劉 剛

（湖南紅太陽光電科技有限公司，長沙 410000）

0 引言

避雷器、電感線圈作為電力系統(tǒng)的重要組成設(shè)備，一直受到行業(yè)從業(yè)人員的重視，對(duì)避雷器和電感線圈的研究成果也比較多：文獻(xiàn)［1］提出了一種新型阻性泄漏電流的提取方法，該方法有效地避免了諧波與耦合的干擾以及三相差異的影響；文獻(xiàn)［2］提出在氧化鋅壓敏電阻中摻雜多元素稀土提高了氧化鋅避雷器的保護(hù)效果，實(shí)現(xiàn)深度限制電力系統(tǒng)，特別是對(duì)特高壓系統(tǒng)的過電壓防護(hù)效果較好；文獻(xiàn)［3］提出了一種配合電流的方法，用以降低避雷器的過電壓；文獻(xiàn)［4］主要對(duì)避雷器經(jīng)濟(jì)性和可靠性進(jìn)行研究，通過仿真計(jì)算得到避雷器殘壓、放電電流、吸收能量變化規(guī)律及數(shù)值水平，最后得出避雷器的過載概率；文獻(xiàn)［5］針對(duì)西北地區(qū)750 kV 工頻差異化研究，提出避雷器額定電壓可以進(jìn)一步降低，進(jìn)而降低避雷器的操作過電壓；文獻(xiàn)［6］針對(duì)1 000 kV 避雷器瓷瓶污穢徑向放電、表面泄漏電流干擾、電網(wǎng)電壓諧波影響以及內(nèi)部閥片受潮進(jìn)行了研究和分析；文獻(xiàn)［7］針對(duì)避雷器提出了一種利用紅外熱成像、阻性電流測試等的帶電檢測技術(shù)；文獻(xiàn)［8］提出了一種避雷器分步投入分?jǐn)喾椒ǎ诳焖贆C(jī)械開關(guān)分?jǐn)噙_(dá)到相應(yīng)耐壓要求后立即投入相應(yīng)數(shù)量避雷器，從而降低了高壓直流斷路器故障電流峰值；文獻(xiàn)［9］結(jié)合北京電網(wǎng)配網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)例，對(duì)10 kV 氧化鋅避雷器進(jìn)行了多項(xiàng)試驗(yàn)研究，從而得出了一些電網(wǎng)配網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)建議。

上述文獻(xiàn)對(duì)避雷器和電感線圈進(jìn)行了多方面、多角度的研究，但仍無法完全提供防雷、避雷的所有方案，雷擊導(dǎo)致避雷器爆裂事故仍層出不窮。本文針對(duì)某工業(yè)小區(qū)35 kV 變電站110 kV 進(jìn)線避雷器雷擊事故，通過現(xiàn)場調(diào)研，分析認(rèn)為其事故的主要原因是避雷器泄流不足，遂研究提出一種兩級(jí)避雷器帶電感的防雷、避雷設(shè)備設(shè)計(jì)方案——串聯(lián)電感線圈的避雷器級(jí)聯(lián)，利用不同避雷器特性的級(jí)聯(lián)，在雷電流較低時(shí)導(dǎo)通第二級(jí)避雷器單獨(dú)泄流，當(dāng)發(fā)生較大雷電流事故時(shí)利用串聯(lián)電感特性，提高過電壓使得第一級(jí)避雷器同時(shí)導(dǎo)通進(jìn)行泄流，該方法不僅能對(duì)電力設(shè)備起到更有效地防雷保護(hù)，同時(shí)能夠保護(hù)避雷器本身。

1 雷擊事故概述

發(fā)生事故的是某工業(yè)小區(qū)的一座35 kV 變電站，該變電站主要給新建的工業(yè)小區(qū)供電，進(jìn)線供電分別來源于兩座獨(dú)立的110 kV 變電站，兩座主變進(jìn)行雙回路供電，可保障供電的可靠性。變電站出線饋線的一座主變?yōu)? 回，另外一座主變?yōu)? 回，同時(shí)每座變壓器都留有3 到4 回的備用饋線。電氣主接線方式如圖1 所示。

