配電變壓器雷擊分析與防雷措施探討

摘要：配電變壓器是電力系統運行中重要的電力設備，多種因素的綜合作用使其易遭受雷擊而發生故障，因此電力設計和運行部門一直將配電變壓器的防雷性能研究放在首位。文章對雷電壓（流）的形成以及配電變壓器易遭受的雷擊類型、特征和危害進行了探討，并在此基礎上提出了配電變壓器的防雷措施，以期促進電網的健康穩定運行。

關鍵詞：配電變壓器；雷擊；防雷措施；電力系統；電力設備 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM403 文章編號：1009-2374（2015）35-0117-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.35.058

雷電是在強烈的對流天氣下，發生于云層間、云層與大地間的短時間的放電現象。云層與大地間的放電容易襲擊有一定高度的建筑物、帶電設施、人或動物。而在整個供電網絡中，容易受到雷電襲擊的電力設備中就有配電變壓器，并且雷擊還會造成大面積的停電事故，給工農業生產和人們的日常生活造成影響。隨著電力事業的發展，供電網絡面積越來越大，從而配電變壓器受到雷擊的可能性也相應增加。減少配電變壓器遭受雷擊的幾率，保證電網的安全穩定運行，首先就需要甄別雷擊的類型以及形成的過程等，并結合配電變壓器的結構與連接方式，綜合考慮來篩選具體的防雷措施。

1 雷擊給供電網絡帶來的危害

1.1 雷擊的形成

雷雨天云層與大地間的放電，一定概率會選擇一定高度的建筑物、電力設備等形成通道，從而產生雷擊。一般情況下，一次雷擊并不能完全釋放雷云中的云電負荷，一般情況下會有3～4次云層放電，甚至更多。雷擊主要是有預放電、主放電以及余輝放電三個發展過程。在主放電階段，放電的時間不到1秒，產生的雷電流強度大，是配電變壓器雷擊事故的主要原因。三個過程的雷電流變化如圖1所示：

1.2 雷擊的特征與類型

雷電所產生的電壓遠遠超過日常生活中的電壓，其特征表現在以下三個方面：（1）放電速度極快，通常不超過60μs；（2）電流沖擊會達到幾萬甚至是幾十萬安培，變化的幅度較大；（3）具有高峰值，通?？蛇_到幾億伏特。雷擊的這些特點可對供電網絡中的配電變壓器造成極大的損害。

雷擊在產生過程中會帶來電效應、熱效應以及機械效應，并且這些效應可衍生出變化的電磁場與電磁輻射效應。從化供電局的統計數據顯示，近年來發生的配電變壓器雷擊故障一般有兩種類型：直接雷擊、感應雷擊。直接雷擊是帶電雷云直接對配電變壓器進行放電；感應雷擊是發生在直接雷擊之后，由靜電感應和電磁感應造成的。后者是損壞配電變壓器的主要雷擊類型。

1.3 雷擊對供電網絡的危害

供電網絡中配電系統的絕緣水平較低，通常沒有直接的防雷設備。當雷擊中配電系統中的導線時在電磁感應的影響下會出現更高的故障電壓對系統造成損害。另外，雷擊還會因為電網線路的耦合以及雷電壓轉移到系統其他電力設施上，從而造成更大的損害。

2 造成配電變壓器遭受雷擊故障的原因

配電變壓器雷擊故障一般是因為配電系統在遭受雷擊情況下產生的正、逆變換過電壓造成的，并且逆變電壓帶來的事故更多。

2.1 正變換過電壓

配電變壓器低電壓線路遭受雷擊時，雷電波從低壓線入侵，產生沖擊電流，過程如圖2所示：

2.2 逆變換過電壓

配電變壓器高電壓線路遭受雷擊時，入侵雷電流經過高壓線路中避雷器流入大地，雷電流通過接地電阻而產生壓降，壓降在變壓器低壓繞組中性點上產生作用，同時還會使三相繞組上的電壓上升。并且雷擊在低壓繞組中產生的磁通，會使高壓繞組按線圈匝數比感應出較大的脈電勢。這些三相脈沖電勢的方向、大小相同。具體的運行過程可如圖3所示：

“正、逆變換”過電壓主要是因為：（1）沒有將配電變壓器裝設在適當的位置，增加了其遭受雷擊的風險；（2）避雷器組在使用之前沒有進行試驗，而且沒有對損壞后的避雷器進行檢查替換；（3）避雷器的地線安裝沒有達到相關標準，導致雷電電流沒有徹底泄入大地，加大了損害程度；（4）接地電阻的阻值過大等方面的原因。

3 配電變壓器接線方式與雷害間的關系

3.1 在高壓側安裝避雷器的接地方式

只在配電變壓器高壓側安裝避雷器的防雷保護接線有兩種形式：第一種是使用避雷器單獨接地的形式，如圖4所示，在這種接地方式中過電壓=避雷器殘壓Uc+雷電經過接地電阻產生的壓降IR，過電壓在高壓繞組上發生作用?？梢娺@種接地方式可能會損壞配電變壓器的絕緣，因此該方式存在明顯的不合理性。另一種形式就是三點共同接地，如圖5所示。高壓側安裝的避雷器接地線、低壓側中性點和變壓器金屬外殼三點連接共同接地。這種形式較第一種形式雖然降低了高壓側繞組壓降的危害，但上述“正、逆變換”過程中產生的過電壓依舊存在。

