某礦區110 kV 主變雷害事故原因及改造措施仿真分析

周利兵，付 興，周 勇，張 昇，曾耀吾，劉文洵，安正洲

(1. 新疆電力公司 電力科學研究院，新疆 烏魯木齊830011;2. 山東電力集團公司 檢修公司，山東 濟南250021;3. 長沙理工大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙410076)

0 引言

長期以來，雷電嚴重威脅到礦區電網安全、可靠供電。尤其是雷電波侵入到變電站［1］，打壞主變，造成大面積停電，導致通風系統、排水、緊急升降等系統不能正常運行。由于許多礦井都是重瓦斯礦，一旦停電，瓦斯超標，會嚴重威脅到礦工的生命安全。因此，對礦區供電的安全性提出了更高要求，務必保證供電系統安全、穩定運行［2］。本文以一起該礦區110 kV 變電站主變遭受雷害事故(35 kV 側繞組絕緣破損)為例，通過對現場雷擊點以及避雷器引下線入地和計數器動作情況進行仔細檢查。在對受損主變進行相關高壓試驗的基礎上以及結合避雷器動作情況對主變雷害事故發生原因進行深入分析，找出主要原因，提出相應解決辦法，并通過ATP-EMTP 電磁暫態仿真軟件對采取改造措施之后的雷電防護效果(限制從線路側侵入到變電所的雷電過電壓波的峰值和陡度［3］，從而保護主變壓器繞組絕緣不被擊穿)進行仿真分析，為礦區電網防雷提供相關參考。

1 變電站防雷裝置配置及故障發生過程

1.1 事故前運行方式

該110 kV 變電站，設兩臺50 000 kVA 主變，用兩回電源線路供電，GIS 進線開關柜內分別裝一組避雷器，110 kV I，II 段母線均安裝避雷器，35 kV I，II 段母線PT 柜內各安裝一組避雷器，1號和2 號主變35 kV 開關側各安裝一組避雷器。變電站35 kV 出線4 回，均采用電纜出線，出線開關柜各安裝一組避雷器，且在出線端桿塔上都安裝線路避雷器。

1.2 事故發生過程

某日該地區為雷雨天氣，22 時13 分雷電活動加劇，該變電站35 kV 出線I 回凌晨1 時2 分因雷擊過流I 段動作掉閘;凌晨1 時3 分35 kV 出線II 回線路過流I 段動作掉閘;凌晨1 時3 分該變電站1 號主變比率差動、重瓦斯保護動作掉閘，值班員立即將情況匯報調度中心，并逐級上報。經上級領導同意，凌晨1 時5 分合上110 kV 母聯100 開關，并合上35 kV 母聯3 000 開關，由于1號主變退出，運行方式改為2 號主變帶35 kV I，II 段母線運行。

2 現場檢查及試驗情況分析

2.1 線路現場檢查

經現場查看，35 kV 出線I 回線路27 號桿塔上的B 相絕緣子瓷瓶被打炸(如圖1)，29 號桿塔上B，C 相絕緣子發生閃絡。同時據線路工反映，35 kV 出線I 回線路多處桿塔上絕緣子因雷電過電壓而發生閃絡，有燒傷痕跡。經分析，當晚雷電活動劇烈，極有可能遭受多重雷擊，35 kV出線普遍采用4 片瓷式絕緣子，因為其4 片防污瓷式絕緣子的全波雷電沖擊放電電壓通常在420 kV 左右，并且由于礦區污染較為嚴重，很有可能出現低值甚至零值絕緣子(日常檢修相對缺乏，即使出現也沒有進行正常更換)，而雷電感應過電壓幅值高達幾十萬V，發生瓷瓶被雷電打炸也是情理之中。

圖1 絕緣子打壞圖

2.2 避雷器動作及接地情況

35 kV 母線I 段避雷器B 相動作3 次，C 相動作2 次，出線I 回終端桿塔上線路避雷器A 相動作4 次，C 相動作2 次，35 kV 母線II 段避雷器計數器無動作記錄。通過對35 kV 出線終端桿塔線路避雷器接地引下線進行勘察，發現其與鋼架接觸存在很大問題，僅通過螺絲扣緊，接觸面很小。當避雷器動作，由于接觸不完全，不能迅速泄流，且造成引線上的壓降過高，極有可能導致雷電過電壓波侵入到變電所。該變電站建站時間長達30多年，由于后期增容，改造成110 kV 變電站，當初改造時并未對進線段的桿塔做專門降阻處理，用搖表實測桿塔接地電阻高達34 Ω，盡管避雷器動作泄流，但是地電位的抬升疊加引線的壓降以及避雷器的殘壓就極有可能對主變壓器的絕緣造成嚴重威脅。站內母線側避雷器入地直接與主地網相連，用大電流法(調用變電站所變，以提供大電流達70 A)測量主地網接地阻抗為0.32 Ω，符合規程要求。