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

根據(jù)變電站值班人員以及檢修人員敘述，事故發(fā)生時(shí)間大概是傍晚五點(diǎn)半到六點(diǎn)半，當(dāng)時(shí)天氣突然變化，出現(xiàn)多次閃電現(xiàn)象，在變電站的終端桿塔附近看到雷電放電電弧，該變電站35 kV 出線避雷器發(fā)生爆炸，造成了跳閘停電事故。

2 事故原因分析

2.1 地理環(huán)境原因

該變電站地處半山腰，終端桿塔架設(shè)于山頂（如圖2所示），地勢高容易遭受雷電的威脅。經(jīng)查閱該站的歷史事故記錄，該變電站事故中83%的事故是由雷擊造成的，雷擊架空輸電線路達(dá)到62%。

圖2 終端桿塔Fig.2 Terminal Tower

2.2 避雷器保護(hù)有限

當(dāng)發(fā)生雷擊架空輸電線路時(shí)，雷電過電壓將沿著輸電線路傳播，當(dāng)雷電過電壓到達(dá)線路避雷器時(shí)，很高的過電壓將促使避雷器導(dǎo)通，雷電流將沿著避雷器泄放入大地。正常情況下，雷電流通過避雷器后將得到釋放，避雷器的殘壓也將限制在一定安全范圍內(nèi)，不會(huì)導(dǎo)致跳閘停電事故以及設(shè)備的燒損。

該避雷器發(fā)生爆炸主要原因：一方面是該35 kV 避雷器的最大耐受電流小于雷擊發(fā)生時(shí)的雷電流，而該雷電流傳導(dǎo)至避雷器會(huì)導(dǎo)致其發(fā)生爆炸；另外一方面是雷電流波頭時(shí)間非常短，造成雷電流陡度過大，而其沖擊力會(huì)導(dǎo)致避雷器爆炸［10-12］。

3 改造措施研究

根據(jù)分析，導(dǎo)致避雷器爆炸的主要原因是避雷器無法承受雷電沖擊電流。由于單個(gè)避雷器的最大耐受電流固定，只能對(duì)某相最大電流進(jìn)行保護(hù)設(shè)計(jì)［13-14］，因此在改造上選擇采用兩級(jí)避雷器配合的方式進(jìn)行保護(hù)，通過分級(jí)配合降低雷電流，實(shí)現(xiàn)避雷器的通流量滿足設(shè)計(jì)要求的目標(biāo)。

同時(shí)，在避雷器之間采用串聯(lián)電感，該電感不僅可作為第一級(jí)避雷器的導(dǎo)通開關(guān)，而且可同時(shí)利用電感的充電特性，有效降低雷電流的沖擊陡度。兩級(jí)避雷器設(shè)計(jì)如圖3 所示。該設(shè)計(jì)包含兩組避雷器，其中避雷器1（MOV1）為大流通量的避雷器，主要為通過較大雷電流而設(shè)計(jì)；避雷器2（MOV2）為小流通量的避雷器，主要為通過較小的雷電流而設(shè)計(jì)。當(dāng)發(fā)生小電流雷擊事故時(shí)，避雷器2 動(dòng)作，通過避雷器2 泄流，此時(shí)殘壓較低無法驅(qū)動(dòng)避雷器1 動(dòng)作。當(dāng)發(fā)生大雷電流雷擊事故時(shí)，避雷器2 首先動(dòng)作，受串聯(lián)電感的特性影響，電壓升高，避雷器1 隨即動(dòng)作，雷電流同時(shí)通過兩組避雷器進(jìn)行泄流。

圖3 兩級(jí)避雷器Fig.3 Two arresters

圖4 是避雷器的等效電路，其中U1為輸電線路對(duì)地電壓，C0和C1為等效電容。當(dāng)輸電線路電壓達(dá)到一定值時(shí)，避雷器動(dòng)作導(dǎo)通。由于避雷器導(dǎo)通時(shí)，泄流不是一瞬間完成的，因此會(huì)在避雷器上產(chǎn)生一定的殘壓，殘壓的計(jì)算見公式（1）［15-16］：