3.2 在雙側安裝避雷器的三點一地方式

經過眾多的實踐經驗表明，在配電變壓器遇到雷擊損壞的同時，低壓設備（低壓監測儀表、配變監測計量終端等）也會發生損害。所以在配電變壓器低壓側也應安裝氧化鋅避雷器，以對低壓繞組上可能出現的過電壓進行限制，從而盡可能地降低“正、逆變換過電壓”帶來的影響，對低壓設備和高壓繞組進行保護。這種方式能夠完善配電變壓器的防雷保護，同時操作簡易、經濟投入不大，適合推廣使用。

3.3 變壓器高壓側串聯電抗器

串聯電抗器不但能夠降低入侵到變壓器繞組的雷電波陡度，從而改善繞組電位分布，而且能夠在線路雷電波上產生正反射波，提升電抗器前的雷電壓幅度，加快避雷器動作，降低其反應時間，能夠有效減少雷電波對變壓器產生的直接傷害。因此，可以在配電變壓器的低壓側安裝氧化鋅無間隙避雷器、高壓側串聯一組電抗器以及并聯一組高壓氧化鋅避雷器。這種方式能夠在大體上限制正、反變換過程中產生的暫態過電壓，最大限度地降低雷電帶來的傷害，但建設成本相應增加，對實際的配電變壓器的防雷工作有一定的參考性。

4 配電變壓器的防雷措施

配電變壓器的防雷保護措施主要是在變壓器的高低壓側安裝避雷器以及有效的接地，減少雷電波侵入的風險并降低雷電波入侵帶來的危害。因此配電變壓器的防雷保護措施可從以下六點入手：

4.1 定期對避雷器進行預防性試驗和維護

配電線路運維過程中，加強對避雷器的預防性試驗和維修護理，建立相關的數據檔案，仔細觀察和分析避雷器的工作狀態，及時排除隱患，對發生損壞的避雷器要及時地進行更換，并且隨時保持避雷器的清潔，注意檢查避雷器地線能否正常投入使用，接地電阻符合要求。

4.2 科學地選擇避雷器

配電變壓器的防雷保護與避雷器的保護性能關系密切。考慮選擇良好的非線性、低殘壓的MOA避雷器，這種避雷器的保護性能明顯優于FS型閥式避雷器?，F在市面上的避雷器類型多、各自之間的功能差異大，因此對設計、施工安裝人員必須要對市面上的一些避雷器的性能有所了解，采購與該線路的額定電壓相匹配的避雷器。這是由于線路中的額定電壓低于所要安裝的避雷器的額定電壓時，會使得線路中的電力設備在遭受雷擊時無法得到相應的保護。而當線路中的額定電壓大于避雷器的額定電壓時，即使在正常的電壓范圍內，避雷器也會因為頻繁的動作而造成線路的接地設備跳閘。

4.3 在配電變壓器的進線位置安裝電抗器

雷電災害多發的地區，可在配電變壓器的進線位置安裝電抗器對變壓器進行保護。電抗器能夠通過進線制作將進線繞成直徑為10mm的19～21圈的電感線圈，來降低雷電流的入侵危害。

4.4 減少避雷器和變壓器外部間的接地線的長度

接地線的電感電壓降UL的計算公式為：

由上述公式可知，若避雷器與變壓器之間的接地線過長，那么該接地線的電感電壓將相對較大，和避雷器殘壓共同作用于繞組，從而威脅到主絕緣。所以避雷器與變壓器外殼之間的接地線的長度要盡可能縮短，并且盡可能使用直、粗、短的接地線。

4.5 保證避雷器接地線聯接的可靠性

導致避雷器不能發揮保護功能，造成變壓器損壞的其中一個主要原因是避雷器接地線與接地裝置間的接點接觸不良。在實際的工作中，對避雷器本身、接地引下線、接地裝置聯接情況的判斷，必須要以避雷器接地電阻的測量為基礎。同時還要定期將各個接點拆開，來對接地體進行測試，確保接地電阻滿足相關的要求后，再對接點進行除銹處理后重新接好，來保證各接點的接觸電阻值保持在最小值。

4.6 采用全面的高壓瞬態等電位連接

在配電變壓器高壓側裝設避雷器，同時在低壓側配電柜內安裝避雷器，這樣可以有效地防止正、逆變換過電壓，特別是在多雷區。在這樣的基礎上，對配電變壓器常態非等電位部位全部實現高壓瞬態等電位連接。變壓器在遭受雷擊時，其所有金屬部位電位瞬時同升同降，理論上來說其相互間就沒有雷電電流流動。即這種方式能夠將正、逆變換過電壓控制在一定的范圍內，保護變壓器不受雷擊損壞。

5 結語

配電變壓器受到雷擊的重要原因是“正、逆變換過電壓”，但是在實際的操作過程中，造成“正、逆變換過電壓”的原因是多方面的，不僅與避雷器的質量、功能關系密切，同時還與該設施與避雷器之間的距離等因素有著很大的關系。因此這使配電變壓器的防雷工作變得復雜起來。由于篇幅和自身能力的限制，本文未能做出全面的闡述，對這一復雜的課題，還需要電力理論研究人員的進一步研究以及電力單位的一線工作人員在實際工作中積累經驗，共同完善配電變壓器的防雷保護工作，維護電網的安全穩定運行。

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作者簡介：丁文博（1989-），男，安徽濉溪人，廣州供電局有限公司從化供電局助理工程師，研究方向：電力系統配電網。

（責任編輯：黃銀芳）