基于ATP仿真的变电站雷害事故改造研究

陈颖之

(长沙理工大学，长沙 410114)

基于ATP仿真的变电站雷害事故改造研究

陈颖之

(长沙理工大学，长沙 410114)

介绍了某煤炭企业35 kV变电站雷击事故情况并系统分析雷害事故原因。根据雷击现场具体现象和变电站规格参数，对产生雷击的原因逐一进行数值计算分析，确定了是雷电侵入波所致，并提出了在变电站进线段架设避雷线作为保护装置、减小避雷器与变压器之间的电气距离等改造措施。通过电力系统电磁暂态仿真软件ATP-EMTP对变电站进线段架设避雷线前后雷电侵入波对变压器造成的最大冲击电压进行仿真，以验证改造措施的可行性。

35 kV变电站；雷电侵入波；电力系统电磁暂态仿真；防雷改造

变电站是电力系统中的重要传输环节，担负着重要的供变电任务，如果发生雷害事故，往往会造成正常工作中的变压器损坏，并造成电网供电的不稳定，甚至导致电网崩溃，严重影响供电可靠性，所以变电站的防雷保护必须是非常可靠的。某煤炭企业35 kV 1号变压器受到雷击，变压器损坏，避雷器保护无动作，导致企业大面积停电，经济损失严重[1-3]。本文对变电站遭受的雷击情况进行数值分析，找到造成雷害事故发生的可能原因，初步给出该变电站防雷改造设计，并使用电磁暂态仿真软件ATP-EMTP进行仿真以验证其可行性。

1 变电站概况

该企业35 kV变电站位于福建省山区，占地48.5×24.6 m2，平均年雷暴日45天，属于多雷区。该地区土壤平均电阻率ρ=400 Ω·m。该变电站设有2条进线，4条出线，主要承担为该煤炭企业其他煤矿供电的任务。该变电站设有2根等高避雷针，避雷针高度h=35 m，避雷针间距D=50 m，站内被保护物高度最高点为hx=9.5 m，1号变压器距1号避雷针20 m。 变电站简化分布图如图1所示。

图1 变电站分布图

2 事故原因分析

通常来说，造成变电站雷害事故的原因有两种：雷电直击变电站；变电站进线段线路遭受雷击(雷电流以雷电侵入波的形式进去变电站，并超过变压器的最大承受电压)。

2.1 变电站直击雷保护

一般情况下为了防止雷电直击变电站，通常会采用装设避雷针的方式进行保护，装设避雷针的原则应该是不仅保证所有变电站区域内的设备都处在避雷针的保护范围之内同时还应该避免因避雷针与变电站内被保护物电气距离过近而引起反击[3-5]。

2.1.1 避雷针保护范围计算

根据变电站所给资料，二等高避雷针保护范围示意图如图2所示。

图2 二等高避雷针保护范围示意图

(1)

(2)

由式(2)可知，rx=31.15 m。

bx=1.5(h0-hx)=26.73

根据该变电站所提供的数据，可画出变电站平面占地示意图如图3所示。通过数值计算可以得出结论，该变电站二等高避雷针的保护范围大于变电站占地面积，可以保护变电站内所有设备。由此可知该变电站雷害事故的原因并在此。

图3 变电站平面占地示意图

2.1.2 变压器受到避雷针反击情况

对于35 kV变电站，变压器必须与避雷针在空气中及地下相隔一定的距离，以保证当避雷针遭受雷击时，避免反击变压器造成事故(如图4所示)，当雷击避雷针时，雷电流经避雷针及其接地装置，因雷电流幅值较大，所以在避雷针h高度处和避雷针接地装置上会出现高电位uk和ud。

(3)

ud=iLRch

(4)

图4 避雷针离配电架构的距离

而Rch=αchRg

(5)

根据在变电站的实地测量，Rg=7.5 Ω，小于10 Ω的上限，α取0.8，则计算得Rch=6 Ω。

为了防止避雷针对被保护设备因为两者之间的空气间隙SK过小而造成反击，要求SK必须大于一定距离，若设空气平均耐压强度为500 kV/m，根据式(3)、式(4)可得

Sk>0.3Rch+0.1h=5.3 m

Sd>0.3Rch=1.8 m

根据计算，为了避免反击，变压器与避雷针的空气中的应大于5.3 m，地下距离应大于1.8 m。但在实际工程应用中，SK不应小于5 m，Sd不应小于3 m。将该变电站实际测量数据SK实际=8.5 m，Sd实际=6 m与理论计算值进行对比，发现均符合要求。由此可知当雷击避雷针时，变压器未受到避雷针反击，排除这个原因。

2.2 变压器遭受雷电侵入波侵害情况

一般情况下，变电站都装设有避雷针以避免直击雷对被保护设备造成损害，因此雷电击中变电站进线段的概率远比雷直击变电站的概率大。根据国家电网公司的统计，绝大部分的变电站雷害事故都是由雷电击中进线段线路所产生的雷电侵入波造成的[6-8]。通常为了保护变电站中的设备，变电站中限制雷电侵入波过电压的主要措施是安装避雷器，以保证当发生雷电侵入波进入变电站时被保护设备上的所受最大冲击电压小于其耐压值。同时为了保证变压器和其他设备的安全运行，必须对流经避雷器的电流进行限制使之不得高于5 kA。同时也必须限制侵入波陡度和设备离开避雷器的电气距离。