圖4 避雷器等效電路Fig.4 Equivalent circuit of lightning arrester

在兩級(jí)避雷器設(shè)計(jì)中，避雷器1 產(chǎn)生的殘壓UC1有兩種情況：第一種是高于避雷器2 的導(dǎo)通電壓，此時(shí)避雷器2 動(dòng)作泄流，繼續(xù)對(duì)避雷器1 的殘壓進(jìn)行釋放；第二種是低于避雷器2的導(dǎo)通電壓，此時(shí)則對(duì)電力系統(tǒng)沒有影響。以第一種情況為例，兩級(jí)避雷器殘壓曲線如圖5 所示。

圖5 殘壓曲線Fig.5 Residual pressure curve

圖5 中避雷器1（MOV1）導(dǎo)通后，在泄流的過程中產(chǎn)生一定的殘壓，在殘壓釋放的過程中，若沒有避雷器2（MOV2），則按照?qǐng)D中MOV1 的殘壓曲線進(jìn)行釋放。因?yàn)橛蠱OV2 的存在，此時(shí)MOV1 殘壓曲線在超過MOV2 導(dǎo)通電壓時(shí)，MOV2動(dòng)作導(dǎo)通，殘壓不再按照MOV1 的殘壓曲線釋放，而是按照MOV2 的殘壓曲線釋放。同時(shí)，在兩級(jí)避雷器級(jí)聯(lián)中加裝防雷電感，防雷電感不能對(duì)殘壓進(jìn)行釋放，但是其能夠起到一定的阻礙作用，降低殘壓陡度，降低沖擊效應(yīng)。加裝防雷電感后，MOV2 的殘壓曲線將沿著圖中虛線MOV2+L 曲線進(jìn)行釋放。在MOV2+L 曲線上，可以看到殘壓的極值并沒有降低，只是滯后了達(dá)到極值的時(shí)間，進(jìn)而降低對(duì)MOV2 的沖擊。

4 仿真研究

仿真分析主要采用電磁暫態(tài)仿真軟件ATP-EMTP 進(jìn)行，仿真避雷器之間的通流量關(guān)系、仿真電感的降陡度效果以及整個(gè)設(shè)計(jì)對(duì)于防雷保護(hù)的效果。仿真模型搭建組成主要包括：電源模型中雷電模擬發(fā)生器沖擊波電源Heidler type15（電壓電流兩種類型），避雷器采用金屬氧化物避雷器MOV Type92，避雷器接地模型采用接地線等效電路以及接地體等效模型。仿真架空輸電線路采用LCC 架空線路中的分布參數(shù)線路模型JMarti，架空線路加裝相應(yīng)的保護(hù)間隙MODEL FLASH 模型，其他還有相應(yīng)的電壓探針Probe Volt，電流測量儀Probe Curr，地線等效線路阻抗LINE Z。

圖6 所示仿真電路中雷電發(fā)生器的電源為電流100 kA（模擬發(fā)生平均雷擊事故），第一級(jí)避雷器的動(dòng)作電壓設(shè)定為75 kV，第二級(jí)避雷器的動(dòng)作電壓為51 kV，電感為0.01 mH，利用電流、電壓探針測試仿真結(jié)果。在單獨(dú)避雷器2（無串接電感）的情況下仿真其雷電過電壓的值以及避雷器的電流值，測試結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖6 仿真電路Fig.6 Simulation circuit

圖7 標(biāo)稱放電電流波形Fig.7 Drain current waveform

圖8 過電壓波形Fig.8 Overvoltage waveform

從圖7、圖8 的仿真電流、電壓波形圖可知，該仿真模擬電路在雷擊電流為100 kA 的情況下，避雷器動(dòng)作。避雷器的標(biāo)稱放電電流最大值為9.6 kA，避雷器的殘余電壓幅值最大值約為67 kV。

