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(1.國網(wǎng)四川省電力公司 電力科學(xué)研究院，成都 610072； 2.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206； 3.國網(wǎng)四川省電力公司，成都 610023； 4.西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，成都 610031)

0 引言

在雷雨季節(jié)10 kV變電因臺區(qū)本身或附近線路受雷擊而導(dǎo)致的一次設(shè)備損壞故障時有發(fā)生[1-6]。變電臺區(qū)安裝有避雷器，在一定情況下，即使避雷器正常動作，也將發(fā)生臺區(qū)設(shè)備尤其是變壓器的損壞，這就是避雷器保護失效。

對于工頻入地電流，臺區(qū)接地引線和接地體在散流時不會在接地引線和接地體的不同位置產(chǎn)生明顯的電位差，而在雷電沖擊作用下，接地體會出現(xiàn)復(fù)雜的過渡過程[7]，接地引線和接地體的不同位置將會出現(xiàn)明顯的電位差異[8-11]。不了解雷電沖擊作用下接地體的響應(yīng)特性，就可能在變電臺區(qū)接地上采用錯誤的方式，從而導(dǎo)致雷電直擊變電臺區(qū)或其近區(qū)線路時出現(xiàn)避雷器保護失效的情況[12]。

為了對臺區(qū)接地體在雷電沖擊電流作用下的響應(yīng)進行分析，本文使用場路結(jié)合方法進行了分析。文章利用路分析軟件ATP-EMTP建立了臺區(qū)雷擊電磁暫態(tài)響應(yīng)模型，對不同幅值雷電流、不同雷擊位置下的臺區(qū)避雷器電流進行了提取，獲得進入臺區(qū)接地體的沖擊電流波形；通過在接地體場分析軟件CDEGS中建立分析模型，得到在沖擊電流作用下接地體不同位置的電位情況。

1 場路結(jié)合模型介紹

選取典型的10 kV變電臺區(qū)建立場、路分析模型。路分析模型見圖1，圖中10 kV線路使用P-10絕緣子，與臺區(qū)相鄰的兩個檔距為50 m，桿塔接地電阻為50 Ω。為了考慮臺區(qū)近區(qū)雷電直擊后臺區(qū)過電壓最嚴重的情況，將避雷器低壓端通過引下線與接地體相連，變壓器外殼通過另外的引下線與接地體相連，兩根引下線沒有機械接觸且分別連接于接地體的兩端。

圖1 基于ATP-EMTP的路仿真模型Fig.1 Circuit model based on ATP-EMTP

臺區(qū)接地體模型1見圖2，其材料為Φ12 mm的圓鋼，土壤為均勻結(jié)構(gòu)，電阻率為100 Ω·m，通過CDEGS計算得到工頻下接地體接地電阻為11.03 Ω。

圖2 基于CDEGS的10 kV臺區(qū)接地體場模型1Fig.2 Field model of grounding body 1 in transformer area based on CDEGS

2 雷擊點位置及雷電流幅值對臺區(qū)過電壓的影響

本節(jié)利用路仿真軟件ATP-EMTP對不同幅值雷電流直擊不同雷擊點的A相(雷擊時刻A相初始相角為0°)導(dǎo)線后針式絕緣子閃絡(luò)及避雷器動作情況進行分析。為簡化起見，本節(jié)假設(shè)雷擊不會導(dǎo)致一次設(shè)備損壞。

不同幅值雷電流直擊不同位置時的絕緣子閃絡(luò)及避雷器動作情況見表1。

表1 不同幅值雷電流直擊不同位置時的絕緣子 閃絡(luò)及避雷器動作情況Table 1 Insulator flashover and arrester action when different amplitude lightning stroke different position

從表1可知，當(dāng)雷擊點遠離臺區(qū)時，雷擊導(dǎo)致桿塔絕緣子閃絡(luò)，通過臺區(qū)變壓器入地的雷電流幅值遠小于雷擊點雷電流幅值；隨著雷擊點靠近臺區(qū)，通過臺區(qū)避雷器入地的雷電流幅值逐步增加，臺區(qū)接地體成為雷電流入地的主要釋放通道。

