35 kV熔断器防雷接地事故原因及防雷改造

扈海泽，曾水玲，孙乾方，梁 冰，王 林，方梦鸽，扈菲宇，莫 异

(1.吉首大学信息科学与工程学院,湖南 吉首 416000;2.国网郴州供电分公司,湖南 郴州 423000;3.长沙理工大学电气与信息工程学院,湖南 长沙 410000)

湖南省地处亚热带湿润季风气候区，年均雷暴日50～60 d，最高可达90 d，属于高雷击区，雷电灾害事故发生率列全国第8位.每年的3—9月，湖南境内雷电过程较多，尤其是4月和8月，是雷暴天气的高发期.雷击事故一旦发生，轻则导致自动重合闸装置动作，重则导致电力设备损坏和人员伤亡，造成不可估量的经济损失[1].因此，对于电力系统的防雷及接地的研究越来越受到人们的重视.

1 雷击事故概述

某35 kV变电站地处湖南西部山区，主要为该地区三级负荷居民用户供电，供电半径较小，因此只配备1台主变压器.为了保障供电可靠性，主变压器进线采用35 kV母线进行供电，母线电源分别来自3座110 kV变电站，3条母线共同给变电站供电.该变电站简易一次主接线方式如图1所示.

图1 一次接线Fig. 1 Primary Wiring Diagram

根据该变电站相关事故记录，2018年4月25日22：17所在地发生雷电活动，随即变电站发生跳闸停电事故.值班人员立即上报，0.5 h后检修人员到站进行检修，发现该变电站10 kV站用变压器进线熔断器发生断裂.经过约2 h的停电检修，恢复供电.

2 事故原因

2.1 地理位置

该变电站地处山顶，年平均雷暴日60 d.根据GB50343—2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》[2]的雷电防护分区(表1)，该区域为多雷区，极易发生雷电活动，变电站遭受雷击的概率较大.对现场进行勘察得知，山顶上的高大树木较少，除了建设的2座对角避雷针之外，变电站内的电力设备和龙门架也处于较高位置，这进一步增加了变电站遭受雷击的概率[3-4].

表1 雷电等级

2.2 避雷针架设

该变电站在建设初期考虑了对直击雷的防护，同时兼顾经济因素，配备了1座避雷针.单根避雷针保护范围的计算公式[5]为

(1)

其中：rx为保护半径；hx为被保护物高度；h为避雷针高度；p为高度修正系数(当h≤30 m时，p=1；当30

2.3 接地电阻

按照保护配合原理，当雷击事故发生时，避雷器动作，雷电流通过避雷器间隙、引下线和接地电阻泄入大地，从而保障熔断器的最大通流量[6].现场勘查发现，变压器熔断器并联了避雷器进行防雷保护，避雷器引下线都刷有保护油漆，而在接地处没有进行有效的填埋，从而导致接地体与引下线连接处出现严重腐蚀.根据站内工作人员描述，该避雷器接地体为单独接地体，且没有连接变电站主接地网.考虑到腐蚀问题，采用摇表对避雷器的接地电阻进行了3次测量，测量结果见表2.

表2 接地电阻测量结果

根据电力工作经验，由于该变电站用变压器为10 kV电压等级，绝缘水平低，因此该避雷器接地电阻值标准为2～3 Ω，在特殊情况下要求更低.通过测量结果可知，在发生雷击事故时，避雷器动作，但是因其接地电阻值较高，故泄流速度慢且残余电压高[7-8].

3 改造措施

3.1 增设避雷针

由于该变电站建设初期配备的1座避雷针无法进行完全保护，因此必须增设1座避雷针，由2座避雷针共同保护变电站.新增避雷针置于原避雷针的对角处(图2).

图2 避雷针架设Fig. 2 Lightning Rod Erection

2座避雷针保护范围的计算公式为

其中D为2座避雷针之间的距离.按照经验，在架设过程中D不能大于5h，即2座避雷针之间的距离不能大于避雷针的5倍高度，否则避雷针无法起到完全保护的作用.

3.2 并接保护间隙

变压器熔断器炸裂的主要原因是雷电流过大，虽然有避雷器的保护，但是避雷器保护后的残压过高，导致熔断器炸裂.因此，在熔断器上并联一个保护间隙进行绝缘配合，即间隙的击穿电压要低于熔断器的耐压水平[4].熔断器、保护间隙和避雷器三者之间的伏秒特性曲线如图3所示，保护间隙的安装如图4所示.

