基于ATP仿真的變電站雷害事故改造研究

陳穎之

(長沙理工大學，長沙 410114)

基于ATP仿真的變電站雷害事故改造研究

陳穎之

(長沙理工大學，長沙 410114)

介紹了某煤炭企業35 kV變電站雷擊事故情況并系統分析雷害事故原因。根據雷擊現場具體現象和變電站規格參數，對產生雷擊的原因逐一進行數值計算分析，確定了是雷電侵入波所致，并提出了在變電站進線段架設避雷線作為保護裝置、減小避雷器與變壓器之間的電氣距離等改造措施。通過電力系統電磁暫態仿真軟件ATP-EMTP對變電站進線段架設避雷線前后雷電侵入波對變壓器造成的最大沖擊電壓進行仿真，以驗證改造措施的可行性。

35 kV變電站；雷電侵入波；電力系統電磁暫態仿真；防雷改造

變電站是電力系統中的重要傳輸環節，擔負著重要的供變電任務，如果發生雷害事故，往往會造成正常工作中的變壓器損壞，并造成電網供電的不穩定，甚至導致電網崩潰，嚴重影響供電可靠性，所以變電站的防雷保護必須是非常可靠的。某煤炭企業35 kV 1號變壓器受到雷擊，變壓器損壞，避雷器保護無動作，導致企業大面積停電，經濟損失嚴重[1-3]。本文對變電站遭受的雷擊情況進行數值分析，找到造成雷害事故發生的可能原因，初步給出該變電站防雷改造設計，并使用電磁暫態仿真軟件ATP-EMTP進行仿真以驗證其可行性。

1 變電站概況

該企業35 kV變電站位于福建省山區，占地48.5×24.6 m2，平均年雷暴日45天，屬于多雷區。該地區土壤平均電阻率ρ=400 Ω·m。該變電站設有2條進線，4條出線，主要承擔為該煤炭企業其他煤礦供電的任務。該變電站設有2根等高避雷針，避雷針高度h=35 m，避雷針間距D=50 m，站內被保護物高度最高點為hx=9.5 m，1號變壓器距1號避雷針20 m。 變電站簡化分布圖如圖1所示。

圖1 變電站分布圖

2 事故原因分析

通常來說，造成變電站雷害事故的原因有兩種：雷電直擊變電站；變電站進線段線路遭受雷擊(雷電流以雷電侵入波的形式進去變電站，并超過變壓器的最大承受電壓)。

2.1 變電站直擊雷保護

一般情況下為了防止雷電直擊變電站，通常會采用裝設避雷針的方式進行保護，裝設避雷針的原則應該是不僅保證所有變電站區域內的設備都處在避雷針的保護范圍之內同時還應該避免因避雷針與變電站內被保護物電氣距離過近而引起反擊[3-5]。

2.1.1 避雷針保護范圍計算

根據變電站所給資料，二等高避雷針保護范圍示意圖如圖2所示。

圖2 二等高避雷針保護范圍示意圖

(1)

(2)

由式(2)可知，rx=31.15 m。

bx=1.5(h0-hx)=26.73

根據該變電站所提供的數據，可畫出變電站平面占地示意圖如圖3所示。通過數值計算可以得出結論，該變電站二等高避雷針的保護范圍大于變電站占地面積，可以保護變電站內所有設備。由此可知該變電站雷害事故的原因并在此。

圖3 變電站平面占地示意圖

2.1.2 變壓器受到避雷針反擊情況

對于35 kV變電站，變壓器必須與避雷針在空氣中及地下相隔一定的距離，以保證當避雷針遭受雷擊時，避免反擊變壓器造成事故(如圖4所示)，當雷擊避雷針時，雷電流經避雷針及其接地裝置，因雷電流幅值較大，所以在避雷針h高度處和避雷針接地裝置上會出現高電位uk和ud。

(3)

ud=iLRch

(4)

圖4 避雷針離配電架構的距離

而Rch=αchRg

(5)

