雷击引发的地电位反击造成断路器无故障跳闸分析

粽铁等：當击引找韵地电值更缶造成斷跆器无故障馳间今析57雷击引发的地电位反击造成断路器无故障跳闸分析陈铁唐娟田芝华费夕刚曾春利秦代春蒋海军郑建生孙星（国网重庆市电力公司检修分公司，重庆400039）摘要:分析了当雷电流入地时，造成地网两点电位差的机理，并给岀了雷电流的测量模型,详细分析了由地电位变化而发生地电位反击造成二次系统继电器动作，从而导致断路器无故障跳闸的现象和原因,并利用Matlab软件进行仿真分析。

关键词:地电位反击;断路器无故障跳闸;雷电流测量模型中图分类号:TM933.1文献标识码：A国家标准学科分类代码:460.4030D01：10.15988/ki.1004-6941.2019.1.020Analysis of Breaker Non一Fault Tripping Due To Ground PotentialCounterattack Caused By LightningChen Tie Tang Juan Tian Zhihua Fei Xigang Zeng Chunli Qin DaichunJiang Haijun Zheng Jiansheng Sun XingAbstract:This paper analyzes the grounding problem of DC system caused by aging or lightning strike of lightning arrester,and presents a mathematical model of lightning current.It introduces the principle of lightning current en­tering the ground causing the circuit breaker trips without fault.Corresponding solutions are given for the above problems.Keywords:ground potential counterattack；circuit breaker trippi n g without fault；mathematical model of lightning current.o引言雷击侵扰是导致变电站断路器误跳闸的主要原因之一。

雷电过电压可分为感应雷过电压和直击雷过电压，感应雷一般会在线路上产生几百千伏的感应过电压,对于电压等级较高的变电站（500kV及以上）不会有很大影响；而直击雷的危害性却非常大,因此直击雷的防护是变电站防雷保护的重点。

通常直击雷对二次回路的干扰也可分为两种：一种是雷击避雷器、高压线路时引起的绝缘子闪络，会在线路上产生高频的暂态过电压，该电压通过电感耦合的方式（即通过CT、PT等互感器）传递到二次回路，影响其正常工作。

一种是雷电流经避雷器、杆塔等设备的接地装置入地，导致二次回路接地点的地电位急剧变化，引发地电位反击。

2016年重庆某500kV 变电站曾发生直流系统地电位反击现象，进而引发中间继电器误动，致使断路器无故障跳闸。

本文就雷击引起的地电位反击进行分析，并给出相应的改进措施以供参考。

1雷电流测量模型为分析雷击导致的地电位反击现象，首先应建立雷电流的测量模型。

雷电流的波形为非周期指数型”其大小主要取决于海拔高度、空气湿度、变电站周围地形等，通常峰值为WkA~150kA,波头长度范围是1|is~5）xs,波长范围是20（xs~100p,s o分析雷电流变化情况时，通常选用以下三种测量模型:脉冲函数模型、双指数函数模型和Heidler函数模型。

本文采用的是双指数函数模型，即公式⑴：iQ）=直（厂-严~0（1）式中:a—雷电流波头衰减系数;0—雷电流波收稿日期:2018-11-1958《计黄i）測试杖术》2019耳第46家第1拥尾衰减系数;峰值修正因子7?=e®-厂色；峰值时间-=ln^~o卩（3-a对于双指数函数模型，只需给定/°、a和0三个参数即可确定雷电流的波形。

令A）=10kA,r,= 1.25p,S,r2=350|jl S,a=1/tj,0=1/7½o利用Mat-lab仿真得到基于双指数函数模型的雷电流波形图,如图1所示。

图I双指数函数模型的雷电流波形2雷电流入地引起的地电位变化分析变电站的接地系统一般包含工作接地、安全接地和防雷接地，单元接地体可认为是由电阻、电感、电容组成的等效模型，由于环境参数（温、湿度）变化、土壤电阻率不均、地网各点电流密度不同等原因,各接地点之间存在一定的电位差。

在正常工作情况下，地网内部流通的电流很小，各点的地电位都可近似认为是零。

发生雷击时,雷电流会通过接闪器、引下线和接地网流入大地，为简化模型，认为其通过单根引下线泄流，由于雷电流本身是一个高频的脉冲波，因此可忽略容抗的影响，只考虑接地体中的电阻和电感,易得雷击在接地装置上产生的冲击电压U,,即公式（2）: U：=Ri+L芈（2）at式中:接地网和引下线间的电阻;厶一接地网和引下线间的电感;i—高频的雷电流;di/dt—雷电流的变化率。

通过上式不难发现,影响冲击电压幅值的因素有雷电流的幅值和陡度，以及引下线和接地网之间的电阻和电感。

实际情况中，〃，的峰值可能会达到几十千伏。

应该特别注意的是，由于雷电流的高频脉冲特性，所产生冲击电压同样是一个高频的脉冲电压波。

由于冲击电压的影响，雷电流入地点（独立避雷针等）的地电位会急剧变化。

不同接地点之间可用等效的电阻模型来连接，当雷电流流入接地系统时,地网的视在地电阻也会升高（与工频交流情况下的阻值相比，地电阻通常会增大10倍以上），地网各点的电位会以雷电流入地点为中心有不同程度的变化，离中心点越近,变化越明显。

