某矿区110 kV 主变雷害事故原因及改造措施仿真分析

周利兵，付 兴，周 勇，张 昇，曾耀吾，刘文洵，安正洲

(1. 新疆电力公司 电力科学研究院，新疆 乌鲁木齐830011;2. 山东电力集团公司 检修公司，山东 济南250021;3. 长沙理工大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙410076)

0 引言

长期以来，雷电严重威胁到矿区电网安全、可靠供电。尤其是雷电波侵入到变电站［1］，打坏主变，造成大面积停电，导致通风系统、排水、紧急升降等系统不能正常运行。由于许多矿井都是重瓦斯矿，一旦停电，瓦斯超标，会严重威胁到矿工的生命安全。因此，对矿区供电的安全性提出了更高要求，务必保证供电系统安全、稳定运行［2］。本文以一起该矿区110 kV 变电站主变遭受雷害事故(35 kV 侧绕组绝缘破损)为例，通过对现场雷击点以及避雷器引下线入地和计数器动作情况进行仔细检查。在对受损主变进行相关高压试验的基础上以及结合避雷器动作情况对主变雷害事故发生原因进行深入分析，找出主要原因，提出相应解决办法，并通过ATP-EMTP 电磁暂态仿真软件对采取改造措施之后的雷电防护效果(限制从线路侧侵入到变电所的雷电过电压波的峰值和陡度［3］，从而保护主变压器绕组绝缘不被击穿)进行仿真分析，为矿区电网防雷提供相关参考。

1 变电站防雷装置配置及故障发生过程

1.1 事故前运行方式

该110 kV 变电站，设两台50 000 kVA 主变，用两回电源线路供电，GIS 进线开关柜内分别装一组避雷器，110 kV I，II 段母线均安装避雷器，35 kV I，II 段母线PT 柜内各安装一组避雷器，1号和2 号主变35 kV 开关侧各安装一组避雷器。变电站35 kV 出线4 回，均采用电缆出线，出线开关柜各安装一组避雷器，且在出线端杆塔上都安装线路避雷器。

1.2 事故发生过程

某日该地区为雷雨天气，22 时13 分雷电活动加剧，该变电站35 kV 出线I 回凌晨1 时2 分因雷击过流I 段动作掉闸;凌晨1 时3 分35 kV 出线II 回线路过流I 段动作掉闸;凌晨1 时3 分该变电站1 号主变比率差动、重瓦斯保护动作掉闸，值班员立即将情况汇报调度中心，并逐级上报。经上级领导同意，凌晨1 时5 分合上110 kV 母联100 开关，并合上35 kV 母联3 000 开关，由于1号主变退出，运行方式改为2 号主变带35 kV I，II 段母线运行。

2 现场检查及试验情况分析

2.1 线路现场检查

经现场查看，35 kV 出线I 回线路27 号杆塔上的B 相绝缘子瓷瓶被打炸(如图1)，29 号杆塔上B，C 相绝缘子发生闪络。同时据线路工反映，35 kV 出线I 回线路多处杆塔上绝缘子因雷电过电压而发生闪络，有烧伤痕迹。经分析，当晚雷电活动剧烈，极有可能遭受多重雷击，35 kV出线普遍采用4 片瓷式绝缘子，因为其4 片防污瓷式绝缘子的全波雷电冲击放电电压通常在420 kV 左右，并且由于矿区污染较为严重，很有可能出现低值甚至零值绝缘子(日常检修相对缺乏，即使出现也没有进行正常更换)，而雷电感应过电压幅值高达几十万V，发生瓷瓶被雷电打炸也是情理之中。

图1 绝缘子打坏图

2.2 避雷器动作及接地情况

35 kV 母线I 段避雷器B 相动作3 次，C 相动作2 次，出线I 回终端杆塔上线路避雷器A 相动作4 次，C 相动作2 次，35 kV 母线II 段避雷器计数器无动作记录。通过对35 kV 出线终端杆塔线路避雷器接地引下线进行勘察，发现其与钢架接触存在很大问题，仅通过螺丝扣紧，接触面很小。当避雷器动作，由于接触不完全，不能迅速泄流，且造成引线上的压降过高，极有可能导致雷电过电压波侵入到变电所。该变电站建站时间长达30多年，由于后期增容，改造成110 kV 变电站，当初改造时并未对进线段的杆塔做专门降阻处理，用摇表实测杆塔接地电阻高达34 Ω，尽管避雷器动作泄流，但是地电位的抬升叠加引线的压降以及避雷器的残压就极有可能对主变压器的绝缘造成严重威胁。站内母线侧避雷器入地直接与主地网相连，用大电流法(调用变电站所变，以提供大电流达70 A)测量主地网接地阻抗为0.32 Ω，符合规程要求。