根據在變電站的實地測量，Rg=7.5 Ω，小于10 Ω的上限，α取0.8，則計算得Rch=6 Ω。

為了防止避雷針對被保護設備因為兩者之間的空氣間隙SK過小而造成反擊，要求SK必須大于一定距離，若設空氣平均耐壓強度為500 kV/m，根據式(3)、式(4)可得

Sk>0.3Rch+0.1h=5.3 m

Sd>0.3Rch=1.8 m

根據計算，為了避免反擊，變壓器與避雷針的空氣中的應大于5.3 m，地下距離應大于1.8 m。但在實際工程應用中，SK不應小于5 m，Sd不應小于3 m。將該變電站實際測量數據SK實際=8.5 m，Sd實際=6 m與理論計算值進行對比，發現均符合要求。由此可知當雷擊避雷針時，變壓器未受到避雷針反擊，排除這個原因。

2.2 變壓器遭受雷電侵入波侵害情況

一般情況下，變電站都裝設有避雷針以避免直擊雷對被保護設備造成損害，因此雷電擊中變電站進線段的概率遠比雷直擊變電站的概率大。根據國家電網公司的統計，絕大部分的變電站雷害事故都是由雷電擊中進線段線路所產生的雷電侵入波造成的[6-8]。通常為了保護變電站中的設備，變電站中限制雷電侵入波過電壓的主要措施是安裝避雷器，以保證當發生雷電侵入波進入變電站時被保護設備上的所受最大沖擊電壓小于其耐壓值。同時為了保證變壓器和其他設備的安全運行，必須對流經避雷器的電流進行限制使之不得高于5 kA。同時也必須限制侵入波陡度和設備離開避雷器的電氣距離。

該35 kV變電站在1號主變高壓側和低壓側安裝閥型避雷器，避雷器距離變壓器25 m，變電站進線段長度，l=1 km，進線段導線懸掛的平均高度hd=12 m。當進線段遭受雷擊時，FZ-35型避雷器進線段落雷，流徑單路進線變電站避雷器電流最大值的計算結果如表1所示。變壓器多次載波耐壓值Uj與避雷器殘壓Uc.5的比較如表2所示。由表1和表2可知，避雷器的沖擊放電電壓u=350 kV，設備多次截波耐壓值Uj=196 kV，避雷器上5 kA下的殘壓Uc.5=134 kV。

(6)

由式(6)可計算得α=477 kV/μs

表2 變壓器多次截波耐壓值Uj與避雷器殘壓Uc.5的比較 kV

表1 FZ-35型避雷器進線段外落雷，流經單路進線變電站避雷器電流最大值的計算值 kV

在對該35kV變電站實地勘察時發現，因該變電站建成時間較早，進線段均未裝設保護裝置。通過計算分析可以知道，在35 kV配電線路中，為了使閥式避雷器能可靠有效地保護變電站內的電氣設備，必須使流經避雷器的電流幅值小于5 kA。但對于35 kV無保護進線段線路來說，當雷電直擊變電站附近的線路時，流經避雷器的電流很可能超過5 kV，來波陡度也會超過允許值，使避雷器失效。假設雷擊發生在距離1號變壓器進線端0.2 km處。此時由式(6)可計算出進入變電站的雷電波陡度。

則可求出此時1號變壓器所受最大沖擊電壓Um為

遠遠超過變壓器多次截波耐壓值196 kV，所以通過分析可知，即使該變電站避雷器能夠可靠的保護電氣設備，但因未裝設保護裝置，當及線段遭受雷擊時，避雷器上所受最大沖擊電壓將會遠遠大于耐壓值，而且來波波陡度也會超過允許值，使得變壓器遭受損壞。所以，該變電站進線段未設置保護裝置是發生雷害事故的原因之一。

3 改造措施

(1)調整避雷器安裝位置，使避雷器與變壓器的電氣距離小于最大允許電氣距離，以保證當雷電侵入波由線路傳到變電站時，避雷器能及時動作保護變壓器不受損壞，防止類似事故再次發生。

(2)增加變電站進線段保護。通常進線段保護是指在臨近變電站的1～2 km的一段線路上加強防雷保護措施。考慮到變電站當地的地形條件，在距變電站1 km處架設避雷線，保護角設置為左右，以保證線路具有較高的耐雷水平，減小該段線路由于繞擊和反擊形成雷電侵入波的概率。如圖5所示。

