譚 韜，肖榮貴，敬亮兵，扈海澤，金 杰，黎 銘，譚恩典，鐘 坤，潘太坤，肖 星

（1國網(wǎng)婁底供電公司，湖南婁底417000，2吉首大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南湘西416000）

0 引言

變電站是組成電力系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，通過變電站的變配電，發(fā)電廠發(fā)出的電能才能最大的供用戶使用?？紤]到我國的地形及輸電線路架設(shè)的經(jīng)濟性，在湘西地區(qū)，絕大部分變電站建設(shè)在山谷之上，很易遭受雷擊。一旦發(fā)生雷擊事故，小則導(dǎo)致保護開關(guān)瞬間跳閘，大則燒毀變電站設(shè)備引起大面積的停電事故，造成重大的經(jīng)濟損失。

1 變電站電氣結(jié)構(gòu)概述

該變電站為湘西地區(qū)地區(qū)變電站，主要供應(yīng)武陵山地區(qū)中型企業(yè)公司，其主要的電氣主接線形式如下圖1所示。為了保證其供電可靠性，該變電站采用雙母線供電，兩條220 kV進線來自不同的兩座500 kV變電站。變電站內(nèi)采用兩臺三繞組變壓器并聯(lián)運行供電，一臺作為運行主變變壓器，另一臺采用熱備用變壓器。當主變發(fā)生故障或是在定期進行檢修時投入備用變壓器。主變出線為110 kV和35 kV，其中110kV出線主要供應(yīng)武陵山中型企業(yè)用電，35kV主要針對各小區(qū)及小型企業(yè)用電。在出線110 kV及35 kV母線上都有多路饋線及備用線接口，其中備用線出線接口主要針對小部分負荷的擴增。

圖1 變電站電氣主接線簡圖Fig.1 Substation main electrical wiring diagram

兩回220 kV均為鐵塔線路支撐，一回鐵塔數(shù)為36級，另一回為32級，兩回終端鐵塔都位于變電站后的山坡上（地處變電站最高位置），主變均設(shè)置為室內(nèi)變壓器。

2 雷擊事故概述

2016年12月10日凌晨，據(jù)值班人員回憶，當時看到很強的雷擊閃電，隨即導(dǎo)致跳閘停電事故。事后發(fā)現(xiàn)雷電直擊終端鐵塔避雷器的接地引線線（引下線有明顯灼燒痕跡，該引下線通過鐵塔頂端與龍門架相連，再在龍門架上引接接地扁鋼接至主地網(wǎng)如下圖2所示），導(dǎo)致線路避雷器及龍門架上的斷路器及隔離開關(guān)爆裂，開關(guān)跳閘，導(dǎo)致停電事故。

3 事故原因分析

該變電站地處武陵山山區(qū)，建設(shè)位置處于山坡之上，平均雷暴日為54d/年，根據(jù)國家標準GB50343-2004《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》第3章雷電防護分區(qū)（如表1所示）[1]，該區(qū)域為高雷區(qū)，極容易發(fā)生雷擊事故。

變電站站外兩座終端鐵塔位于站后的山坡之上，變電站建設(shè)有兩座避雷針，成田字對角狀建設(shè)，都處于龍門架引伸的對角上。兩臺主變變壓器以及電容補償器、電抗器等都在室內(nèi)，終端鐵塔線路避雷器引接線通過鋼芯固定于站內(nèi)龍門架，在龍門架上通過扁鋼引入地網(wǎng)，具體布局如圖3所示。

圖2 終端桿塔下線Fig.2 The terminal tower down lead wire

表1 雷電劃分等級Table 1 Lightning rank

圖3 變電站外部地理位置圖Fig.3 Substation external geographic locations

由現(xiàn)場測量得知，從鐵塔到龍門架之間的跨距（水平）有105 m，從終端鐵塔到龍門架引接線地勢正如一個凹型山谷，并且變電站建造在一個地勢較高的山谷之上，所以引接線遭受雷擊的概率增強。

3.1 缺少線路避雷器

該引下線龍門架上裝設(shè)斷路器及隔離開關(guān)時沒有在進出線裝設(shè)避雷器。當雷擊事故發(fā)生時，雷電過電壓經(jīng)過線路傳輸?shù)烬堥T架直接擊中斷路器及隔離開關(guān)。由于雷電過電壓傳播過程中無法迅速的泄入大地，過高的雷電過電壓直接傳入斷路器及隔離開關(guān)，導(dǎo)致其發(fā)生擊穿及爆裂。

