湘西110 kV變電站雷擊現(xiàn)場(chǎng)事故研究

譚 韜，肖榮貴，敬亮兵，扈海澤，金 杰，黎 銘，譚恩典，鐘 坤，潘太坤，肖 星

（1國(guó)網(wǎng)婁底供電公司，湖南婁底417000，2吉首大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南湘西416000）

0 引言

變電站是組成電力系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，通過(guò)變電站的變配電，發(fā)電廠發(fā)出的電能才能最大的供用戶使用。考慮到我國(guó)的地形及輸電線路架設(shè)的經(jīng)濟(jì)性，在湘西地區(qū)，絕大部分變電站建設(shè)在山谷之上，很易遭受雷擊。一旦發(fā)生雷擊事故，小則導(dǎo)致保護(hù)開(kāi)關(guān)瞬間跳閘，大則燒毀變電站設(shè)備引起大面積的停電事故，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。

1 變電站電氣結(jié)構(gòu)概述

該變電站為湘西地區(qū)地區(qū)變電站，主要供應(yīng)武陵山地區(qū)中型企業(yè)公司，其主要的電氣主接線形式如下圖1所示。為了保證其供電可靠性，該變電站采用雙母線供電，兩條220 kV進(jìn)線來(lái)自不同的兩座500 kV變電站。變電站內(nèi)采用兩臺(tái)三繞組變壓器并聯(lián)運(yùn)行供電，一臺(tái)作為運(yùn)行主變變壓器，另一臺(tái)采用熱備用變壓器。當(dāng)主變發(fā)生故障或是在定期進(jìn)行檢修時(shí)投入備用變壓器。主變出線為110 kV和35 kV，其中110kV出線主要供應(yīng)武陵山中型企業(yè)用電，35kV主要針對(duì)各小區(qū)及小型企業(yè)用電。在出線110 kV及35 kV母線上都有多路饋線及備用線接口，其中備用線出線接口主要針對(duì)小部分負(fù)荷的擴(kuò)增。

圖1 變電站電氣主接線簡(jiǎn)圖Fig.1 Substation main electrical wiring diagram

兩回220 kV均為鐵塔線路支撐，一回鐵塔數(shù)為36級(jí)，另一回為32級(jí)，兩回終端鐵塔都位于變電站后的山坡上（地處變電站最高位置），主變均設(shè)置為室內(nèi)變壓器。

2 雷擊事故概述

2016年12月10日凌晨，據(jù)值班人員回憶，當(dāng)時(shí)看到很強(qiáng)的雷擊閃電，隨即導(dǎo)致跳閘停電事故。事后發(fā)現(xiàn)雷電直擊終端鐵塔避雷器的接地引線線（引下線有明顯灼燒痕跡，該引下線通過(guò)鐵塔頂端與龍門(mén)架相連，再在龍門(mén)架上引接接地扁鋼接至主地網(wǎng)如下圖2所示），導(dǎo)致線路避雷器及龍門(mén)架上的斷路器及隔離開(kāi)關(guān)爆裂，開(kāi)關(guān)跳閘，導(dǎo)致停電事故。

3 事故原因分析

該變電站地處武陵山山區(qū)，建設(shè)位置處于山坡之上，平均雷暴日為54d/年，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50343-2004《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》第3章雷電防護(hù)分區(qū)（如表1所示）[1]，該區(qū)域?yàn)楦呃讌^(qū)，極容易發(fā)生雷擊事故。

變電站站外兩座終端鐵塔位于站后的山坡之上，變電站建設(shè)有兩座避雷針，成田字對(duì)角狀建設(shè)，都處于龍門(mén)架引伸的對(duì)角上。兩臺(tái)主變變壓器以及電容補(bǔ)償器、電抗器等都在室內(nèi)，終端鐵塔線路避雷器引接線通過(guò)鋼芯固定于站內(nèi)龍門(mén)架，在龍門(mén)架上通過(guò)扁鋼引入地網(wǎng)，具體布局如圖3所示。