2.3 主变试验情况

矿区供电公司组织相关人员对1 号主变进行试验，数据如表1，2，3 所示。

表1 绝缘电阻试验

表2 绝缘电阻试验

根据上述绝缘电阻、直流电阻试验以及油色谱测试数据，低压侧绝缘为零，直流电阻严重超标，且总烃也出现超标，得出结论:1 号主变高压绕组数据正常，低压绕组B 相存在头尾短路接地。

2.4 吊罩检查

检查1 号主变吊罩情况发现:高压110 kV 侧绕组绝缘基本完好，低压35 kV 侧绕组B 相存在匝间短路，局部严重受损、变形，绝缘破裂，且内部有熔融颗粒，如图2。

表3 1 号主变瓦斯气体油色谱测试 μL/L

3 雷害事故主要原因及改造措施

3.1 主变雷害事故发生主要原因

该次事故的主要原因是35 kV 侧线路雷电过电压侵入到变电所，使主变绝缘被击穿。但仍然是以感应过电压为主，因为感应过电压主要影响110 kV 及以下电网。首先是35 kV 线路没能通过进线段保护对沿线路侵入的雷电冲击波进行有效限制。因为35 kV 线路采用4 ～5 片绝缘子，其线路的全波雷电冲击放电电压在420 ～500 kV 左右，而变电站主变压器35 kV 侧的全波雷电冲击耐受值则在200 kV 左右［4］(参考GB 1 094.3-2003)，故线路的绝缘水平与变电站的绝缘水平配合存在一定矛盾。一旦线路有雷电冲击波时，由于线路绝缘水平较高，进线段防护较弱，雷电冲击波不能得到有效的限制，从线路侧侵入变电所的雷电波幅值就有可能达到400 kV 及以上巨大的雷电冲击电流，极有可能威胁到主变的绝缘等级。

3.2 主要改造措施

针对矿区此次主变雷害事故，其主要原因是进线段保护相对薄弱，没能够限制从线路侧侵入到变电所的雷电过电压波，从而使主变绕组绝缘受到损害，故提出对进线段采取差异性防雷措施。所谓进线段差异性防雷，对变电站进线段前四级杆塔安装差异性可调式保护间隙，通过调整保护间隙的动作值，其目的就是为了解决线路侧与变电站绝缘水平配合存在的问题，在两者之间起一个桥梁的作用，更好地衔接两者之间的绝缘等级。保护间隙的动作值大小主要参考母线侧避雷器的雷电冲击残压来设定，高于其20% ～28%，而不是线路绝缘子的U50%冲击耐受，因为之前线路绝缘水平较高，并从终端塔开始逐次提高间隙动作值3% ～5%。若间隙动作值取再低一些，进线段绝缘水平下降过多;若动作值取较高，则不能很好限制雷电侵入波。35 kV 侧避雷器标准雷电冲击残压为134 kV 左右，而主变绝缘雷电冲击耐受达200 kV，故取间隙动作值高于避雷器雷电残压20% ～28%，相对来说更安全可靠。

3.3 可调式保护间隙结构及原理

保护间隙与终端塔线路避雷器相互配合，通过调整间隙大小使其先于避雷器放电，进而削弱避雷器所承受的雷电冲击。保护间隙拥有其自身优点:绝缘恢复速度快、稳定、非易损件。其安装示意图如图3。保护间隙应用到进线段，其本质就是提供了另外一种有效雷电放电通道，故其对避雷器来说，是一种补充、完善。

图3 已安装35 kV 可调式保护间隙示意图

4 改造措施的防雷效果仿真对比分析

采用ATP/EMTP 对35 kV 架空线路遭受雷击时，对变压器35 kV 侧线路遭受雷电过电压情况进行仿真研究分析。并对进线段安装差异性可调式保护间隙前后变压器35 kV 侧所遭受的雷电冲击过电压情况进行对比分析［5～7］。

(1)35 kV 进线段架空线模型

参考设计院相关35 kV 架空线(包括避雷线及耦合地线)设计参数，线型:LGJ-120，弧垂3.2 m，水平偏移±1.8 m，呼高27.6 m，档距170 m，三角形排列;避雷线:GJ-35，与导线垂直距离为3.1 m，弧垂1.7 m;耦合地线:LJ-35，弧垂1.6 m，与导线垂直距离为2.8 m，水平偏移2.0 m;根据上述相关实际参数，选用ATP 中J．Marti 模型(三相导线、单避雷线、单耦合地线)，其优点在于该模型已经考虑避雷线、耦合地线一定屏蔽、分流作用。