4.1 級(jí)聯(lián)避雷器仿真

為了進(jìn)一步研究避雷器的級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)效果，引入第一級(jí)避雷器和串聯(lián)電感，運(yùn)行仿真軟件，分別對(duì)仿真電路中兩級(jí)避雷器電流及殘余電壓進(jìn)行測試。測試結(jié)果如圖9、圖10 所示。

從圖9、圖10 的仿真電流、電壓波形圖可知，該仿真模擬電路在雷擊電流為100 kA 的情況下，級(jí)聯(lián)避雷器動(dòng)作。避雷器1 的標(biāo)稱放電電流最大值為5.3 kA，避雷器2 的標(biāo)稱放電電流最大值為4.6 kA，避雷器的殘余電壓幅值最大值約為51 kV，降低了23.88%。

圖9 級(jí)聯(lián)標(biāo)稱放電電流波形Fig.9 Cascade bleeder current waveform

圖10 級(jí)聯(lián)殘余電壓波形Fig.10 Cascade residual voltage waveform

4.2 串聯(lián)電感仿真

串聯(lián)電感開關(guān)特性主要是采用避雷器2 支路單獨(dú)仿真，在有無電感的情況下對(duì)比其殘余過電壓值。圖8 為沒有架設(shè)電感的過電壓波形，現(xiàn)單獨(dú)架設(shè)電感（0.1 mH）再次仿真過電壓，仿真結(jié)果如圖11 所示。對(duì)比圖8 和圖11 過電壓波形可知，在架設(shè)電感后能夠提高過電壓的幅值（由67 kV 增大到87 kV，提高了29.85%）。串聯(lián)電感值直接影響到雷電過電壓的陡度以及兩級(jí)避雷器之間標(biāo)稱放電電流分配，為了研究其標(biāo)稱放電電流與串聯(lián)電感之間的關(guān)系，分別采用不同的電感值進(jìn)行仿真。串聯(lián)電感分別采用0.001 mH、0.005 mH、0.01 mH、0.05 mH、0.1 mH、0.5 mH、1.0 mH，測試結(jié)果如表1 所示。

圖11 對(duì)比電壓波形Fig.11 Comparison voltage waveform

表1 串聯(lián)電感仿真結(jié)果Tab.1 Series inductance simulation results

從表1 所示的串聯(lián)電感仿真結(jié)果可知，串聯(lián)不同的電感值直接關(guān)系到級(jí)聯(lián)避雷器泄流電流的分配。當(dāng)逐步加大串聯(lián)電感值時(shí)，避雷器1 分配的泄漏電流值變大，相應(yīng)的避雷器2 的標(biāo)稱放電電流逐步變小，對(duì)避雷器殘余電壓而言，串聯(lián)電感值的大小對(duì)其影響不大。

5 結(jié)論

文章針對(duì)變電站雷電導(dǎo)致避雷器爆炸事故進(jìn)行研究，通過分析事故原因，提出兩級(jí)避雷器帶電感的避雷防護(hù)措施，通過仿真軟件對(duì)兩級(jí)避雷器特性及防護(hù)效果進(jìn)行驗(yàn)證，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）串聯(lián)電感作為第一級(jí)避雷器的導(dǎo)通開關(guān)，可以合理設(shè)置電感值達(dá)到兩級(jí)避雷器的級(jí)聯(lián)。

（2）串聯(lián)電感值的增大可使第二級(jí)避雷器的通流量降低，工程中可根據(jù)不同的自然環(huán)境選擇相應(yīng)的第二級(jí)避雷器的通流量，進(jìn)而保證保護(hù)的準(zhǔn)確性及經(jīng)濟(jì)性。

（3）級(jí)聯(lián)避雷器能夠有效地降低殘余電壓，串聯(lián)電感對(duì)于避雷器殘壓影響不大?？筛鶕?jù)工程實(shí)際，綜合考慮被保護(hù)電力設(shè)備的絕緣水平，合理地選擇串聯(lián)電感值，使級(jí)聯(lián)避雷器能夠起到有效的防雷保護(hù)作用。