某礦區(qū)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(xué)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(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙410076)

0 引言

長期以來，雷電嚴(yán)重威脅到礦區(qū)電網(wǎng)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(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)、排水、緊急升降等系統(tǒng)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(biāo)，會嚴(yán)重威脅到礦工的生命安全。因此，對礦區(qū)供電的安全性提出了更高要求，務(wù)必保證供電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行［2］。本文以一起該礦區(qū)110 kV 變電站主變遭受雷害事故(35 kV 側(cè)繞組絕緣破損)為例，通過對現(xiàn)場雷擊點以及避雷器引下線入地和計數(shù)器動作情況進行仔細檢查。在對受損主變進行相關(guān)高壓試驗的基礎(chǔ)上以及結(jié)合避雷器動作情況對主變雷害事故發(fā)生原因進行深入分析，找出主要原因，提出相應(yīng)解決辦法，并通過ATP-EMTP 電磁暫態(tài)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(cè)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(qū)電網(wǎng)防雷提供相關(guān)參考。

1 變電站防雷裝置配置及故障發(fā)生過程

1.1 事故前運行方式

該110 kV 變電站，設(shè)兩臺50 000 kVA 主變，用兩回電源線路供電，GIS 進線開關(guān)柜內(nèi)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(nèi)各安裝一組避雷器，1號和2 號主變35 kV 開關(guān)側(cè)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(guān)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(fā)生過程

某日該地區(qū)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(diào)度中心，并逐級上報。經(jīng)上級領(lǐng)導(dǎo)同意，凌晨1 時5 分合上110 kV 母聯(lián)100 開關(guān)，并合上35 kV 母聯(lián)3 000 開關(guān)，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(xiàn)場檢查及試驗情況分析

2.1 線路現(xiàn)場檢查

經(jīng)現(xiàn)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(fā)生閃絡(luò)。同時據(jù)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(fā)生閃絡(luò)，有燒傷痕跡。經(jīng)分析，當(dāng)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(qū)污染較為嚴(yán)重，很有可能出現(xiàn)低值甚至零值絕緣子(日常檢修相對缺乏，即使出現(xiàn)也沒有進行正常更換)，而雷電感應(yīng)過電壓幅值高達幾十萬V，發(fā)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(shù)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(fā)現(xiàn)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(dāng)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(dǎo)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(dāng)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(yán)重威脅。站內(nèi)母線側(cè)避雷器入地直接與主地網(wǎng)相連，用大電流法(調(diào)用變電站所變，以提供大電流達70 A)測量主地網(wǎng)接地阻抗為0.32 Ω，符合規(guī)程要求。

2.3 主變試驗情況

礦區(qū)供電公司組織相關(guān)人員對1 號主變進行試驗，數(shù)據(jù)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(jù)上述絕緣電阻、直流電阻試驗以及油色譜測試數(shù)據(jù)，低壓側(cè)絕緣為零，直流電阻嚴(yán)重超標(biāo)，且總烴也出現(xiàn)超標(biāo)，得出結(jié)論:1 號主變高壓繞組數(shù)據(jù)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(fā)現(xiàn):高壓110 kV 側(cè)繞組絕緣基本完好，低壓35 kV 側(cè)繞組B 相存在匝間短路，局部嚴(yán)重受損、變形，絕緣破裂，且內(nèi)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(fā)生主要原因

該次事故的主要原因是35 kV 側(cè)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(yīng)過電壓為主，因為感應(yīng)過電壓主要影響110 kV 及以下電網(wǎng)。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(cè)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(cè)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(qū)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(cè)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(diào)式保護間隙，通過調(diào)整保護間隙的動作值，其目的就是為了解決線路側(cè)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(cè)避雷器的雷電沖擊殘壓來設(shè)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(cè)避雷器標(biāo)準(zhǔn)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(diào)式保護間隙結(jié)構(gòu)及原理

保護間隙與終端塔線路避雷器相互配合，通過調(diào)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(yōu)點:絕緣恢復(fù)速度快、穩(wěn)定、非易損件。其安裝示意圖如圖3。保護間隙應(yīng)用到進線段，其本質(zhì)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(diào)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(cè)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(diào)式保護間隙前后變壓器35 kV 側(cè)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(shè)計院相關(guān)35 kV 架空線(包括避雷線及耦合地線)設(shè)計參數(shù)，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(dǎo)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(dǎo)線垂直距離為2.8 m，水平偏移2.0 m;根據(jù)上述相關(guān)實際參數(shù)，選用ATP 中J．Marti 模型(三相導(dǎo)線、單避雷線、單耦合地線)，其優(yōu)點在于該模型已經(jīng)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(jīng)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(shù)。

(3)差異性保護間隙閃絡(luò)模型

差異性主要是通過調(diào)整保護間隙距離的大小來實現(xiàn)，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(cè)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(shù)設(shè)計參考其出廠電壓-電流特性。

5 ATP-EMTP 仿真結(jié)果及分析

進線段安裝差異性可調(diào)式保護間隙對變壓器35 kV 側(cè)遭受雷電沖擊侵入波的影響，現(xiàn)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(cè)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(dāng)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(cè)遭受的雷電沖擊侵入波幅值達到220 kV，而根據(jù)DL/T620-1997 中變壓器35 kV 側(cè)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(cè)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(dāng)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(yīng)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(dāng)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(jié)點遭受雷電過電壓情況

圖5 變壓器35 kV 側(cè)雷電過電壓情況

6 結(jié)論

(1)針對該礦區(qū)110 kV 主變被雷擊打壞進行了仔細分析，通過相關(guān)直流電阻和油色譜測試分析，其主要原因是由于35 kV 側(cè)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(dǎo)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(diào)式保護間隙，并通過ATP-EMTP 電磁暫態(tài)仿真軟件對安裝前后的變壓器35 kV 側(cè)所遭受的雷電過電壓進行了仿真對比分析，仿真結(jié)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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