3.2 殘壓反擊

當發(fā)生雷擊架空引接線（圖3）時，雷電流通過引下線傳遞到接地網(wǎng)進行散流，等效電路如圖4所示。

圖4 散流等效電路Fig.4 Leak current equivalent circuit

圖4中L為引下線及龍門架扁鋼等效電感（忽略了引下線電阻值），R為接地電阻值，Ud為散流時引下線頂端殘壓。假設(shè)雷電流為i，其計算公式為[4]

對于殘余電壓Ud，影響其值的大小主要因素是接地電阻R值，因此在對變電站防雷接地設(shè)計時都需要考慮變電站短路電流值的大小及當?shù)乩纂娏髦怠?/p>

在現(xiàn)場進行勘察時發(fā)現(xiàn)，龍門架上鋪設(shè)的扁鋼共有兩塊，其中一塊完好（保護漆完整），另一塊已經(jīng)銹跡斑斑，腐蝕嚴重，面目全非。

如圖5所示，龍門架上扁鋼有一條腐蝕嚴重，腐蝕的扁鋼直接導(dǎo)致的后果就是整個接地電阻值的增大。這部分腐蝕對于整個接地電阻（包括引下線、扁鋼及接地電阻）值變化不是很大，但是由于雷電流一般都是千安等級[1]，因此對于殘壓影響較大?，F(xiàn)場采用三級法對變電站進行分點測試接地電阻，平均采樣變電站五個點接地電阻，測試結(jié)果如表2所示，符合標準。由于該變電站運行年限比較長，接地電阻值可能已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在短路電流的要求。殘壓值高則會發(fā)生龍門架頂端對設(shè)備進行反擊事故，進而燒毀設(shè)備，導(dǎo)致停電事故。

圖5 龍門架腐蝕的扁鋼Fig.5 Gantry flat steel corrosion

表2 桿塔接地電阻測量情況Table 2 The tower grounding resistance measurement

4 防雷改造措施

4.1 裝設(shè)避雷器

裝設(shè)避雷器主要是針對龍門架上斷路器及隔離開關(guān)，在引下線掛接龍門架處并接以氧化鋅避雷器，同時在該龍門架上的斷路器及隔離開關(guān)的進出線上引接氧化鋅避雷器，改造方式如圖6所示。在引接線上并接氧化鋅避雷器，通過引接線引入變電站主接地網(wǎng)。當發(fā)生雷電過電壓侵入時首先經(jīng)過避雷器進行泄流，對頂端雷電過電壓幅值進行限制（通過導(dǎo)通泄放電流，使過電壓幅值限制在殘壓以下），降低龍門架頂端雷電過電壓，進而保護斷路器及隔離開關(guān)。

圖6 避雷器架設(shè)Fig.6 Arrester erection

4.2 接地網(wǎng)優(yōu)化

4.2.1 加裝垂直接地體

垂直接地體就是在原來接地網(wǎng)接點處進行深挖鋪設(shè)垂直接地體，由于考慮到實際開挖的可行性與經(jīng)濟性，設(shè)計在變電站接地網(wǎng)最外圍接地網(wǎng)進行開挖，加裝垂直接地體。x0y2，x0y4，x2y0，x2y5，x3y5，x4y0，x5y2，x0y4，通過開挖邊緣接地網(wǎng)增加垂直接地體（圖中黑點）。

圖7 模擬變電站主接地網(wǎng)Fig.7 Analog substation main ground grid

垂直接地體的引入使原有的水平接地網(wǎng)變成立體接地網(wǎng)[1]，立體接地網(wǎng)能夠?qū)l(fā)生雷擊事故時很大的入地電流很快的流入大地中（迅速泄流），使地表電位降低，同時水平方向電流密度降低，減少水平地網(wǎng)的場強成度，從而達到有效的降低地網(wǎng)的接地電阻的效果。降阻公式[7]如下：

式中：R1為未裝設(shè)垂直接地體時水平地網(wǎng)的接地電阻，Ω；R2為垂直接地體與水平地網(wǎng)的接地電阻并聯(lián)值，Ω；R0為裝設(shè)垂直接地體后立體地網(wǎng)實際電阻的值，Ω。

