電站；雷電侵入波；電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真；防雷改造

變電站是電力系統(tǒng)中的重要傳輸環(huán)節(jié)，擔(dān)負(fù)著重要的供變電任務(wù)，如果發(fā)生雷害事故，往往會(huì)造成正常工作中的變壓器損壞，并造成電網(wǎng)供電的不穩(wěn)定，甚至導(dǎo)致電網(wǎng)崩潰，嚴(yán)重影響供電可靠性，所以變電站的防雷保護(hù)必須是非?？煽康摹Ｄ趁禾科髽I(yè)35 kV 1號(hào)變壓器受到雷擊，變壓器損壞，避雷器保護(hù)無(wú)動(dòng)作，導(dǎo)致企業(yè)大面積停電，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重[1-3]。本文對(duì)變電站遭受的雷擊情況進(jìn)行數(shù)值分析，找到造成雷害事故發(fā)生的可能原因，初步給出該變電站防雷改造設(shè)計(jì)，并使用電磁暫態(tài)仿真軟件ATP-EMTP進(jìn)行仿真以驗(yàn)證其可行性。

1 變電站概況

該企業(yè)35 kV變電站位于福建省山區(qū)，占地48.5×24.6 m2，平均年雷暴日45天，屬于多雷區(qū)。該地區(qū)土壤平均電阻率ρ=400 Ω·m。該變電站設(shè)有2條進(jìn)線，4條出線，主要承擔(dān)為該煤炭企業(yè)其他煤礦供電的任務(wù)。該變電站設(shè)有2根等高避雷針，避雷針高度h=35 m，避雷針間距D=50 m，站內(nèi)被保護(hù)物高度最高點(diǎn)為hx=9.5 m，1號(hào)變壓器距1號(hào)避雷針20 m。 變電站簡(jiǎn)化分布圖如圖1所示。

圖1 變電站分布圖

2 事故原因分析

通常來(lái)說(shuō)，造成變電站雷害事故的原因有兩種：雷電直擊變電站；變電站進(jìn)線段線路遭受雷擊(雷電流以雷電侵入波的形式進(jìn)去變電站，并超過(guò)變壓器的最大承受電壓)。

2.1 變電站直擊雷保護(hù)

一般情況下為了防止雷電直擊變電站，通常會(huì)采用裝設(shè)避雷針的方式進(jìn)行保護(hù)，裝設(shè)避雷針的原則應(yīng)該是不僅保證所有變電站區(qū)域內(nèi)的設(shè)備都處在避雷針的保護(hù)范圍之內(nèi)同時(shí)還應(yīng)該避免因避雷針與變電站內(nèi)被保護(hù)物電氣距離過(guò)近而引起反擊[3-5]。

2.1.1 避雷針保護(hù)范圍計(jì)算

根據(jù)變電站所給資料，二等高避雷針保護(hù)范圍示意圖如圖2所示。

圖2 二等高避雷針保護(hù)范圍示意圖

(1)

(2)

由式(2)可知，rx=31.15 m。

bx=1.5(h0-hx)=26.73

根據(jù)該變電站所提供的數(shù)據(jù)，可畫(huà)出變電站平面占地示意圖如圖3所示。通過(guò)數(shù)值計(jì)算可以得出結(jié)論，該變電站二等高避雷針的保護(hù)范圍大于變電站占地面積，可以保護(hù)變電站內(nèi)所有設(shè)備。由此可知該變電站雷害事故的原因并在此。

圖3 變電站平面占地示意圖

2.1.2 變壓器受到避雷針?lè)磽羟闆r

對(duì)于35 kV變電站，變壓器必須與避雷針在空氣中及地下相隔一定的距離，以保證當(dāng)避雷針遭受雷擊時(shí)，避免反擊變壓器造成事故(如圖4所示)，當(dāng)雷擊避雷針時(shí)，雷電流經(jīng)避雷針及其接地裝置，因雷電流幅值較大，所以在避雷針h高度處和避雷針接地裝置上會(huì)出現(xiàn)高電位uk和ud。

(3)

ud=iLRch

(4)

圖4 避雷針離配電架構(gòu)的距離

而Rch=αchRg

(5)

根據(jù)在變電站的實(shí)地測(cè)量，Rg=7.5 Ω，小于10 Ω的上限，α取0.8，則計(jì)算得Rch=6 Ω。

為了防止避雷針對(duì)被保護(hù)設(shè)備因?yàn)閮烧咧g的空氣間隙SK過(guò)小而造成反擊，要求SK必須大于一定距離，若設(shè)空氣平均耐壓強(qiáng)度為500 kV/m，根據(jù)式(3)、式(4)可得

Sk>0.3Rch+0.1h=5.3 m

Sd>0.3Rch=1.8 m

根據(jù)計(jì)算，為了避免反擊，變壓器與避雷針的空氣中的應(yīng)大于5.3 m，地下距離應(yīng)大于1.8 m。但在實(shí)際工程應(yīng)用中，SK不應(yīng)小于5 m，Sd不應(yīng)小于3 m。將該變電站實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)SK實(shí)際=8.5 m，Sd實(shí)際=6 m與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)均符合要求。由此可知當(dāng)雷擊避雷針時(shí)，變壓器未受到避雷針?lè)磽?，排除這個(gè)原因。

