扈海澤，曾水玲，孫乾方，梁 冰，王 林，方夢鴿，扈菲宇，莫 異

(1.吉首大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 吉首 416000;2.國網(wǎng)郴州供電分公司,湖南 郴州 423000;3.長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,湖南 長沙 410000)

湖南省地處亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，年均雷暴日50～60 d，最高可達(dá)90 d，屬于高雷擊區(qū)，雷電災(zāi)害事故發(fā)生率列全國第8位.每年的3—9月，湖南境內(nèi)雷電過程較多，尤其是4月和8月，是雷暴天氣的高發(fā)期.雷擊事故一旦發(fā)生，輕則導(dǎo)致自動重合閘裝置動作，重則導(dǎo)致電力設(shè)備損壞和人員傷亡，造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失[1].因此，對于電力系統(tǒng)的防雷及接地的研究越來越受到人們的重視.

1 雷擊事故概述

某35 kV變電站地處湖南西部山區(qū)，主要為該地區(qū)三級負(fù)荷居民用戶供電，供電半徑較小，因此只配備1臺主變壓器.為了保障供電可靠性，主變壓器進(jìn)線采用35 kV母線進(jìn)行供電，母線電源分別來自3座110 kV變電站，3條母線共同給變電站供電.該變電站簡易一次主接線方式如圖1所示.

圖1 一次接線Fig. 1 Primary Wiring Diagram

根據(jù)該變電站相關(guān)事故記錄，2018年4月25日22：17所在地發(fā)生雷電活動，隨即變電站發(fā)生跳閘停電事故.值班人員立即上報，0.5 h后檢修人員到站進(jìn)行檢修，發(fā)現(xiàn)該變電站10 kV站用變壓器進(jìn)線熔斷器發(fā)生斷裂.經(jīng)過約2 h的停電檢修，恢復(fù)供電.

2 事故原因

2.1 地理位置

該變電站地處山頂，年平均雷暴日60 d.根據(jù)GB50343—2004《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》[2]的雷電防護(hù)分區(qū)(表1)，該區(qū)域?yàn)槎嗬讌^(qū)，極易發(fā)生雷電活動，變電站遭受雷擊的概率較大.對現(xiàn)場進(jìn)行勘察得知，山頂上的高大樹木較少，除了建設(shè)的2座對角避雷針之外，變電站內(nèi)的電力設(shè)備和龍門架也處于較高位置，這進(jìn)一步增加了變電站遭受雷擊的概率[3-4].

表1 雷電等級

2.2 避雷針架設(shè)

該變電站在建設(shè)初期考慮了對直擊雷的防護(hù)，同時兼顧經(jīng)濟(jì)因素，配備了1座避雷針.單根避雷針保護(hù)范圍的計(jì)算公式[5]為

(1)

其中：rx為保護(hù)半徑；hx為被保護(hù)物高度；h為避雷針高度；p為高度修正系數(shù)(當(dāng)h≤30 m時，p=1；當(dāng)30

2.3 接地電阻

按照保護(hù)配合原理，當(dāng)雷擊事故發(fā)生時，避雷器動作，雷電流通過避雷器間隙、引下線和接地電阻泄入大地，從而保障熔斷器的最大通流量[6].現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，變壓器熔斷器并聯(lián)了避雷器進(jìn)行防雷保護(hù)，避雷器引下線都刷有保護(hù)油漆，而在接地處沒有進(jìn)行有效的填埋，從而導(dǎo)致接地體與引下線連接處出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕.根據(jù)站內(nèi)工作人員描述，該避雷器接地體為單獨(dú)接地體，且沒有連接變電站主接地網(wǎng).考慮到腐蝕問題，采用搖表對避雷器的接地電阻進(jìn)行了3次測量，測量結(jié)果見表2.

表2 接地電阻測量結(jié)果

根據(jù)電力工作經(jīng)驗(yàn)，由于該變電站用變壓器為10 kV電壓等級，絕緣水平低，因此該避雷器接地電阻值標(biāo)準(zhǔn)為2～3 Ω，在特殊情況下要求更低.通過測量結(jié)果可知，在發(fā)生雷擊事故時，避雷器動作，但是因其接地電阻值較高，故泄流速度慢且殘余電壓高[7-8].

3 改造措施

3.1 增設(shè)避雷針

由于該變電站建設(shè)初期配備的1座避雷針無法進(jìn)行完全保護(hù)，因此必須增設(shè)1座避雷針，由2座避雷針共同保護(hù)變電站.新增避雷針置于原避雷針的對角處(圖2).

圖2 避雷針架設(shè)Fig. 2 Lightning Rod Erection

2座避雷針保護(hù)范圍的計(jì)算公式為

其中D為2座避雷針之間的距離.按照經(jīng)驗(yàn)，在架設(shè)過程中D不能大于5h，即2座避雷針之間的距離不能大于避雷針的5倍高度，否則避雷針無法起到完全保護(hù)的作用.

3.2 并接保護(hù)間隙

變壓器熔斷器炸裂的主要原因是雷電流過大，雖然有避雷器的保護(hù)，但是避雷器保護(hù)后的殘壓過高，導(dǎo)致熔斷器炸裂.因此，在熔斷器上并聯(lián)一個保護(hù)間隙進(jìn)行絕緣配合，即間隙的擊穿電壓要低于熔斷器的耐壓水平[4].熔斷器、保護(hù)間隙和避雷器三者之間的伏秒特性曲線如圖3所示，保護(hù)間隙的安裝如圖4所示.