2.3 主變試驗情況

礦區供電公司組織相關人員對1 號主變進行試驗，數據如表1，2，3 所示。

表1 絕緣電阻試驗

表2 絕緣電阻試驗

根據上述絕緣電阻、直流電阻試驗以及油色譜測試數據，低壓側絕緣為零，直流電阻嚴重超標，且總烴也出現超標，得出結論:1 號主變高壓繞組數據正常，低壓繞組B 相存在頭尾短路接地。

2.4 吊罩檢查

檢查1 號主變吊罩情況發現:高壓110 kV 側繞組絕緣基本完好，低壓35 kV 側繞組B 相存在匝間短路，局部嚴重受損、變形，絕緣破裂，且內部有熔融顆粒，如圖2。

表3 1 號主變瓦斯氣體油色譜測試 μL/L

3 雷害事故主要原因及改造措施

3.1 主變雷害事故發生主要原因

該次事故的主要原因是35 kV 側線路雷電過電壓侵入到變電所，使主變絕緣被擊穿。但仍然是以感應過電壓為主，因為感應過電壓主要影響110 kV 及以下電網。首先是35 kV 線路沒能通過進線段保護對沿線路侵入的雷電沖擊波進行有效限制。因為35 kV 線路采用4 ～5 片絕緣子，其線路的全波雷電沖擊放電電壓在420 ～500 kV 左右，而變電站主變壓器35 kV 側的全波雷電沖擊耐受值則在200 kV 左右［4］(參考GB 1 094.3-2003)，故線路的絕緣水平與變電站的絕緣水平配合存在一定矛盾。一旦線路有雷電沖擊波時，由于線路絕緣水平較高，進線段防護較弱，雷電沖擊波不能得到有效的限制，從線路側侵入變電所的雷電波幅值就有可能達到400 kV 及以上巨大的雷電沖擊電流，極有可能威脅到主變的絕緣等級。

3.2 主要改造措施

針對礦區此次主變雷害事故，其主要原因是進線段保護相對薄弱，沒能夠限制從線路側侵入到變電所的雷電過電壓波，從而使主變繞組絕緣受到損害，故提出對進線段采取差異性防雷措施。所謂進線段差異性防雷，對變電站進線段前四級桿塔安裝差異性可調式保護間隙，通過調整保護間隙的動作值，其目的就是為了解決線路側與變電站絕緣水平配合存在的問題，在兩者之間起一個橋梁的作用，更好地銜接兩者之間的絕緣等級。保護間隙的動作值大小主要參考母線側避雷器的雷電沖擊殘壓來設定，高于其20% ～28%，而不是線路絕緣子的U50%沖擊耐受，因為之前線路絕緣水平較高，并從終端塔開始逐次提高間隙動作值3% ～5%。若間隙動作值取再低一些，進線段絕緣水平下降過多;若動作值取較高，則不能很好限制雷電侵入波。35 kV 側避雷器標準雷電沖擊殘壓為134 kV 左右，而主變絕緣雷電沖擊耐受達200 kV，故取間隙動作值高于避雷器雷電殘壓20% ～28%，相對來說更安全可靠。

3.3 可調式保護間隙結構及原理

保護間隙與終端塔線路避雷器相互配合，通過調整間隙大小使其先于避雷器放電，進而削弱避雷器所承受的雷電沖擊。保護間隙擁有其自身優點:絕緣恢復速度快、穩定、非易損件。其安裝示意圖如圖3。保護間隙應用到進線段，其本質就是提供了另外一種有效雷電放電通道，故其對避雷器來說，是一種補充、完善。

圖3 已安裝35 kV 可調式保護間隙示意圖

4 改造措施的防雷效果仿真對比分析

采用ATP/EMTP 對35 kV 架空線路遭受雷擊時，對變壓器35 kV 側線路遭受雷電過電壓情況進行仿真研究分析。并對進線段安裝差異性可調式保護間隙前后變壓器35 kV 側所遭受的雷電沖擊過電壓情況進行對比分析［5～7］。

