10 kV配電變壓器雷電過電壓及其防治方法研究

雷 瀟，蘭 強，劉守豹，崔 濤

(1.國網四川省電力公司電力科學研究院,四川 成都 610041；2.國網成都供電公司，四川 成都 610041；3.大唐水電科學技術研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引 言

雷擊跳閘和設備損壞是多雷區10 kV配電網面臨的主要問題[1-3]。在降低雷擊跳閘率方面，目前已有大量研究，并取得了一定效果[4-6]。然而，配電網設備雷擊損壞故障率仍然較高。臺區配電變壓器是配電網最重要的設備之一，其雷擊損壞不僅造成經濟損失，伴隨而來的長時間停電還對供電可靠性有明顯影響。

配電變壓器雷擊損壞主要原因是雷電過電壓對絕緣產生了永久性破壞。部分文獻[7-9]研究了雷電過電壓在高低壓繞組間的傳遞，分析了變壓器低壓側表計損壞的機理，但未研究變壓器一次繞組絕緣承受的過電壓，且以感應雷為主。而在山區和丘陵地區，位于山頂、山脊等區域的臺區也有較大雷電直擊風險。文獻[10]對配電變壓器在雷電直擊和雷電感應兩種情況下進行了過電壓仿真，但雷電直擊分析中未考慮避雷器。根據配電網典型設計要求[11]，臺區需三相安裝避雷器。但對各地市公司的調研發現，時常發生變壓器雷擊損壞而避雷器完好的情況。

針對上述問題，在臺區防雷措施調研的基礎上，開展了電磁暫態仿真，研究了雷電直擊和雷電感應下變壓器絕緣承受的過電壓，并提出相應防治方法。

1 臺區防雷設計

根據配電網典型設計，臺區配電變壓器僅由三相氧化鋅避雷器保護。避雷器一般布置于10 kV導線下方4～8 m，配電變壓器支架高3～4 m。避雷器橫擔接地引下線與變壓器外殼接地引下線在桿塔某處匯接后入地，設計如圖1所示。而根據現場勘查，

圖1 避雷器與變壓器相對位置

部分臺區的布置受地形、施工條件及技術的影響，避雷器接地引下線至匯接點的距離具有一定分散性。一些臺區的避雷器接地引下線甚至未與變壓器接地引下線匯接，而是分別連接在接地裝置上。避雷器在雷電過電壓下動作時，接地引下線也會因流過雷電流而產生過電壓，導致變壓器絕緣承受的過電壓大于避雷器殘壓。當變壓器絕緣承受電壓高于標準雷電耐受電壓75 kV時，可能造成絕緣擊穿。

2 仿真模型

為了研究臺區配電變壓器在雷電直擊和雷電感應下的過電壓，在ATP-EMTP中建立電磁暫態仿真模型。雷電流采用標準波形，即波前時間2.6 μs，半波時間50 μs。雷電直擊仿真模型中的雷電流采用Heidler模型。雷電感應仿真模型中的過電壓計算部分采用文獻[12-13]的模塊，如圖2所示。

圖2 感應過電壓計算模塊

臺區桿塔設為13 m，三相導線成三角形排列。避雷器橫擔接地引下線與變壓器支架連接后入地。變壓器支架高3 m，避雷器橫擔距變壓器支架分別設為2 m、4 m和6 m，以研究避雷器接地引下線長度對過電壓的影響。接地引下線的電感設為0.8 μH/m。桿塔接地電阻為4 Ω。臺區電路模型如圖3所示，其中變壓器繞組電路模型如圖4所示[7]。10 kV避雷器伏安特性如表1所示[14]。

圖3 臺區模型

圖4 變壓器繞組模型

表1 10 kV避雷器伏安特性

3 過電壓分析

3.1 雷電直擊過電壓

雷電直擊過電壓與雷電流幅值密切相關。以雷擊中相導線且避雷器接地引下線至變壓器支架距離d為4 m的情況為例，在雷電流幅值為10 kA、20 kA和30 kA時，變壓器高壓側中相繞組對殼過電壓如圖5所示，其峰值分別為67 kV、90 kV和113 kV。

圖5 變壓器高壓側中相電壓(d為4 m)