4.2.2 輔助接地網(wǎng)

輔助接地網(wǎng)就是在距離變電站主接地網(wǎng)1～2 km的范圍內(nèi)鋪設(shè)一個輔助接地網(wǎng)，并用扁鋼將輔助電網(wǎng)連接到主接地網(wǎng)上[8]。外引輔助接地網(wǎng)能有效的降低接地阻抗的大小，降阻效率為η[7]

式中：Z0為原主接地網(wǎng)的接地阻抗；Z1為外引輔助導(dǎo)體后接地阻抗；Z2為外引輔助接地網(wǎng)后的接地阻抗。

根據(jù)文獻[7]對輔助方形接地網(wǎng)與輔助圓形接地網(wǎng)接地優(yōu)化效果研究，研究結(jié)果表明，圓形接地網(wǎng)更能降低接地電阻。因此在設(shè)計時綜合考慮相同使用材料經(jīng)濟性以及施工難度的情況下，設(shè)計采用輔助圓形接地網(wǎng)，輔助接地網(wǎng)設(shè)計如圖8所示。

圖8 模擬輔助接地網(wǎng)設(shè)計Fig.8 Analog auxiliary grounding grid design

5 模擬仿真驗證

采用電磁暫態(tài)仿真軟件ATP-EMTP搭建電路仿真模型進行驗證計算，仿真主要對避雷器保護及輔助接地網(wǎng)降阻效果進行驗證。

5.1 避雷器保護驗證

采用模擬沖擊發(fā)生器等效雷擊，對引下線采用集中等效模型，忽略線路等效電阻，只考慮模擬線路電感及接地體等效電阻，模擬等效電路如圖9所示。

考慮到雷電傳播到龍門架雷電流的釋放以及衰減，模擬時采用1kA雷電流。對龍門架掛接點雷電波過電壓進行檢測，檢測結(jié)果如下圖10所示。由圖可知，雷電波過電壓幅值達到782 kV，超過110 kV設(shè)備的耐壓值，導(dǎo)致設(shè)備擊穿爆裂。

圖9 模擬雷擊電路Fig.9 Analog lightning circuit

圖10 雷電過電壓波形Fig.10 Lightning overvoltage waveforms

針對該雷擊事故研究，提出采用避雷器進行保護，模擬仿真電路如圖11所示。

圖11 加裝避雷器后電壓Fig.11 The voltage after the installation of the arrester

從圖中可知，雷電過電壓幅值為83 kV，雖然過電壓幅值較高，但是對于110 kV設(shè)備能夠保證其正常運行不受影響。

綜上所述，在該架空引下線掛接龍門架處加裝避雷器能夠有效的限制其幅值，從而保護電力設(shè)備。

5.2 降阻效果模擬仿真

搭建模擬接地網(wǎng)等效模型，對于接地網(wǎng)單元模塊采用π型等效電路，該模型搭建的參數(shù)時根據(jù)一般扁鋼接地網(wǎng)參數(shù)設(shè)置，單元等效電路模型見圖12。

圖12 π型等效電路Fig.12 PI type equivalent circuit

用單元等效電路連接成模型中的5x5接地網(wǎng)，外接交流電源，為了試驗的可觀性，采用交流220 V電源進行測量，同時用電流探針進行電流檢測，直觀的反映出接地電阻值的變化。

再輔助圓形接地網(wǎng)進行仿真驗證，再一次測量其電流探針值，得出總的接地電阻值的變化。分別對鋪設(shè)輔助接地網(wǎng)前后電流進行仿真檢測，仿真結(jié)果見圖13和圖14。

圖13 主地網(wǎng)測試電流Fig.13 The test current of the main grounding grid

圖14 輔助接地網(wǎng)測試電流Fig.14 The test current of auxiliary grounding grid

由上可知，在沒有接輔助電網(wǎng)前測試電流最大值約為43A，輔助接地網(wǎng)后測試電流最大值約為66 A?？芍訙y試電流值增大了53.5%，根據(jù)歐姆定律可知，接地電阻值也會相應(yīng)的降低。