圖2 終端桿塔下線Fig.2 The terminal tower down lead wire

表1 雷電劃分等級(jí)Table 1 Lightning rank

圖3 變電站外部地理位置圖Fig.3 Substation external geographic locations

由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得知，從鐵塔到龍門(mén)架之間的跨距（水平）有105 m，從終端鐵塔到龍門(mén)架引接線地勢(shì)正如一個(gè)凹型山谷，并且變電站建造在一個(gè)地勢(shì)較高的山谷之上，所以引接線遭受雷擊的概率增強(qiáng)。

3.1 缺少線路避雷器

該引下線龍門(mén)架上裝設(shè)斷路器及隔離開(kāi)關(guān)時(shí)沒(méi)有在進(jìn)出線裝設(shè)避雷器。當(dāng)雷擊事故發(fā)生時(shí)，雷電過(guò)電壓經(jīng)過(guò)線路傳輸?shù)烬堥T(mén)架直接擊中斷路器及隔離開(kāi)關(guān)。由于雷電過(guò)電壓傳播過(guò)程中無(wú)法迅速的泄入大地，過(guò)高的雷電過(guò)電壓直接傳入斷路器及隔離開(kāi)關(guān)，導(dǎo)致其發(fā)生擊穿及爆裂。

3.2 殘壓反擊

當(dāng)發(fā)生雷擊架空引接線（圖3）時(shí)，雷電流通過(guò)引下線傳遞到接地網(wǎng)進(jìn)行散流，等效電路如圖4所示。

圖4 散流等效電路Fig.4 Leak current equivalent circuit

圖4中L為引下線及龍門(mén)架扁鋼等效電感（忽略了引下線電阻值），R為接地電阻值，Ud為散流時(shí)引下線頂端殘壓。假設(shè)雷電流為i，其計(jì)算公式為[4]

對(duì)于殘余電壓Ud，影響其值的大小主要因素是接地電阻R值，因此在對(duì)變電站防雷接地設(shè)計(jì)時(shí)都需要考慮變電站短路電流值的大小及當(dāng)?shù)乩纂娏髦怠?/p>

在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘察時(shí)發(fā)現(xiàn)，龍門(mén)架上鋪設(shè)的扁鋼共有兩塊，其中一塊完好（保護(hù)漆完整），另一塊已經(jīng)銹跡斑斑，腐蝕嚴(yán)重，面目全非。

如圖5所示，龍門(mén)架上扁鋼有一條腐蝕嚴(yán)重，腐蝕的扁鋼直接導(dǎo)致的后果就是整個(gè)接地電阻值的增大。這部分腐蝕對(duì)于整個(gè)接地電阻（包括引下線、扁鋼及接地電阻）值變化不是很大，但是由于雷電流一般都是千安等級(jí)[1]，因此對(duì)于殘壓影響較大?，F(xiàn)場(chǎng)采用三級(jí)法對(duì)變電站進(jìn)行分點(diǎn)測(cè)試接地電阻，平均采樣變電站五個(gè)點(diǎn)接地電阻，測(cè)試結(jié)果如表2所示，符合標(biāo)準(zhǔn)。由于該變電站運(yùn)行年限比較長(zhǎng)，接地電阻值可能已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在短路電流的要求。殘壓值高則會(huì)發(fā)生龍門(mén)架頂端對(duì)設(shè)備進(jìn)行反擊事故，進(jìn)而燒毀設(shè)備，導(dǎo)致停電事故。

圖5 龍門(mén)架腐蝕的扁鋼Fig.5 Gantry flat steel corrosion

表2 桿塔接地電阻測(cè)量情況Table 2 The tower grounding resistance measurement

4 防雷改造措施

4.1 裝設(shè)避雷器

裝設(shè)避雷器主要是針對(duì)龍門(mén)架上斷路器及隔離開(kāi)關(guān)，在引下線掛接龍門(mén)架處并接以氧化鋅避雷器，同時(shí)在該龍門(mén)架上的斷路器及隔離開(kāi)關(guān)的進(jìn)出線上引接氧化鋅避雷器，改造方式如圖6所示。在引接線上并接氧化鋅避雷器，通過(guò)引接線引入變電站主接地網(wǎng)。當(dāng)發(fā)生雷電過(guò)電壓侵入時(shí)首先經(jīng)過(guò)避雷器進(jìn)行泄流，對(duì)頂端雷電過(guò)電壓幅值進(jìn)行限制（通過(guò)導(dǎo)通泄放電流，使過(guò)電壓幅值限制在殘壓以下），降低龍門(mén)架頂端雷電過(guò)電壓，進(jìn)而保護(hù)斷路器及隔離開(kāi)關(guān)。