该35 kV变电站在1号主变高压侧和低压侧安装阀型避雷器，避雷器距离变压器25 m，变电站进线段长度，l=1 km，进线段导线悬挂的平均高度hd=12 m。当进线段遭受雷击时，FZ-35型避雷器进线段落雷，流径单路进线变电站避雷器电流最大值的计算结果如表1所示。变压器多次载波耐压值Uj与避雷器残压Uc.5的比较如表2所示。由表1和表2可知，避雷器的冲击放电电压u=350 kV，设备多次截波耐压值Uj=196 kV，避雷器上5 kA下的残压Uc.5=134 kV。

(6)

由式(6)可计算得α=477 kV/μs

表2 变压器多次截波耐压值Uj与避雷器残压Uc.5的比较 kV

表1 FZ-35型避雷器进线段外落雷，流经单路进线变电站避雷器电流最大值的计算值 kV

在对该35kV变电站实地勘察时发现，因该变电站建成时间较早，进线段均未装设保护装置。通过计算分析可以知道，在35 kV配电线路中，为了使阀式避雷器能可靠有效地保护变电站内的电气设备，必须使流经避雷器的电流幅值小于5 kA。但对于35 kV无保护进线段线路来说，当雷电直击变电站附近的线路时，流经避雷器的电流很可能超过5 kV，来波陡度也会超过允许值，使避雷器失效。假设雷击发生在距离1号变压器进线端0.2 km处。此时由式(6)可计算出进入变电站的雷电波陡度。

则可求出此时1号变压器所受最大冲击电压Um为

远远超过变压器多次截波耐压值196 kV，所以通过分析可知，即使该变电站避雷器能够可靠的保护电气设备，但因未装设保护装置，当及线段遭受雷击时，避雷器上所受最大冲击电压将会远远大于耐压值，而且来波波陡度也会超过允许值，使得变压器遭受损坏。所以，该变电站进线段未设置保护装置是发生雷害事故的原因之一。

3 改造措施

(1)调整避雷器安装位置，使避雷器与变压器的电气距离小于最大允许电气距离，以保证当雷电侵入波由线路传到变电站时，避雷器能及时动作保护变压器不受损坏，防止类似事故再次发生。

(2)增加变电站进线段保护。通常进线段保护是指在临近变电站的1～2 km的一段线路上加强防雷保护措施。考虑到变电站当地的地形条件，在距变电站1 km处架设避雷线，保护角设置为左右，以保证线路具有较高的耐雷水平，减小该段线路由于绕击和反击形成雷电侵入波的概率。如图5所示。

图5 进线段保护

(3)在变电站进线段安装可调式保护装置作为特殊进线段保护。对配电线路进入变电所的前5级杆塔用可调式保护间隙设置进线段防雷保护，把高幅值的雷电侵入波电压在进线段上的间隙泄放掉，并通过与变电站的避雷器相配合，保护变电站的防雷安全。

本文将就改造措施进行ATP仿真，以观察改造措施的效果，验证其有效性。

图6 雷击进线段仿真模型(架设避雷线前)

图7 雷击进线段仿真模型(架设避雷线后)

图8 雷电流波形

4 ATP-EMTP仿真模型的搭建及验证

根据改造措施，需要通过建立ATP仿真模型来观察变电站在装设避雷线之前和装设避雷线后，变压器上所受电压的幅值。仿真模型如图6，图7所示，具体参数设由变电站实际参数等值计算取得。

仿真模型中，假设线路被一个幅值为5 000 A的雷电流击中，雷电流等效电路中，波阻抗设为300 Ω。雷电流波形如图8所示。

在仿真模型中，假设雷击发生在距离变压器进线端200 m的位置。通过仿真测试，可以得到变压器上电压变化量如图9、图10所示。

图9 未架设避雷线时，变压器上电压变化量

图9为进线段未架设避雷线时，线路受到雷击后，变压器上电压的变化情况。

由图9可知，当进线段未架设避雷线时，线路受到5 kA雷电流侵入后，变压器所受电压的幅值为255.4 kV，大于35 kV变压器多次截波耐压值196 kV，变压器会因电压过高而损坏。

图10为进线段架设避雷线后，线路受到雷击时，变压器上电压的变化情况。

图10 架设避雷线后，变压器上电压变化量

由图10可知，当线路进线段架设避雷线后，线路受到5 kA雷电流侵入后，变压器所受电压幅值为54.5 kA，低于196 kV的变压器耐压值，从而消除了雷电侵入波对于变压器的损害。

通过仿真测试结果可以说明，架设进线段避雷线对于该35 kV变电站防雷改造效果明显，达到了预期效果。

5 结语

通过对该企业35 kV变电站雷害事故分析研究，认为可能造成雷害事故的原因在于：变压器与避雷器之间的实际距离大于最大电气距离，避雷器无法保护变压器；变电站进线段未设置防雷保护，导致进入变电站的雷电侵入波幅值过大，大于变压器最大耐压值。

针对这些原因制定了有针对性的改造措施：(1)使阀型避雷器尽量靠近被保护设备，至少应小于最大允许电气距离，以保证避雷器起到应有的保护作用；(2)为了保护变电站安全，避免或减少变电站雷电侵入波事故的发生，应在变电站进线段1 km内加装保护角为的避雷线。

根据改造措施，利用ATP-EMTP软件建立仿真模型，对改造后效果进行验证，仿真结果证明，改造措施效果明显，切实可行。

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(本文编辑：杨林青)

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

陈颖之(1992—)，男，硕士研究生，从事电力系统防雷接地技术研究。

TM862

A

2095-1256(2017)03-0278-05

2017-03-20