農網配電變壓器雷電防護措施研究

馬來寶

【摘要】針對農網配電變壓器存在雷擊損壞隱患，現有規程規定的防護措施并不能完全保護變壓器，有必要研究提出強化防護措施并研究措施的防護效果。針對變壓器低壓繞組首端對外殼絕緣及高壓繞組中性點對外殼絕緣這兩個絕緣薄弱點及接地電阻阻值影響過電壓的問題，經研究，提出三種防護措施：（1）加裝避雷器;（2）加裝電感線圈;（3）降低接地電阻。

【關鍵詞】配電變壓器;雷電過電壓;寬頻模型;避雷器;電感線圈;接地電阻

1.概述

我國配電網敷設面積廣，但絕緣保護配置低，雷電過電壓對其影響比較嚴重。一旦線路上出現雷電過電壓，會經線路直接侵入到設置在線路桿塔上的10kV/0.4kV配電變壓器中，在變壓器內部產生很高的過電壓。配電變壓器作為電能轉換的電力設備，在電力系統中擔當著重要作用，一旦因雷電過電壓損壞，將直接導致用戶供電中斷。由于l0kV電壓等級的配電線路送電距離比較短，一般來講，一個中等城市轄區內約有千臺以上的配電變壓器，其遭受雷擊損壞的概率較高。運行實踐表明，我國配電網變壓器在按照現有規程要求實施雷電防護措施條件下，因雷擊損壞的數量平均仍可達總臺數的1%以上，對于雷電活動較頻繁地區，配電變壓器因雷擊損壞的故障率則更高。

隨著國民經濟發展對用電量和用電可靠性的要求越來越大，配電變壓器的安全可靠運行成為影響配電系統供電質量的重要因素，既有的雷電防護措施對配電變壓器的保護不盡完善，通過加強設置防護措施和優化配置防護措施，提高配電變壓器耐受雷電作用的能力，己成為配網雷電防護工作中迫切需要解決的問題。對配電變壓器雷電防護的研究具有重要的實踐意義和使用價值。

2.變壓器雷擊損壞分析

國內對配電變壓器受雷擊損壞的原因一直采用上世紀八十年代上海交通大學張嘉樣教授提出的一種定性的說法：正、反變換過變壓。

正、反變換過變壓是指雷電波沿低壓線路侵入變變器的低壓繞組，由于低壓繞組中性點外殼相連接，低壓繞組上承受的過電壓通過電磁耦合在高繞組上產生很高的過電壓，高壓繞組上的電壓在高壓繞組中性點達到最大值，使高壓繞組中性點對外殼電壓大大升高，因為高壓繞組側絕緣程度小于低壓繞組側絕緣程度，因此可能會出現低壓繞組絕緣未擊穿，而高壓繞組絕緣擊穿。

反變換過電壓是雷電波沿高壓線路傳到配電變壓器首端，高壓側避雷器動作，雷電流/經避雷器和接地電阻入地，因為變壓器高壓側前的避雷器、變壓器外殼及其低壓繞組中性點采用三點一體的接線方式，雷電流會經接地電阻使低壓繞組中性點電位抬升。由于配電變壓器低壓繞組中性點與其外殼相連，所以接地電阻上抬升的電壓大部分加在低壓繞組中性點處，該電壓沿低壓繞組分布，經電磁耦合變換按變比關系在高壓繞組上出現過電壓，同樣由于變壓器高壓繞組側絕緣程度小于低壓繞組側絕緣程度，而使高壓絕緣受損。

3.配電變壓器雷電防護措施研究

3.1 加裝避雷器

根據仿真研究結果可知，現有的防護措施（在變壓器高壓側安裝避雷器）可以通過避雷器殘壓鉗制高壓繞組對外殼電壓，保護高壓繞組對外殼不發生擊穿，由此證明避雷器在安裝適宜的情況下，可以通過鉗制電位保護安裝處的絕緣。針對此種防護措施和變壓器兩處的絕緣薄弱點，可以有三種不同避雷器設置方案的效果。方案一：低壓側加裝避雷器;方案二：高壓繞組中性點加裝避雷器;方案三：在低壓側及高壓繞組中性點均加裝避雷器。

根據采用Emtp/Atp軟件仿真每種方案對變壓器的保護效果，仿真均將從雷電流直擊高、低壓線路和高、低壓線路上出現雷電感應過電壓4種情況分析，此部分不考慮接地電阻大小的影響，統一選擇接地電阻為4?的情況進行計算。

