配网避雷器保护失效的场路结合分析

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(1.国网四川省电力公司 电力科学研究院，成都 610072； 2.华北电力大学 电气与电子工程学院，北京 102206； 3.国网四川省电力公司，成都 610023； 4.西南交通大学 电气工程学院，成都 610031)

0 引言

在雷雨季节10 kV变电因台区本身或附近线路受雷击而导致的一次设备损坏故障时有发生[1-6]。变电台区安装有避雷器，在一定情况下，即使避雷器正常动作，也将发生台区设备尤其是变压器的损坏，这就是避雷器保护失效。

对于工频入地电流，台区接地引线和接地体在散流时不会在接地引线和接地体的不同位置产生明显的电位差，而在雷电冲击作用下，接地体会出现复杂的过渡过程[7]，接地引线和接地体的不同位置将会出现明显的电位差异[8-11]。不了解雷电冲击作用下接地体的响应特性，就可能在变电台区接地上采用错误的方式，从而导致雷电直击变电台区或其近区线路时出现避雷器保护失效的情况[12]。

为了对台区接地体在雷电冲击电流作用下的响应进行分析，本文使用场路结合方法进行了分析。文章利用路分析软件ATP-EMTP建立了台区雷击电磁暂态响应模型，对不同幅值雷电流、不同雷击位置下的台区避雷器电流进行了提取，获得进入台区接地体的冲击电流波形；通过在接地体场分析软件CDEGS中建立分析模型，得到在冲击电流作用下接地体不同位置的电位情况。

1 场路结合模型介绍

选取典型的10 kV变电台区建立场、路分析模型。路分析模型见图1，图中10 kV线路使用P-10绝缘子，与台区相邻的两个档距为50 m，杆塔接地电阻为50 Ω。为了考虑台区近区雷电直击后台区过电压最严重的情况，将避雷器低压端通过引下线与接地体相连，变压器外壳通过另外的引下线与接地体相连，两根引下线没有机械接触且分别连接于接地体的两端。

图1 基于ATP-EMTP的路仿真模型Fig.1 Circuit model based on ATP-EMTP

台区接地体模型1见图2，其材料为Φ12 mm的圆钢，土壤为均匀结构，电阻率为100 Ω·m，通过CDEGS计算得到工频下接地体接地电阻为11.03 Ω。

图2 基于CDEGS的10 kV台区接地体场模型1Fig.2 Field model of grounding body 1 in transformer area based on CDEGS

2 雷击点位置及雷电流幅值对台区过电压的影响

本节利用路仿真软件ATP-EMTP对不同幅值雷电流直击不同雷击点的A相(雷击时刻A相初始相角为0°)导线后针式绝缘子闪络及避雷器动作情况进行分析。为简化起见，本节假设雷击不会导致一次设备损坏。

不同幅值雷电流直击不同位置时的绝缘子闪络及避雷器动作情况见表1。

表1 不同幅值雷电流直击不同位置时的绝缘子 闪络及避雷器动作情况Table 1 Insulator flashover and arrester action when different amplitude lightning stroke different position

从表1可知，当雷击点远离台区时，雷击导致杆塔绝缘子闪络，通过台区变压器入地的雷电流幅值远小于雷击点雷电流幅值；随着雷击点靠近台区，通过台区避雷器入地的雷电流幅值逐步增加，台区接地体成为雷电流入地的主要释放通道。

20 kA雷电流直击雷击点1和雷击点3时，雷电流、避雷器电流、台区接地体电流波形见图3。

(a)雷电流作用于雷击点1时

(b)雷电流作用于雷击点3时图3 20 kA雷电流作用于不同雷击点时的电流波形Fig.3 Current wave of 20 kA lightning stroke different position

从图3可知，在雷击点远离台区时，从变电台区接地体入地的电流幅值和陡度明显下降，雷电对台区的影响降低。

3 台区接地体对雷电冲击的响应

本节使用场分析软件CDEGS对台区接地体1在雷电冲击作用下的响应情况进行分析，雷电流通过注入点进入接地体1，在3个观察点提取电位比较其随时间变化情况。

为便于分析，本报告首先对1 kA工频电流作用下，台区接地体1的地表电位分布情况进行了计算，见图4。

从图4可知，在工频入地电流作用下，接地体1及地表电位分布均匀变化，接地体1自身基本处于等电位状态。

(a)地表等位线分布

(b)沿着观察点电位分布图4 工频入地电流作用下接地体电位分布Fig.4 Grounding body potential distribution under power current

为了对10 kV侧避雷器动作产生的冲击电流作用于台区接地体引起的台区暂态电位分布进行分析，以20 kA雷电流作用于雷击点3为例进行分析，将图3(b)中的接地体电流波形输入CDEGS作为激励源，得到接地体1不同观察点(见图2)的电位分布情况见图5。

图5 雷电冲击电流在接地体引起的电位曲线Fig.5 Potential curve of grounding body 1 under lightning surge current

从图5可知，在冲击电流的作用下，台区接地体各观测点的电位分布不一致，在电流的注入点(接近观察点1)电位最大，远离电流注入点处(观察点2、3)电位下降，且非均匀下降，观察点2、3之间的电位差值比观察点1、2之间的电位差值显著。图5中观察点1、3之间的电位差值最大值为47.42 kV。

对于同样的雷电冲击电流，如果台区接地体2的尺寸见图6，此时的杆塔接地电阻CDEGS工频计算值为10.99 Ω，仍然采用图3(b)中的入地电流波形作为CDEGS模型的激励输入，则对应的各观察点的电位曲线见图7，这种情况下观察点1、3之间的电位差最大值达到69.91 kV，接近10 kV一次设备的雷电耐受幅值(75 kV)，加上避雷器动作后的残压(27.6 kV)，则台区变压器承受的过电压已经超过了其难受能力。

图6 接地体2的CDEGS模型Fig.6 CDEGS model for grounding body 2

图7 雷电冲击电流在接地体2引起的电位分布曲线Fig.7 Potential curve of grounding body 2 under lightning surge current

通过上面的分析可知，如果台区避雷器和变压器外壳分别通过单独的引下线接地，接地点位于接地体的两端，当台区近区线路遭受大幅值雷电流直击时，台区变压器会因为雷电过电压损坏，将出现避雷器保护失效的情况。

4 结论

1)当变电台区及其周边线路受雷电直击时，雷击点距离台区越近，雷电能量越集中作用于台区本身，且大幅值雷电流所导致的多相同时闪络不会因为台区避雷器的存在消失。

2)在台区近区直击雷作用下，即使台区避雷器正常动作，也不能够避免台区一次设备损坏，台区设备的接地形式决定了避雷器能否正确发挥功效。

3)为了避免台区避雷器保护失效，台区设备采取的接地方式应该是避雷器低压端钢构引下线直接与变压器外壳相连，然后共同连接台区接地体。