10 kV配電變壓器雷擊故障原因分析及防雷改造措施

謝耀明

摘 要：目前，配電變壓器是電力系統中的關鍵設備之一，極易遭受雷擊，進而引發故障。因此，電力設計和運行部門應有效提高配電變壓器的防雷性能。通過實例，對10 kV配電變壓器的雷擊故障進行了分析，并提出了防雷保護方案，以供相關單位參考和借鑒。

關鍵詞：變壓器；電力系統；配電線路；避雷器

中圖分類號：TM862 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.05.150

雷電是指在強烈的對流天氣下，云層之間、云層與大地間出現的短時間放電現象，其會對一定高度的建筑物、帶電設施、人或動物造成危害。在整個供電網絡中，配電變壓器是易受到雷擊的電力設備之一。配電變壓器遭受雷擊后，會導致線路頻繁跳閘，進而影響整個電力系統運行的穩定性。因此，加強對配電變壓器防雷措施的研究，對保證電力系統的安全有重要的意義。筆者結合某10 kV配電變壓器雷擊故障案例，分析了該事故的原因，提出了有針對性的防雷保護方案，并采用暫態分析軟件ATP-EMTP對避雷器的防雷效果進行了仿真驗證，以期提高配網供電的可靠性，減少雷擊故障對人們造成的影響。

1 線路分析

某10 kV配電線路全長38 km，共設有410座基桿塔，每五座基桿塔T接外引了1臺10 kV/400 V的變壓器，以供施工場地使用。其總體供電方案如圖1所示。

圖1 施工供電方案

2 天氣和配電變壓器情況分析

2.1 天氣情況

據了解，該配電線路地處地形復雜的山區，海拔相對較高，雷電活動頻繁，加之該配電線路的防雷系統存在缺陷，自投入使用以來，常發生雷擊故障，主要表現在以下2方面：①雷擊跳閘率高，進而影響了施工進度；②受到雷電過電壓的影響，變壓器設備多次損壞。該線路部分雷擊故障的信息如表1所示。

表1 雷擊故障信息

停電時間 停電時長/h 事故結果

2013-06-17 15 變壓器損壞

2013-07-19 3.6 線路跳閘

2013-07-28 4.2 線路跳閘

2013-08-29 21 變壓器損壞

2013-09-09 43 變壓器損壞

2013-10-01 17 線路跳閘

2013-12-11 39 多臺變壓器損壞

2014-03-01 57 多臺變壓器損壞

2014-04-19 37 多臺變壓器損壞

2.2 變壓器情況

根據現場了解的情況，故障發生率最高的是10 kV配電線路上T接外引的10/0.4變壓器。此外，經現場勘察發現，所有變壓器均只在高壓側安裝了高壓避雷器，在低壓側未采取任何防雷措施。

3 事故原因分析

通過對事故現場的調研和分析，該配電線路頻繁遭受雷擊的原因如下。

3.1 雷電活動頻繁

該配電線路地處多雷區，年平均雷暴日在60 d以上，雷電活動頻繁，極易發生雷擊故障。

雷電的放電現象包括雷云對地、雷云之間和雷云內部放電等，而大部分雷云放電現象都是在雷云之間出現的。雷云對地放電時，會形成直擊雷，其到達地面時，會在極短的時間內釋放大量的能量，具有極大的破壞力；雷云之間放電時，會因“靜電感應”或“電磁感應”而在配電線路上產生感應雷過電壓，雷云之間的放電越強烈、參與放電的云層離地面越近，產生的感應雷電壓就越大。

3.2 變壓器低壓側未安裝避雷器

當配電線路遭受雷擊時，由于雷電流的幅值較高，所以，在配電線路上會產生較大的電壓降，位于配電變壓器高壓側的避雷器會在第一時間導通，將雷電流引入大地。但此過程不是在瞬間完成的，因此，會在配電變壓器高壓側產生較大的電壓降，其計算公式為：

. （1）

式（1）中：Ug為配電變壓器高壓側的電壓降，kV；Ur為變壓器高壓側避雷器的殘壓，kV；L為高壓側避雷器引下線的電感，μH；i為通過高壓側避雷器的電流，kA；R為通過高壓側避雷器的接地電阻，Ω。

假設變壓器的變比為K，則在配電變壓器低壓側的電壓Ud=Ug/k.由于高壓側的電壓Ug較大，所以，Ud也較大。當變壓器低壓側遭受雷擊時，由于其未安裝避雷器，所以，無法將較大的雷電流迅速引入大地，雷電流將沿著線路進入低壓側的低壓設備，進而損壞低壓設備的絕緣。此外，變壓器的正逆變換也會導致較大的雷電過電壓進入高壓側，進而損壞高壓側設備的絕緣。

4 防雷改造方案

基于以上分析，為了解決該配電線路變壓器防雷系統存在的實際問題，必須在雷電活動頻繁、雷電事故多發區域的配電線路上適當增設避雷線和避雷器，防止線路遭受直擊雷的破壞；在變壓器低壓側增設低壓避雷器，以防高壓側的雷電過電壓進入低壓側、雷電直擊變壓器的低壓側。

5 ATP-EMTP仿真

ATP-EMTP是目前世界上應用最廣泛的電磁暫態計算仿真程序。ATPDraw程序具有標準的Windows操作界面，包含了電力系統中的各種元件。只要點擊相應的圖標，就能輸入元件的相關參數，形成相應的模擬電路，從而測量各點電位的變化、各支路的電流變化。此外，ATP也能利用此程序管理電路文件及其他用戶交換數據。因此，ATPDraw程序已成為電力系統暫態分析的有利工具。

5.1 變壓器高壓側的ATP雷擊仿真

在變壓器高壓側的ATP雷擊仿真中，采用30 kA的沖擊電流模擬雷電流，模擬擊中T接外引10 kV配電線路變壓器高壓側的B相，并測量變壓器低壓側在增設避雷器前、后的雷電過電壓。測量發現，在變壓器高壓側遭受雷擊的情況下，變壓器低壓側未安裝避雷器時，低壓側過電壓的幅值為4 227.5 V，該電壓值會導致低壓設備的絕緣損毀；變壓器低壓側增設避雷器后，低壓側過電壓的幅值為1 512.3V，該電壓值符合安全運行的標準。

5.2 變壓器低壓側的ATP雷擊仿真

在變壓器低壓側的ATP雷擊仿真中，在安裝避雷器后，變壓器的低壓側遭受雷擊時，低壓側的過電壓和通過變壓器高壓側正逆變換進入低壓側的過電壓可滿足電網安全運行的要求。具體如圖2、圖3和圖4所示。

6 結束語

綜上所述，配電變壓器的防雷措施對電力系統的穩定性有直接影響。隨著社會對配電線路供電可靠性的要求越來越高，變壓器的安全運行變得越來越重要。因此，為了保障電力系統的安全、穩定運行，全體防雷工作者需要共同努力，認真調查和分析配電變壓器雷擊故障的原因，研究配電變壓器在遭受雷擊時的損壞規律，并提出有針對性的綜合防雷保護方案，以保障配電變壓器的安全運行，從而保證整條配電線路的安全、穩定運行。

參考文獻

[1]董廣志.10 kV配電線路安裝避雷器后雷電感應過電壓特性分析[J].消費電子，2014（24）.

[2]黃志都，鄧雨榮，李明貴，等.配電線路避雷器雷電感應過電壓防護研究[J].南方電網技術，2015（05）.

〔編輯：張思楠〕