圖6 避雷器架設(shè)Fig.6 Arrester erection

4.2 接地網(wǎng)優(yōu)化

4.2.1 加裝垂直接地體

垂直接地體就是在原來(lái)接地網(wǎng)接點(diǎn)處進(jìn)行深挖鋪設(shè)垂直接地體，由于考慮到實(shí)際開(kāi)挖的可行性與經(jīng)濟(jì)性，設(shè)計(jì)在變電站接地網(wǎng)最外圍接地網(wǎng)進(jìn)行開(kāi)挖，加裝垂直接地體。x0y2，x0y4，x2y0，x2y5，x3y5，x4y0，x5y2，x0y4，通過(guò)開(kāi)挖邊緣接地網(wǎng)增加垂直接地體（圖中黑點(diǎn)）。

圖7 模擬變電站主接地網(wǎng)Fig.7 Analog substation main ground grid

垂直接地體的引入使原有的水平接地網(wǎng)變成立體接地網(wǎng)[1]，立體接地網(wǎng)能夠?qū)l(fā)生雷擊事故時(shí)很大的入地電流很快的流入大地中（迅速泄流），使地表電位降低，同時(shí)水平方向電流密度降低，減少水平地網(wǎng)的場(chǎng)強(qiáng)成度，從而達(dá)到有效的降低地網(wǎng)的接地電阻的效果。降阻公式[7]如下：

式中：R1為未裝設(shè)垂直接地體時(shí)水平地網(wǎng)的接地電阻，Ω；R2為垂直接地體與水平地網(wǎng)的接地電阻并聯(lián)值，Ω；R0為裝設(shè)垂直接地體后立體地網(wǎng)實(shí)際電阻的值，Ω。

4.2.2 輔助接地網(wǎng)

輔助接地網(wǎng)就是在距離變電站主接地網(wǎng)1～2 km的范圍內(nèi)鋪設(shè)一個(gè)輔助接地網(wǎng)，并用扁鋼將輔助電網(wǎng)連接到主接地網(wǎng)上[8]。外引輔助接地網(wǎng)能有效的降低接地阻抗的大小，降阻效率為η[7]

式中：Z0為原主接地網(wǎng)的接地阻抗；Z1為外引輔助導(dǎo)體后接地阻抗；Z2為外引輔助接地網(wǎng)后的接地阻抗。

根據(jù)文獻(xiàn)[7]對(duì)輔助方形接地網(wǎng)與輔助圓形接地網(wǎng)接地優(yōu)化效果研究，研究結(jié)果表明，圓形接地網(wǎng)更能降低接地電阻。因此在設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮相同使用材料經(jīng)濟(jì)性以及施工難度的情況下，設(shè)計(jì)采用輔助圓形接地網(wǎng)，輔助接地網(wǎng)設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 模擬輔助接地網(wǎng)設(shè)計(jì)Fig.8 Analog auxiliary grounding grid design

5 模擬仿真驗(yàn)證

采用電磁暫態(tài)仿真軟件ATP-EMTP搭建電路仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算，仿真主要對(duì)避雷器保護(hù)及輔助接地網(wǎng)降阻效果進(jìn)行驗(yàn)證。