20 kA雷電流直擊雷擊點1和雷擊點3時，雷電流、避雷器電流、臺區(qū)接地體電流波形見圖3。

(a)雷電流作用于雷擊點1時

(b)雷電流作用于雷擊點3時圖3 20 kA雷電流作用于不同雷擊點時的電流波形Fig.3 Current wave of 20 kA lightning stroke different position

從圖3可知，在雷擊點遠離臺區(qū)時，從變電臺區(qū)接地體入地的電流幅值和陡度明顯下降，雷電對臺區(qū)的影響降低。

3 臺區(qū)接地體對雷電沖擊的響應(yīng)

本節(jié)使用場分析軟件CDEGS對臺區(qū)接地體1在雷電沖擊作用下的響應(yīng)情況進行分析，雷電流通過注入點進入接地體1，在3個觀察點提取電位比較其隨時間變化情況。

為便于分析，本報告首先對1 kA工頻電流作用下，臺區(qū)接地體1的地表電位分布情況進行了計算，見圖4。

從圖4可知，在工頻入地電流作用下，接地體1及地表電位分布均勻變化，接地體1自身基本處于等電位狀態(tài)。

(a)地表等位線分布

(b)沿著觀察點電位分布圖4 工頻入地電流作用下接地體電位分布Fig.4 Grounding body potential distribution under power current

為了對10 kV側(cè)避雷器動作產(chǎn)生的沖擊電流作用于臺區(qū)接地體引起的臺區(qū)暫態(tài)電位分布進行分析，以20 kA雷電流作用于雷擊點3為例進行分析，將圖3(b)中的接地體電流波形輸入CDEGS作為激勵源，得到接地體1不同觀察點(見圖2)的電位分布情況見圖5。

圖5 雷電沖擊電流在接地體引起的電位曲線Fig.5 Potential curve of grounding body 1 under lightning surge current

從圖5可知，在沖擊電流的作用下，臺區(qū)接地體各觀測點的電位分布不一致，在電流的注入點(接近觀察點1)電位最大，遠離電流注入點處(觀察點2、3)電位下降，且非均勻下降，觀察點2、3之間的電位差值比觀察點1、2之間的電位差值顯著。圖5中觀察點1、3之間的電位差值最大值為47.42 kV。

對于同樣的雷電沖擊電流，如果臺區(qū)接地體2的尺寸見圖6，此時的桿塔接地電阻CDEGS工頻計算值為10.99 Ω，仍然采用圖3(b)中的入地電流波形作為CDEGS模型的激勵輸入，則對應(yīng)的各觀察點的電位曲線見圖7，這種情況下觀察點1、3之間的電位差最大值達到69.91 kV，接近10 kV一次設(shè)備的雷電耐受幅值(75 kV)，加上避雷器動作后的殘壓(27.6 kV)，則臺區(qū)變壓器承受的過電壓已經(jīng)超過了其難受能力。

圖6 接地體2的CDEGS模型Fig.6 CDEGS model for grounding body 2

圖7 雷電沖擊電流在接地體2引起的電位分布曲線Fig.7 Potential curve of grounding body 2 under lightning surge current

通過上面的分析可知，如果臺區(qū)避雷器和變壓器外殼分別通過單獨的引下線接地，接地點位于接地體的兩端，當(dāng)臺區(qū)近區(qū)線路遭受大幅值雷電流直擊時，臺區(qū)變壓器會因為雷電過電壓損壞，將出現(xiàn)避雷器保護失效的情況。

4 結(jié)論

1)當(dāng)變電臺區(qū)及其周邊線路受雷電直擊時，雷擊點距離臺區(qū)越近，雷電能量越集中作用于臺區(qū)本身，且大幅值雷電流所導(dǎo)致的多相同時閃絡(luò)不會因為臺區(qū)避雷器的存在消失。

2)在臺區(qū)近區(qū)直擊雷作用下，即使臺區(qū)避雷器正常動作，也不能夠避免臺區(qū)一次設(shè)備損壞，臺區(qū)設(shè)備的接地形式?jīng)Q定了避雷器能否正確發(fā)揮功效。

3)為了避免臺區(qū)避雷器保護失效，臺區(qū)設(shè)備采取的接地方式應(yīng)該是避雷器低壓端鋼構(gòu)引下線直接與變壓器外殼相連，然后共同連接臺區(qū)接地體。