2.2 變壓器遭受雷電侵入波侵害情況

一般情況下，變電站都裝設(shè)有避雷針以避免直擊雷對(duì)被保護(hù)設(shè)備造成損害，因此雷電擊中變電站進(jìn)線段的概率遠(yuǎn)比雷直擊變電站的概率大。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司的統(tǒng)計(jì)，絕大部分的變電站雷害事故都是由雷電擊中進(jìn)線段線路所產(chǎn)生的雷電侵入波造成的[6-8]。通常為了保護(hù)變電站中的設(shè)備，變電站中限制雷電侵入波過(guò)電壓的主要措施是安裝避雷器，以保證當(dāng)發(fā)生雷電侵入波進(jìn)入變電站時(shí)被保護(hù)設(shè)備上的所受最大沖擊電壓小于其耐壓值。同時(shí)為了保證變壓器和其他設(shè)備的安全運(yùn)行，必須對(duì)流經(jīng)避雷器的電流進(jìn)行限制使之不得高于5 kA。同時(shí)也必須限制侵入波陡度和設(shè)備離開(kāi)避雷器的電氣距離。

該35 kV變電站在1號(hào)主變高壓側(cè)和低壓側(cè)安裝閥型避雷器，避雷器距離變壓器25 m，變電站進(jìn)線段長(zhǎng)度，l=1 km，進(jìn)線段導(dǎo)線懸掛的平均高度hd=12 m。當(dāng)進(jìn)線段遭受雷擊時(shí)，F(xiàn)Z-35型避雷器進(jìn)線段落雷，流徑單路進(jìn)線變電站避雷器電流最大值的計(jì)算結(jié)果如表1所示。變壓器多次載波耐壓值Uj與避雷器殘壓Uc.5的比較如表2所示。由表1和表2可知，避雷器的沖擊放電電壓u=350 kV，設(shè)備多次截波耐壓值Uj=196 kV，避雷器上5 kA下的殘壓Uc.5=134 kV。

(6)

由式(6)可計(jì)算得α=477 kV/μs

表2 變壓器多次截波耐壓值Uj與避雷器殘壓Uc.5的比較 kV

表1 FZ-35型避雷器進(jìn)線段外落雷，流經(jīng)單路進(jìn)線變電站避雷器電流最大值的計(jì)算值 kV

在對(duì)該35kV變電站實(shí)地勘察時(shí)發(fā)現(xiàn)，因該變電站建成時(shí)間較早，進(jìn)線段均未裝設(shè)保護(hù)裝置。通過(guò)計(jì)算分析可以知道，在35 kV配電線路中，為了使閥式避雷器能可靠有效地保護(hù)變電站內(nèi)的電氣設(shè)備，必須使流經(jīng)避雷器的電流幅值小于5 kA。但對(duì)于35 kV無(wú)保護(hù)進(jìn)線段線路來(lái)說(shuō)，當(dāng)雷電直擊變電站附近的線路時(shí)，流經(jīng)避雷器的電流很可能超過(guò)5 kV，來(lái)波陡度也會(huì)超過(guò)允許值，使避雷器失效。假設(shè)雷擊發(fā)生在距離1號(hào)變壓器進(jìn)線端0.2 km處。此時(shí)由式(6)可計(jì)算出進(jìn)入變電站的雷電波陡度。

則可求出此時(shí)1號(hào)變壓器所受最大沖擊電壓Um為

遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)變壓器多次截波耐壓值196 kV，所以通過(guò)分析可知，即使該變電站避雷器能夠可靠的保護(hù)電氣設(shè)備，但因未裝設(shè)保護(hù)裝置，當(dāng)及線段遭受雷擊時(shí)，避雷器上所受最大沖擊電壓將會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于耐壓值，而且來(lái)波波陡度也會(huì)超過(guò)允許值，使得變壓器遭受損壞。所以，該變電站進(jìn)線段未設(shè)置保護(hù)裝置是發(fā)生雷害事故的原因之一。

3 改造措施

(1)調(diào)整避雷器安裝位置，使避雷器與變壓器的電氣距離小于最大允許電氣距離，以保證當(dāng)雷電侵入波由線路傳到變電站時(shí)，避雷器能及時(shí)動(dòng)作保護(hù)變壓器不受損壞，防止類似事故再次發(fā)生。

(2)增加變電站進(jìn)線段保護(hù)。通常進(jìn)線段保護(hù)是指在臨近變電站的1～2 km的一段線路上加強(qiáng)防雷保護(hù)措施。考慮到變電站當(dāng)?shù)氐牡匦螚l件，在距變電站1 km處架設(shè)避雷線，保護(hù)角設(shè)置為左右，以保證線路具有較高的耐雷水平，減小該段線路由于繞擊和反擊形成雷電侵入波的概率。如圖5所示。

圖5 進(jìn)線段保護(hù)

