雷击引发的地电位反击造成断路器无故障跳闸分析

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/j. cnki. 1004 -6941.2019. 1.020Analysis of Breaker Non 一 Fault Tripping Due To Ground Potential

Counterattack 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 en­

tering the ground causing the circuit breaker trips without fault. Corresponding solutions are given for the above problems.Keywords: ground potential counterattack ； circuit breaker trippi ng 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

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。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

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

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

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

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

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,so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：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

iQ）=直（厂-严~0 （1）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

收稿日期:2018-11 -19式中:a—雷电流波头衰减系数;0—雷电流波

58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. 25 p,S, r2 = 350|jlS , a = 1 /tj , 0 = 1/7½ o 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（避 雷针等）的地电位会急剧变化。不同接地点之间可

《计黄i）測试杖术》2019耳第46家第1拥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。R,

K,

-□—

—

正极防雷器X-CZZ）负极防雷器图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% =0Ko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。(2A OOPOOOU

1 ---7出莊OO龜OO莊7—絲

1 2

10

0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01时间(s)图3 U26 <0时，继电器两端电压-□— —正极防雷器X-□负极防雷器a继电器1/―i45续流二极管丄C,雷击等效卡扰源±ZC2C3 二623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。59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

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 U26 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,R*

HZZ3---------□—

正极防雷鵠负极防雷器rzc,（>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。602 5 02 0^ 150 10^ 500

\\\\_____________

-5000.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01时间(s)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。&

出---------------正极防雷器□----------------

士---------------

缨防雷□--------------器

--------------EZZ3r51mitis: 续流二极管 ；

C g______二C]

c2zt雷击等效干扰源 R G二6

2]_—

~□—3j_图8 1)23< 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9。可见此时虽然继电器电压幅值较

大，但由于其极性为负，电流会通过反向并联的续流 二极管与电容C?、C3形成回路，因此继电器两端不

会承受过高的电压，继电器不会动作。50O

/—-—---——>%

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0-2500 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01时间（s）图9 U23 <0时，继电器电压U4s4 解决措施上文分析了因雷电流入地引发地电位变化，导 致中间继电器误动，进而使断路器误跳闸的机理。 为减少地电位反击带来的危害，提高二次回路工作 的可靠性,提出以下改进措施：4. 1避免雷击产生的浪涌电压通过中间继电器《针量与测试枚木〉2019耳第46以第1期可在中间继电器的电源入口处安装具备防浪涌

电压功能的保护器件(如瞬态电压抑制二极管、金 属氧化物压敏电阻等)，令地电位反击产生的电压 迅速被旁路，避免中间继电器误动。4.2抑制地电位差(1) 尽量降低不同接地点之间的电阻，如通过

安装铜排的方式把各接地点连接在一起，防止雷电

流在地电阻上产生较大的压降。(2) 如果电缆芯线上同时存在两个接地点，则 电缆会与接地网之间形成闭合回路，地电位差产生

的电流可能会穿入该闭合回路，进而致使中间继电

器误动。因此要保证有电气连接的回路中只有一个 接地点。(3) 离雷电流入地点越远，电位变化程度越低, 可尽量使二次回路接地点远离避雷器。(4) 在雷电流入地点(避雷器接地点等)安装多根 接地线，使电流分流,降低各点地电位的变化程度。 4.3改进防雷保护措施(1) 安装人工垂直接地体，减少雷电流在水平

导体上的散流量。(2) 保证防雷接地电阻的阻值小于1(1,可通过

接多根引卜线的方式降低冲击接地电阻。(3) 按电力部门颁布的规程要求，防雷接地网

必须与其它接地体之间的距离不得小于3m,有条件 的变电站可以单独敷设防雷地网，与工作接地分开。

5 结束语本文详细分析了雷电流入地，使地电位发生变

化并引起地电位反击的过程机理。通过建立雷电流

测量模型和Matlab仿真，分析了地电位反击造成中

间继电器误动进而致使断路器无故障跳闸的几种情

况。并基于以上分析给出了相应的改进措施。参考文献[1] 汤磊.变电站二次回路抗干扰问题研究[D].济南：山东大

学,2009.[2] 温昶，马艳宁.建筑防雷设计中的地电位反击保护[J].陕

西建筑2005,121：5〜&[3] 马福.雷击变电所地电位干扰及防护措施研究[D].长沙:

长沙理工大学,2009.〔4]赵喜军.地电位反击的机理及继电保护产品的防雷设计

[JJ.船电技术,2010,30 (3)：60 ~62.作者简介:陈铁，男，高级工程师c工作单位：国网重庆市电力公司检 修分公司。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 )0