為了保護變壓器內部高壓繞組中性點處絕緣，本文提出可采用變壓器高壓繞組中性點加裝金屬氧化物避雷器，避雷器的參數選取與高壓側避雷器相同。變壓器高壓繞組中性點安裝避雷器可以保護高壓繞組中性點對外殼電壓低于其沖擊耐受電壓。在擊中高壓側線路的雷電流為10kA時，變壓器高壓繞組中性點電壓為22kV，比無保護時降低約80%，由于避雷器動作，高壓繞組中性點對外殼電壓下降速度比無保護時快，低壓繞組首端對外殼的電壓的波尾也迅速下降，但低壓繞組首端對外殼電壓的峰值出現在避雷器動作以前，所以低壓繞組首端對外殼電壓仍高于其沖擊耐受電壓，會擊穿絕緣。

3.2 加裝電感線圈

配電網的防護措施中曾經有過安裝電感線圈這一方法，該電感線圈的安裝方式為將電感線圈安裝于高壓側避雷器與高壓繞組套管抽頭之間。這種安裝方式和防護機理是基于高壓側的避雷器是采用帶串聯間隙的碳化娃避雷器，避雷器串聯間隙的放電分散性導致其動作并不可靠，將電感線圈安裝于避雷器后方，雷電過電壓傳遞至電感線圈時將發生正反射，從而抬升避雷器端部電壓，使之及時動作，提高避雷器的可靠性和保護效果。但是碳化桂避雷器由于保護效果差，已被金屬氧化物避雷器所取代，金屬氧化物避雷器具有良好的非線性伏安特性，不用加裝串聯間隙即可工作，因此電感線圈的這一安裝方式沒有必要。

本文所提出的電感線圈保護，是考慮到電感線圈有電流不能突變的特性，在三相高壓側避雷器前端均加裝電感線圈來減小流過避雷器的電流，即減小流過接地電阻的電流，使得接地電阻抬升電壓降低，因低壓繞組中性點與接地電阻相連，則低壓繞組中性點電壓降低，通過低壓繞組中性點傳遞的過電壓也隨之減小。

由于要想利用電感線圈達到減小流過避雷器上電流的目的，對電感線圈參數的設置就要達到mH級，假設低壓側線路上安裝了避雷器，那么如果在低壓側避雷器前方加裝mH級別的電感線圈，則在工頻下電感線圈的感抗為幾十歐姆，在低壓側線路上產生的壓降與低壓側工作電壓相比，造成電壓損失較大，得不償失，因此電感線圈只宜加在高壓側避雷器前。

3.3 降低接地電阻

按DL/T499-2001規定，本文中選用的變壓器容量為100kVA，接地電阻滿足在10?以下即可，但根據計算結果，接地電阻為和10?兩種情況下的過電壓數值相差約10倍，因此可以通過進一步降低接地電阻的取值來限制變壓器上的過電壓。但考慮到將接地電阻從4-10?降低至1?，所投入的經濟成本很高，在某些高土壤電阻率的地區則很難實現，因此，選擇盡可能降低接地電阻值，并配合使用其它防護措施。

4.總結

可采用加裝避雷器、加裝電感線圈、降低接地電阻三種防護措施保護配電變壓器。

（1）在低壓繞組側加裝避雷器可保護低壓繞組絕緣不被擊穿，高壓繞組中性點對外殼電壓相比低壓繞組無避雷器保護時降低，但如果雷電流超過40kA，高壓繞組中性點絕緣仍會擊穿;在高壓繞組中性點加裝避雷器可保護高壓繞組中性點絕緣不被擊穿，但對低壓繞組與外殼間的過電壓幅值無限制作用，低壓繞組首端對外殼過電壓會超出絕緣耐受水平。

（2）在高壓側避雷器甜加裝電感線圈，當直擊雷電流幅值較高時，變壓器內部絕緣仍會擊穿，在雷電感應過電壓下，基本可以避免變壓器內部因雷擊出現絕緣擊穿。

（3）變壓器接地電阻越小，變壓器內部的過電壓越小，因此對于規程規定的電阻取值在4?或10?以內，盡可能降低接地電阻值，但僅靠降低變壓器接地電阻很難將變壓器內部的過電壓降到允許值以內，應配合使用其它防護措施。