图3 伏秒特性曲线Fig. 3 Volt-Second Characteristic Curve

图4 间隙安装Fig. 4 Gap Installation

3.3 接地优化

由于避雷器接地引下线与接地体连接处出现了腐蚀情况，因此需要对接地体进行重新铺设，并做好相应的防腐处理.同时，对避雷器的接地体用相应的扁钢与变电站主接地网相连接，依托主接地网进行优化.现场测量接地电阻，结果见表3.

表3 接地电阻测量结果

由表3可知，该变电站主接地网的接地电阻平均值为2.54 Ω.根据电阻并联原理可知，避雷器接地体与主接地网连接后能有效地降低避雷器的接地电阻.另一方面，主接地网能够快速地对雷电流进行泄流，降低避雷器残压.

4 仿真验证

ATP-EMTP电磁暂态软件是一款主要应用于电力系统电磁暂态分析的仿真软件，仿真系统庞大，内部包含多个集中元件、分布参数、线性及非线性元件和各种电力模型，适用于电力系统中的架空线路、高低压开关、变压器、电机和各种电源等的仿真.笔者采用电磁暂态仿真软件ATP对保护间隙的保护效果和接地电阻值进行仿真，以验证保护措施的有效性.

4.1 接地电阻

根据测量数据，避雷器腐蚀接地体的接地电阻值为8.61 Ω，而在更换接地体及同时采用扁钢引接主接地网后接地电阻值应低于2.54 Ω，因此分别设置8.61，2.54 Ω的避雷器接地电阻值对避雷器残余过电压进行仿真验证.仿真等效电路如图5所示.

图5 仿真等效电路1Fig. 5 Simulated Equivalent Circuit 1

由图5可见，雷电流经过输电线路高压侧和变压器传递到线路低压侧，线路低压侧即为10 kV变电站站用配电变压器的进线电源.仿真电路中采用雷电冲击电源Heidler type 15，因为雷电发生时雷击点雷电流一般为100 kA，所以其雷电模拟发生器参数选择电流模型，雷电流大小为100 kA，雷击输电线路B相.仿真电路模型中模拟的线路为35/10 kV变电变压器，变压器变比设置为3.5，雷电经过变压器高压侧设置四级杆塔.

高压侧避雷动作电压为51 kV，低压侧避雷器动作电压为17 kV.其中三级杆塔采用LCC中的JMarti模型，等效电阻为LINE Z-T模型.通过电压探针测量雷电过电压，运行仿真电路(避雷器接地电阻值为8.61 Ω)，电压探针检测结果如图6所示.从图6可知，过电压幅值约为33 kV.该电压幅值在10 kV电压等级设备耐压范围之外.

将避雷器接地电阻值设置为2.54 Ω，再次运行仿真电路，过电压波形如图7所示.从图7可知，过电压幅值约为12 kV.该电压幅值在10 kV电压等级设备耐压范围之内.对比图6和图7可知，接地电阻2.54 Ω下的过电压幅值比8.61 Ω下的降低了21 kV.

图6 过电压波形1Fig. 6 Overvoltage Waveform 1

图7 过电压波形2Fig. 7 Overvoltage Waveform 2

4.2 保护间隙仿真

由于熔断器串联在线路中，因此将保护间隙并在避雷器上，与避雷器一起配合保护，并设置保护间隙动作电压值为15 kV.模拟仿真保护间隙电路如图8所示(模拟的避雷器接地电阻值为8.61 Ω).同理运行仿真电路，对过电压进行检测，检测结果如图9所示.从图9可知，过电压幅值约为18 kV.对比图6和图9可知，没有安装保护间隙下的过电压幅值降低了15 kV.

图8 仿真等效电路2Fig. 8 Simulated Equivalent Circuit 2

图9 过电压波形3Fig. 9 Overvoltage Waveform 3

5 结论

对某变电站35 kV熔断器防雷接地事故的原因进行了分析，并采用电磁暂态仿真软件ATP模拟仿真，得到以下几点结论：

(1)避雷器接地体腐蚀会导致接地电阻值变大，通过将避雷器接地体与变电站主接地网相连接，可以有效地降低避雷器残余过电压.

(2)在熔断器上并联安装保护间隙，调节间隙距离，使得熔断器、避雷器和保护间隙三者之间有效地绝缘配合，可更大程度地对熔断器进行保护.