(2)变压器模型

变压器容量为50 MVA，用入口电容来模拟，由变压器入口电容的经验计算公式:

式中:S为变压器容量(MVA);n为220 kV 及以下电压等级，n取3;K为入口电容修正系数。

(3)差异性保护间隙闪络模型

差异性主要是通过调整保护间隙距离的大小来实现，从终端塔逐次提高5% ～8%，直至第四级杆塔，每级间隙相互配合，逐级动作，提供释放雷电能量通道。选用ATP-EMTP 中的Flash Mode 模型来模拟保护间隙，终端塔安装的保护间隙动作值参考母线侧避雷器雷电冲击残压(高于其20% ～28%)，取170 ～175 kV，间隙动作值分别取:173 kV，183kV，193 kV，203 kV。

(4)避雷器模型

35 kV 线路避雷器为YH5WX-51/134，额定电压51 kV，雷电冲击残压134 kV，选用ATP 中MOA模型仿真，参数设计参考其出厂电压-电流特性。

5 ATP-EMTP 仿真结果及分析

进线段安装差异性可调式保护间隙对变压器35 kV 侧遭受雷电冲击侵入波的影响，现对35 kV架空线路单相遭受雷击，对比进线段加装差异性保护间隙和未加装时变压器35 kV 侧所遭受的雷电冲击侵入波的峰值。

通过对比仿真图4、图5 可知，当C 相遭受雷击(Il=5 kA)时，进线段未安装差异性保护间隙时，变压器35 kV 侧遭受的雷电冲击侵入波幅值达到220 kV，而根据DL/T620-1997 中变压器35 kV 侧的雷电全波冲击耐受电压为200 kV，随着运行时间的推移，绝缘会有所下降，很有可能造成变压器绝缘受到损坏。而对进线段采取差异性保护间隙之后，变压器35 kV 侧遭受的雷电冲击过电压为100 kV 左右，仅为加装保护间隙前时的45%。这是因为保护间隙可以先于绝缘子放电，相当于提供了一种额外的雷电能量释放通道，并通过保护间隙的逐级配合，依次释放相应雷电能量，从而削弱侵入到变电所的雷电冲击波幅值和陡度。最后，通过仿真证明，当该35 kV 线路单相遭受雷击时，通过进线段安装差异性保护间隙对限制侵入到变电所的雷电冲击波幅值和陡度有很明显的作用，从而对主变压器的绝缘起到很好的保护作用。

图4 3 号节点遭受雷电过电压情况

图5 变压器35 kV 侧雷电过电压情况

6 结论

(1)针对该矿区110 kV 主变被雷击打坏进行了仔细分析，通过相关直流电阻和油色谱测试分析，其主要原因是由于35 kV 侧线路遭受雷击，由于进线段防雷措施相对薄弱，没能很好限制雷电冲击过电压波的峰值和陡度，从而导致雷电冲击过电压波对主变压器的绝缘造成损坏。

(2)对于上述主要原因，提出对进线段采取差异性防雷措施，对进线段前四级杆塔安装差异性可调式保护间隙，并通过ATP-EMTP 电磁暂态仿真软件对安装前后的变压器35 kV 侧所遭受的雷电过电压进行了仿真对比分析，仿真结果表明:进线段安装差异性保护间隙对于限制侵入到变电所的雷电冲击波的峰值和陡度有很好的限制作用，从而保护主变绝缘免受雷电过电压击穿。

［1］李景禄．高电压技术［M］．北京:中国水利水电出版社，2007．

［2］葛红侠，李广洲．煤矿变电站及线路防雷措施分析［J］．煤炭科技，2007，26 (3):78-80．

［3］申元，李景禄，彭利强，等．贵州某35 kV 变电站雷害事故分析与防雷改造［J］．电瓷避雷器，2010，(2):36-39．

［4］DL/T620-1997，交流电气装置的过电压保护和绝缘配合［S］．

［5］陈智，陶凤源，周峰，等．某35kV 配电架空线路防雷保护装置应用研究［J］．电瓷避雷器，2011，(6):46-49．

［6］刘源，彭利强，王伟平，等．配电网架空线路并联可调间隙保护装置研究［J］．高压电器，2011，47(4):47-51．