(3)在變電站進(jìn)線段安裝可調(diào)式保護(hù)裝置作為特殊進(jìn)線段保護(hù)。對(duì)配電線路進(jìn)入變電所的前5級(jí)桿塔用可調(diào)式保護(hù)間隙設(shè)置進(jìn)線段防雷保護(hù)，把高幅值的雷電侵入波電壓在進(jìn)線段上的間隙泄放掉，并通過(guò)與變電站的避雷器相配合，保護(hù)變電站的防雷安全。

本文將就改造措施進(jìn)行ATP仿真，以觀察改造措施的效果，驗(yàn)證其有效性。

圖6 雷擊進(jìn)線段仿真模型(架設(shè)避雷線前)

圖7 雷擊進(jìn)線段仿真模型(架設(shè)避雷線后)

圖8 雷電流波形

4 ATP-EMTP仿真模型的搭建及驗(yàn)證

根據(jù)改造措施，需要通過(guò)建立ATP仿真模型來(lái)觀察變電站在裝設(shè)避雷線之前和裝設(shè)避雷線后，變壓器上所受電壓的幅值。仿真模型如圖6，圖7所示，具體參數(shù)設(shè)由變電站實(shí)際參數(shù)等值計(jì)算取得。

仿真模型中，假設(shè)線路被一個(gè)幅值為5 000 A的雷電流擊中，雷電流等效電路中，波阻抗設(shè)為300 Ω。雷電流波形如圖8所示。

在仿真模型中，假設(shè)雷擊發(fā)生在距離變壓器進(jìn)線端200 m的位置。通過(guò)仿真測(cè)試，可以得到變壓器上電壓變化量如圖9、圖10所示。

圖9 未架設(shè)避雷線時(shí)，變壓器上電壓變化量

圖9為進(jìn)線段未架設(shè)避雷線時(shí)，線路受到雷擊后，變壓器上電壓的變化情況。

由圖9可知，當(dāng)進(jìn)線段未架設(shè)避雷線時(shí)，線路受到5 kA雷電流侵入后，變壓器所受電壓的幅值為255.4 kV，大于35 kV變壓器多次截波耐壓值196 kV，變壓器會(huì)因電壓過(guò)高而損壞。

圖10為進(jìn)線段架設(shè)避雷線后，線路受到雷擊時(shí)，變壓器上電壓的變化情況。

圖10 架設(shè)避雷線后，變壓器上電壓變化量

由圖10可知，當(dāng)線路進(jìn)線段架設(shè)避雷線后，線路受到5 kA雷電流侵入后，變壓器所受電壓幅值為54.5 kA，低于196 kV的變壓器耐壓值，從而消除了雷電侵入波對(duì)于變壓器的損害。

通過(guò)仿真測(cè)試結(jié)果可以說(shuō)明，架設(shè)進(jìn)線段避雷線對(duì)于該35 kV變電站防雷改造效果明顯，達(dá)到了預(yù)期效果。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)該企業(yè)35 kV變電站雷害事故分析研究，認(rèn)為可能造成雷害事故的原因在于：變壓器與避雷器之間的實(shí)際距離大于最大電氣距離，避雷器無(wú)法保護(hù)變壓器；變電站進(jìn)線段未設(shè)置防雷保護(hù)，導(dǎo)致進(jìn)入變電站的雷電侵入波幅值過(guò)大，大于變壓器最大耐壓值。

針對(duì)這些原因制定了有針對(duì)性的改造措施：(1)使閥型避雷器盡量靠近被保護(hù)設(shè)備，至少應(yīng)小于最大允許電氣距離，以保證避雷器起到應(yīng)有的保護(hù)作用；(2)為了保護(hù)變電站安全，避免或減少變電站雷電侵入波事故的發(fā)生，應(yīng)在變電站進(jìn)線段1 km內(nèi)加裝保護(hù)角為的避雷線。

根據(jù)改造措施，利用ATP-EMTP軟件建立仿真模型，對(duì)改造后效果進(jìn)行驗(yàn)證，仿真結(jié)果證明，改造措施效果明顯，切實(shí)可行。

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(本文編輯：楊林青)

Lightning Protection Transformation in Substation Based on ATP Simulation

CHEN Yingzhi

(Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China)

This paper introduces the lightning accident in a 35kV substation of a coal company and analyzes the causes of the accident. According to the specific situation and substation specification parameters on the scene of the lightning accident, numerical analysis was carried out on the causes of lightning strike one by one, and it was determined that the accident was caused by lightning invasion wave. It also proposes some transformation measures, such as installing lightning shield line as protective device in the substation input line segment, and reducing the electric distance between the lightning arrester and transformer. ATP-EMTP was used to simulate the maximum impact of lightning invasion wave voltages on transformer before and after the installation of lightning shield line, thus verifying the feasibility of the transformation measures.

35kV substation; lightning intruding surge; ATP-EMTP; lightning protection transformation

10.11973/dlyny201703014

陳穎之(1992—)，男，碩士研究生，從事電力系統(tǒng)防雷接地技術(shù)研究。

TM862

A

2095-1256(2017)03-0278-05

2017-03-20