土壤电阻率受矿物含量、湿度、结构、温度等因素影响。

如果变电站内部土壤电阻率水平较低，即接地阻抗很低、地网的散流条件很好，当雷击来临时，雷电流在入地点周围不大的范围内就近泄放，远处的地网对散流贡献较小，此时虽然地网各点电位不会升高很多，但地网导体电位梯度较高，即不同接地点之间压差较大。

3地电位反击造成直流系统中间继电器误动原因分析一般变电站中直流系统所使用的控制电缆较长，因此电缆对地的分布电容不可忽视，而直流系统正、负极也存在相应的对地电容。

雷击来临时，会在直流系统不同接地点之间产生较大的电位差，一般可达到几百伏，进而导致地电位反击现象，此时暂态电流会通过对地分布电容和绝缘监察电阻等接地设备耦合至二次回路，致使中间继电器动作。

以下针对此类现象进行详细的分析。

3.1直流系统正极接地点与继电器入口接地点存在电位差对直流系统而言,雷电流流经地网可能会使得正极接地点和继电器入口接地点间产生一个较大的电位差，可用电压源串联电阻模型来等效此干扰源。

当雷电流为正极性，即%<0时，雷电干扰源的方向与直流电源方向相反，其等效电路如图2所示。

XK,-CZZ）—负极防雷器R,-□—正极防雷器图2{^<0时，地电位差等效电路其中C|—电源正极的等效对地电容;一长电缆的对地分布电容;一电源负极的等效对地电容;总一长电缆等效电阻；心一中间继电器等效电阻;鸟、他一直流电源正、负极绝缘监察电阻；他一直流隊铁尊：i ■击引农的地电伎公為造成.商略器无枚障池用夕析59电源等效内阻。

（«2、尼、他要远大于乩、心，C ［、C2 和G 相差不多）；他一直流系统两接地点之间的等 效电阻。

无雷电干扰时，s = +110VU =〃5 = -H0V% =0K o当咼频的雷电流入地造成2点和6点之间存在地电位差时，干扰源、G 、直流电源、心、继电器、C? 和&会构成一闭合回路，电流流经尼产生压降，使 中间继电器两端电压不为0。

由于此干扰源是 逐渐衰减的高频脉冲电压波，在4点和5点间产生的电位差也会从峰值不断衰减，直至0人如果此时U45高于继电器动作电压的时间长于继电器动作时间，则中间继电器会动作，进而导致断路器误跳闸。

对该情况进行Matlab 仿真分析，结果如图3所示。

可知继电器两端电压从0瞬间变化到-200V, 之后短暂上升到180V 后逐渐衰减,持续时间大约6ms,如果继电器动作电压小于180V,则继电器可能会动作。

OO OO O OO OO2 1 1 2(A P U出莊龜莊絲0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01时间(s)---7—71图3 U 26 <0时，继电器两端电压X-□— 正极防雷器1-□—负极防雷器继电器45续流二极管rzc,（>a/―i丄C,雷击等效卡扰源±ZC 2C3 二326图4 U26>0时，地电位差等效电路当雷电流为负极性，即〃26 >0时，其等效电路 如图4所示。

雷电干扰源与直流系统方向相同，此时c,、直流电源、继电器、C2、&和干扰源构成回路, 电流流经继电器的方向为4点流向5点。

对该情况进行Matlab 仿真分析，结果如图5所示。

由图5可知，当〃26 >0时，继电器两端电压极 性为正，峰值可达+620V,远高于一般继电器动作电压在短暂的上升过程后逐渐衰减，当％维持在继电器动作电压以上的时间长于继电器的动作时间时，继电器有可能会动作。

0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01时间(s)图5 U 26 X ）时，继电器电压U “3.2直流系统负极接地点与继电器入口接地点存 在电位差当有雷击引起负极接地点电位发生较大变化时，负极接地点与直流系统其他接地点间存在电位差，与3. 1中分析类似,可用电压源串联电阻模型来等效此干扰源，等效电路如图6所示。

如果此时2点电位高于3点电位，即% >0«2、继电器、C3、他 与干扰源会构成闭合回路，电流流经继电器的方向为4 点流向5点,如果〃旳维持在继电动作电压以上的时间长于继电器动作时间，继电器很有可能会动作。

R*-□—负极防雷器R,HZZ3--------正极防雷鵠图6 U ”>0时，地电位差等效电路利用Matlab 对该情况进行仿真分析，继电器两端电压如图7。

可见当03>0时经过短暂的上 升过程之后逐渐衰减，峰值可达+250V,整个暂态过程持续约1ms,虽然此时继电器两端电压较高，但 是维持时间较短，小于一般继电器动作时间，故当〃23 >（）时，继电器动作的可能较小。

60《针量与测试枚木〉2019耳第46以第1期-5000^0^005 0 5 0 52 2 1 10.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01\\_____________时间(s)mitis: 续流二极管 ；C g ______二C]c 2zt 雷击等效干扰源 R G 二—~□—62]_3j_图7 1)23> 0时，继电器电压-5当% <0时,C2、继电器、C3、他与干扰源构成 回路,电流反向流经继电器，造成“45 <0,等效电路如图8所示。