圖3 伏秒特性曲線Fig. 3 Volt-Second Characteristic Curve

圖4 間隙安裝Fig. 4 Gap Installation

3.3 接地優(yōu)化

由于避雷器接地引下線與接地體連接處出現(xiàn)了腐蝕情況，因此需要對接地體進(jìn)行重新鋪設(shè)，并做好相應(yīng)的防腐處理.同時，對避雷器的接地體用相應(yīng)的扁鋼與變電站主接地網(wǎng)相連接，依托主接地網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化.現(xiàn)場測量接地電阻，結(jié)果見表3.

表3 接地電阻測量結(jié)果

由表3可知，該變電站主接地網(wǎng)的接地電阻平均值為2.54 Ω.根據(jù)電阻并聯(lián)原理可知，避雷器接地體與主接地網(wǎng)連接后能有效地降低避雷器的接地電阻.另一方面，主接地網(wǎng)能夠快速地對雷電流進(jìn)行泄流，降低避雷器殘壓.

4 仿真驗(yàn)證

ATP-EMTP電磁暫態(tài)軟件是一款主要應(yīng)用于電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析的仿真軟件，仿真系統(tǒng)龐大，內(nèi)部包含多個集中元件、分布參數(shù)、線性及非線性元件和各種電力模型，適用于電力系統(tǒng)中的架空線路、高低壓開關(guān)、變壓器、電機(jī)和各種電源等的仿真.筆者采用電磁暫態(tài)仿真軟件ATP對保護(hù)間隙的保護(hù)效果和接地電阻值進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證保護(hù)措施的有效性.

4.1 接地電阻

根據(jù)測量數(shù)據(jù)，避雷器腐蝕接地體的接地電阻值為8.61 Ω，而在更換接地體及同時采用扁鋼引接主接地網(wǎng)后接地電阻值應(yīng)低于2.54 Ω，因此分別設(shè)置8.61，2.54 Ω的避雷器接地電阻值對避雷器殘余過電壓進(jìn)行仿真驗(yàn)證.仿真等效電路如圖5所示.

圖5 仿真等效電路1Fig. 5 Simulated Equivalent Circuit 1

由圖5可見，雷電流經(jīng)過輸電線路高壓側(cè)和變壓器傳遞到線路低壓側(cè)，線路低壓側(cè)即為10 kV變電站站用配電變壓器的進(jìn)線電源.仿真電路中采用雷電沖擊電源Heidler type 15，因?yàn)槔纂姲l(fā)生時雷擊點(diǎn)雷電流一般為100 kA，所以其雷電模擬發(fā)生器參數(shù)選擇電流模型，雷電流大小為100 kA，雷擊輸電線路B相.仿真電路模型中模擬的線路為35/10 kV變電變壓器，變壓器變比設(shè)置為3.5，雷電經(jīng)過變壓器高壓側(cè)設(shè)置四級桿塔.

高壓側(cè)避雷動作電壓為51 kV，低壓側(cè)避雷器動作電壓為17 kV.其中三級桿塔采用LCC中的JMarti模型，等效電阻為LINE Z-T模型.通過電壓探針測量雷電過電壓，運(yùn)行仿真電路(避雷器接地電阻值為8.61 Ω)，電壓探針檢測結(jié)果如圖6所示.從圖6可知，過電壓幅值約為33 kV.該電壓幅值在10 kV電壓等級設(shè)備耐壓范圍之外.

將避雷器接地電阻值設(shè)置為2.54 Ω，再次運(yùn)行仿真電路，過電壓波形如圖7所示.從圖7可知，過電壓幅值約為12 kV.該電壓幅值在10 kV電壓等級設(shè)備耐壓范圍之內(nèi).對比圖6和圖7可知，接地電阻2.54 Ω下的過電壓幅值比8.61 Ω下的降低了21 kV.

圖6 過電壓波形1Fig. 6 Overvoltage Waveform 1

圖7 過電壓波形2Fig. 7 Overvoltage Waveform 2

4.2 保護(hù)間隙仿真

由于熔斷器串聯(lián)在線路中，因此將保護(hù)間隙并在避雷器上，與避雷器一起配合保護(hù)，并設(shè)置保護(hù)間隙動作電壓值為15 kV.模擬仿真保護(hù)間隙電路如圖8所示(模擬的避雷器接地電阻值為8.61 Ω).同理運(yùn)行仿真電路，對過電壓進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如圖9所示.從圖9可知，過電壓幅值約為18 kV.對比圖6和圖9可知，沒有安裝保護(hù)間隙下的過電壓幅值降低了15 kV.

圖8 仿真等效電路2Fig. 8 Simulated Equivalent Circuit 2

圖9 過電壓波形3Fig. 9 Overvoltage Waveform 3

5 結(jié)論

對某變電站35 kV熔斷器防雷接地事故的原因進(jìn)行了分析，并采用電磁暫態(tài)仿真軟件ATP模擬仿真，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)避雷器接地體腐蝕會導(dǎo)致接地電阻值變大，通過將避雷器接地體與變電站主接地網(wǎng)相連接，可以有效地降低避雷器殘余過電壓.

(2)在熔斷器上并聯(lián)安裝保護(hù)間隙，調(diào)節(jié)間隙距離，使得熔斷器、避雷器和保護(hù)間隙三者之間有效地絕緣配合，可更大程度地對熔斷器進(jìn)行保護(hù).