5.1 避雷器保護(hù)驗(yàn)證

采用模擬沖擊發(fā)生器等效雷擊，對(duì)引下線采用集中等效模型，忽略線路等效電阻，只考慮模擬線路電感及接地體等效電阻，模擬等效電路如圖9所示。

考慮到雷電傳播到龍門(mén)架雷電流的釋放以及衰減，模擬時(shí)采用1kA雷電流。對(duì)龍門(mén)架掛接點(diǎn)雷電波過(guò)電壓進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如下圖10所示。由圖可知，雷電波過(guò)電壓幅值達(dá)到782 kV，超過(guò)110 kV設(shè)備的耐壓值，導(dǎo)致設(shè)備擊穿爆裂。

圖9 模擬雷擊電路Fig.9 Analog lightning circuit

圖10 雷電過(guò)電壓波形Fig.10 Lightning overvoltage waveforms

針對(duì)該雷擊事故研究，提出采用避雷器進(jìn)行保護(hù)，模擬仿真電路如圖11所示。

圖11 加裝避雷器后電壓Fig.11 The voltage after the installation of the arrester

從圖中可知，雷電過(guò)電壓幅值為83 kV，雖然過(guò)電壓幅值較高，但是對(duì)于110 kV設(shè)備能夠保證其正常運(yùn)行不受影響。

綜上所述，在該架空引下線掛接龍門(mén)架處加裝避雷器能夠有效的限制其幅值，從而保護(hù)電力設(shè)備。

5.2 降阻效果模擬仿真

搭建模擬接地網(wǎng)等效模型，對(duì)于接地網(wǎng)單元模塊采用π型等效電路，該模型搭建的參數(shù)時(shí)根據(jù)一般扁鋼接地網(wǎng)參數(shù)設(shè)置，單元等效電路模型見(jiàn)圖12。

圖12 π型等效電路Fig.12 PI type equivalent circuit

用單元等效電路連接成模型中的5x5接地網(wǎng)，外接交流電源，為了試驗(yàn)的可觀性，采用交流220 V電源進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)用電流探針進(jìn)行電流檢測(cè)，直觀的反映出接地電阻值的變化。

再輔助圓形接地網(wǎng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，再一次測(cè)量其電流探針值，得出總的接地電阻值的變化。分別對(duì)鋪設(shè)輔助接地網(wǎng)前后電流進(jìn)行仿真檢測(cè)，仿真結(jié)果見(jiàn)圖13和圖14。

圖13 主地網(wǎng)測(cè)試電流Fig.13 The test current of the main grounding grid

圖14 輔助接地網(wǎng)測(cè)試電流Fig.14 The test current of auxiliary grounding grid

由上可知，在沒(méi)有接輔助電網(wǎng)前測(cè)試電流最大值約為43A，輔助接地網(wǎng)后測(cè)試電流最大值約為66 A?？芍訙y(cè)試電流值增大了53.5%，根據(jù)歐姆定律可知，接地電阻值也會(huì)相應(yīng)的降低。

根據(jù)模擬仿真結(jié)果，在沒(méi)有鋪設(shè)輔助接地網(wǎng)前測(cè)試電流有效值為30.4 A，經(jīng)過(guò)計(jì)算，接地電阻值為7.2 Ω。輔助接地網(wǎng)后測(cè)試電流有效值為46.7 A，接地電阻值為4.7 Ω，差額接地電阻為2.5 Ω（接地電阻值降低了34.7%）。根據(jù)圖5和式（3），按照電力經(jīng)驗(yàn)，假設(shè)直擊雷雷電流為3 kA，殘壓分別為21.6 kV和14.1 kV，殘壓差額達(dá)到7.5 kV，降低殘壓率為34.5%。

6 結(jié)語(yǔ)

該變電站雷擊事故的發(fā)生主要原因是由于雷擊終端桿塔接地引下線，同時(shí)由于缺乏避雷器對(duì)雷電波過(guò)電壓幅值限制以及接地電阻值較大，導(dǎo)致龍門(mén)架引接點(diǎn)殘壓過(guò)高，進(jìn)而發(fā)生反擊龍門(mén)架電力設(shè)備事故。采用增設(shè)避雷器以及主接地網(wǎng)鋪設(shè)垂直接地體、更換腐蝕扁鋼以及鋪設(shè)圓形輔助接地網(wǎng)等方法能有效的降低殘壓，避免反擊事故的發(fā)生。

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