圖5 進線段保護

(3)在變電站進線段安裝可調式保護裝置作為特殊進線段保護。對配電線路進入變電所的前5級桿塔用可調式保護間隙設置進線段防雷保護，把高幅值的雷電侵入波電壓在進線段上的間隙泄放掉，并通過與變電站的避雷器相配合，保護變電站的防雷安全。

本文將就改造措施進行ATP仿真，以觀察改造措施的效果，驗證其有效性。

圖6 雷擊進線段仿真模型(架設避雷線前)

圖7 雷擊進線段仿真模型(架設避雷線后)

圖8 雷電流波形

4 ATP-EMTP仿真模型的搭建及驗證

根據改造措施，需要通過建立ATP仿真模型來觀察變電站在裝設避雷線之前和裝設避雷線后，變壓器上所受電壓的幅值。仿真模型如圖6，圖7所示，具體參數設由變電站實際參數等值計算取得。

仿真模型中，假設線路被一個幅值為5 000 A的雷電流擊中，雷電流等效電路中，波阻抗設為300 Ω。雷電流波形如圖8所示。

在仿真模型中，假設雷擊發生在距離變壓器進線端200 m的位置。通過仿真測試，可以得到變壓器上電壓變化量如圖9、圖10所示。

圖9 未架設避雷線時，變壓器上電壓變化量

圖9為進線段未架設避雷線時，線路受到雷擊后，變壓器上電壓的變化情況。

由圖9可知，當進線段未架設避雷線時，線路受到5 kA雷電流侵入后，變壓器所受電壓的幅值為255.4 kV，大于35 kV變壓器多次截波耐壓值196 kV，變壓器會因電壓過高而損壞。

圖10為進線段架設避雷線后，線路受到雷擊時，變壓器上電壓的變化情況。

圖10 架設避雷線后，變壓器上電壓變化量

由圖10可知，當線路進線段架設避雷線后，線路受到5 kA雷電流侵入后，變壓器所受電壓幅值為54.5 kA，低于196 kV的變壓器耐壓值，從而消除了雷電侵入波對于變壓器的損害。

通過仿真測試結果可以說明，架設進線段避雷線對于該35 kV變電站防雷改造效果明顯，達到了預期效果。

5 結語

通過對該企業35 kV變電站雷害事故分析研究，認為可能造成雷害事故的原因在于：變壓器與避雷器之間的實際距離大于最大電氣距離，避雷器無法保護變壓器；變電站進線段未設置防雷保護，導致進入變電站的雷電侵入波幅值過大，大于變壓器最大耐壓值。

針對這些原因制定了有針對性的改造措施：(1)使閥型避雷器盡量靠近被保護設備，至少應小于最大允許電氣距離，以保證避雷器起到應有的保護作用；(2)為了保護變電站安全，避免或減少變電站雷電侵入波事故的發生，應在變電站進線段1 km內加裝保護角為的避雷線。

根據改造措施，利用ATP-EMTP軟件建立仿真模型，對改造后效果進行驗證，仿真結果證明，改造措施效果明顯，切實可行。

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(本文編輯：楊林青)

Lightning Protection Transformation in Substation Based on ATP Simulation

CHEN Yingzhi

(Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China)

This paper introduces the lightning accident in a 35kV substation of a coal company and analyzes the causes of the accident. According to the specific situation and substation specification parameters on the scene of the lightning accident, numerical analysis was carried out on the causes of lightning strike one by one, and it was determined that the accident was caused by lightning invasion wave. It also proposes some transformation measures, such as installing lightning shield line as protective device in the substation input line segment, and reducing the electric distance between the lightning arrester and transformer. ATP-EMTP was used to simulate the maximum impact of lightning invasion wave voltages on transformer before and after the installation of lightning shield line, thus verifying the feasibility of the transformation measures.

35kV substation; lightning intruding surge; ATP-EMTP; lightning protection transformation

10.11973/dlyny201703014

陳穎之(1992—)，男，碩士研究生，從事電力系統防雷接地技術研究。

TM862

A

2095-1256(2017)03-0278-05

2017-03-20