根據(jù)模擬仿真結(jié)果，在沒有鋪設(shè)輔助接地網(wǎng)前測試電流有效值為30.4 A，經(jīng)過計算，接地電阻值為7.2 Ω。輔助接地網(wǎng)后測試電流有效值為46.7 A，接地電阻值為4.7 Ω，差額接地電阻為2.5 Ω（接地電阻值降低了34.7%）。根據(jù)圖5和式（3），按照電力經(jīng)驗，假設(shè)直擊雷雷電流為3 kA，殘壓分別為21.6 kV和14.1 kV，殘壓差額達到7.5 kV，降低殘壓率為34.5%。

6 結(jié)語

該變電站雷擊事故的發(fā)生主要原因是由于雷擊終端桿塔接地引下線，同時由于缺乏避雷器對雷電波過電壓幅值限制以及接地電阻值較大，導(dǎo)致龍門架引接點殘壓過高，進而發(fā)生反擊龍門架電力設(shè)備事故。采用增設(shè)避雷器以及主接地網(wǎng)鋪設(shè)垂直接地體、更換腐蝕扁鋼以及鋪設(shè)圓形輔助接地網(wǎng)等方法能有效的降低殘壓，避免反擊事故的發(fā)生。

[1]張家祥，張桂林.桿塔接地體沖擊對輸電線路雷電反擊分析[J].電瓷避雷器，2016（6）:171-175.ZHANG Jiaxiang，ZHANG Guilin.Impact of transmission line tower grounding system back flashover analysis[J].In?sulators and Surge Arrsters，2016（6）:171-175.

[2]余光凱，張博，魯鐵成.風(fēng)電場雷電反擊暫態(tài)計算與分析[J].電瓷避雷器，2015（6）:136-141.YU Guangkai，ZHANG Bo，LU Tiecheng.Wind back flashover transient calculation and analysis[J].Electric porcelain arrester，2015（6）:136-141.

[3]劉杰，劉春，周初蕊.輸電線路桿塔模型研究現(xiàn)狀及雷電反擊過電壓計算[J].電瓷避雷器，2013（6）:81-86+90.LIU Jie，LIU Chun，ZHOU Churui.Transmission line tow?er model research present situation and the back flashover overvoltage calculation[J].Insulators and Surge Arrsters，2013（6）:81-86+90.

[4]扈海澤，劉小麗，毛弋.特殊防雷接地系統(tǒng)技術(shù)研究[J].電瓷避雷器，2016（2）:68-73.HU Haize，LIU Xiaoli，MAO Yi.Special lightning protec?tion grounding system technology research[J].Insulators and Surge Arrsters，2016（2）:68-73.

[5]張敏，曹曉斌，李瑞芳.輸電線路桿塔接地極沖擊接地電阻特性分析[J].電瓷避雷器，2012（4）:5-9.ZHANG Min，CAO Xiaobin.LI Ruifang，.Impact ground?ing resistance characteristics of transmission line tower grounding analysis[J].Insulators and Surge Arrsters，2012（4）:5-9.

[6]扈海澤，容展鵬，趙軍，等.變電站二次系統(tǒng)防雷保護分析[J].電力與能源，2015（4）:512-515.HU Haize，RONG Zhanpeng，ZHAO Jun，etal.Lightning protection substation secondary system analysis[J].Insula?tors and Surge Arrsters，2015（4）:512-515.

[7]楊廷方，張航，陳智翔等.圓環(huán)地網(wǎng)與方形地網(wǎng)沖擊特性對比仿真[J].電瓷避雷器，2013（6）:65-70.YANG Tingfang，ZHANG Hang，CHEN Zhixiang，et al.Ring network compared with square net impact characteris?tics simulation[J].Insulators and Surge Arrsters，2013（6）:65-70.

[8] HidayuRameli，MohdZainalAbidinAbKadir，MahdiIzadi，et al.Consideratio nornof lightning currentalonga tall structu?rein the presenceof horizontal arrangement grounding[J].AppliedMechanicsandMaterials，2015，4172（793）.

[9]FernandoH Silveira，SilvérioVisacro，RonaldoE Souza.Light?ning performanceo ftransmis sionlines:assessing the quali?tyof traditional method ologiestodetermine backflash over rateoftrans missionlines taking a sreferencere sultsprovid?ed byanadvanced approach[J].ElectricPowerSystemsRe?search，2017，2563（423）.