(1)35 kV 進線段架空線模型

參考設計院相關35 kV 架空線(包括避雷線及耦合地線)設計參數，線型:LGJ-120，弧垂3.2 m，水平偏移±1.8 m，呼高27.6 m，檔距170 m，三角形排列;避雷線:GJ-35，與導線垂直距離為3.1 m，弧垂1.7 m;耦合地線:LJ-35，弧垂1.6 m，與導線垂直距離為2.8 m，水平偏移2.0 m;根據上述相關實際參數，選用ATP 中J．Marti 模型(三相導線、單避雷線、單耦合地線)，其優點在于該模型已經考慮避雷線、耦合地線一定屏蔽、分流作用。

(2)變壓器模型

變壓器容量為50 MVA，用入口電容來模擬，由變壓器入口電容的經驗計算公式:

式中:S為變壓器容量(MVA);n為220 kV 及以下電壓等級，n取3;K為入口電容修正系數。

(3)差異性保護間隙閃絡模型

差異性主要是通過調整保護間隙距離的大小來實現，從終端塔逐次提高5% ～8%，直至第四級桿塔，每級間隙相互配合，逐級動作，提供釋放雷電能量通道。選用ATP-EMTP 中的Flash Mode 模型來模擬保護間隙，終端塔安裝的保護間隙動作值參考母線側避雷器雷電沖擊殘壓(高于其20% ～28%)，取170 ～175 kV，間隙動作值分別取:173 kV，183kV，193 kV，203 kV。

(4)避雷器模型

35 kV 線路避雷器為YH5WX-51/134，額定電壓51 kV，雷電沖擊殘壓134 kV，選用ATP 中MOA模型仿真，參數設計參考其出廠電壓-電流特性。

5 ATP-EMTP 仿真結果及分析

進線段安裝差異性可調式保護間隙對變壓器35 kV 側遭受雷電沖擊侵入波的影響，現對35 kV架空線路單相遭受雷擊，對比進線段加裝差異性保護間隙和未加裝時變壓器35 kV 側所遭受的雷電沖擊侵入波的峰值。

通過對比仿真圖4、圖5 可知，當C 相遭受雷擊(Il=5 kA)時，進線段未安裝差異性保護間隙時，變壓器35 kV 側遭受的雷電沖擊侵入波幅值達到220 kV，而根據DL/T620-1997 中變壓器35 kV 側的雷電全波沖擊耐受電壓為200 kV，隨著運行時間的推移，絕緣會有所下降，很有可能造成變壓器絕緣受到損壞。而對進線段采取差異性保護間隙之后，變壓器35 kV 側遭受的雷電沖擊過電壓為100 kV 左右，僅為加裝保護間隙前時的45%。這是因為保護間隙可以先于絕緣子放電，相當于提供了一種額外的雷電能量釋放通道，并通過保護間隙的逐級配合，依次釋放相應雷電能量，從而削弱侵入到變電所的雷電沖擊波幅值和陡度。最后，通過仿真證明，當該35 kV 線路單相遭受雷擊時，通過進線段安裝差異性保護間隙對限制侵入到變電所的雷電沖擊波幅值和陡度有很明顯的作用，從而對主變壓器的絕緣起到很好的保護作用。

圖4 3 號節點遭受雷電過電壓情況

圖5 變壓器35 kV 側雷電過電壓情況

6 結論

(1)針對該礦區110 kV 主變被雷擊打壞進行了仔細分析，通過相關直流電阻和油色譜測試分析，其主要原因是由于35 kV 側線路遭受雷擊，由于進線段防雷措施相對薄弱，沒能很好限制雷電沖擊過電壓波的峰值和陡度，從而導致雷電沖擊過電壓波對主變壓器的絕緣造成損壞。

(2)對于上述主要原因，提出對進線段采取差異性防雷措施，對進線段前四級桿塔安裝差異性可調式保護間隙，并通過ATP-EMTP 電磁暫態仿真軟件對安裝前后的變壓器35 kV 側所遭受的雷電過電壓進行了仿真對比分析，仿真結果表明:進線段安裝差異性保護間隙對于限制侵入到變電所的雷電沖擊波的峰值和陡度有很好的限制作用，從而保護主變絕緣免受雷電過電壓擊穿。

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