雷電流幅值20 kA下，變壓器高壓側三相繞組對殼過電壓如圖6所示。未遭受雷擊的相位承受過電壓的峰值僅為30 kV，且發生在2.6 μs附近。遭受雷擊相位的過電壓峰值也出現在2.6 μs附近。這是由于雷電流經過避雷器接地引下線時，接地引下線的等效電感產生了過電壓，其極性與遭受雷擊相位的避雷器一致。變壓器中相繞組對殼電壓即為避雷器殘壓與接地引下線電感電壓之和，如圖7所示。避雷器在通過20 kA雷電流時的殘壓最大值為60 kV，而接地引下線上的電壓峰值為30 kV。對于未遭受雷擊的相位，避雷器在橫擔電位抬升后對導線反擊，變壓器繞組承受的電壓為避雷器殘壓與接地引下線電壓之差。

圖6 變壓器高壓側三相電壓(d為4 m)

圖7 變壓器高壓側中相絕緣、避雷器、接地引下線的直擊雷過電壓(d為4 m)

不同接地引下線長度下，變壓器絕緣承受過電壓與雷電流幅值的關系如圖8所示。雷電流幅值越高，過電壓幅值越高。接地引下線越長，過電壓幅值越高。當接地引下線為6 m時，使變壓器過電壓超過標準雷電耐受電壓75 kV的雷電流幅值僅為10 kA。而即使接地引下線為2 m，使變壓器過電壓超過標準雷電耐受電壓75 kV的雷電流幅值也僅為20 kA。根據多雷區雷電流幅值概率分布，雷電流超過20 kA的概率達59%。因此，10 kV配電變壓器在雷電直擊臺區時極易發生絕緣損壞。

圖8 變壓器中相絕緣承受電壓與雷電流的關系

3.2 感應雷過電壓

為了防止線路末端的反射影響，將線路總長度設置為5 km，線路末端經與導線波阻抗等值的電阻接地。雷擊點距離線路越近，感應雷過電壓越大。一般認為線路附近65 m以內的雷擊為直擊雷，65 m以外為感應雷。這里將雷擊點設置為臺區65 m，以體現感應雷過電壓最嚴苛的情況。

當接地引下線至變壓器支架距離為4 m以及雷電流幅值分別為10 kA、60 kA和100 kA時，變壓器絕緣承受的電壓如圖9所示。雷電流幅值越大，變壓器絕緣承受電壓越高。圖10為雷電流幅值為100 kA的情況下，變壓器絕緣、避雷器和接地引下線的電壓。由于感應雷的能量比直擊雷低，通過避雷器和接地引下線的電流較小，避雷器殘壓和接地引下線電感電壓均較低。可見，即使雷電流幅值高達100 kA，過電壓也低于標準雷電耐受電壓75 kV，感應雷過電壓造成變壓器絕緣損壞的概率非常小。

圖9 感應雷下變壓器高壓側中相電壓(d為4 m)

圖10 變壓器高壓側中相絕緣、避雷器、接地引下線的感應雷過電壓(d為4m)

4 防治方法

由上節可知，雷電直擊是導致變壓器絕緣損壞的主要原因，可采用加裝避雷線的方式進行防治。設避雷線在導線上方2 m以確保30°的保護角。在接地引下線至變壓器支架距離為4 m的情況下，雷電直擊避雷線后，變壓器中相絕緣承受電壓波形如圖11所示。雷電流較大時，過電壓峰值出現在正極性，雷電流較小時則出現在負極性。這是因為避雷器殘壓與接地引下線電壓極性不同所致。雷電流由桿塔接地引下線入地，使避雷器橫擔處電位抬升后導致避雷器動作，一部分雷電流由避雷器反送至10 kV線路。

圖11 有避雷線時變壓器高壓側中相電壓(d為4 m)

以雷電流幅值50 kA的情況為例，如圖12所示，接地引下線上的電壓峰值為78 kV，而避雷器殘壓為39 kV且與其極性相反，變壓器絕緣承受電壓則為兩者之差，即39 kV。

圖12 有避雷線時變壓器高壓側中相絕緣、避雷器、接地引下線的直擊雷過電壓(d為4m)

流過接地引下線和避雷器的雷電流與桿塔接地電阻有關。在雷電流幅值為50 kA、接地引下線為4 m的情況下，不同接地電阻的過電壓如圖13所示。接地電阻越大，過電壓正極性峰值越低。這是由于經接地引下線入地的雷電流隨接地電阻的增大而減小，導致接地引下線的正極性電壓峰值降低。臺區接地電阻的標準規定值為4 Ω，若接地電阻超過該值，變壓器絕緣承受的電壓反而更小。但不宜刻意增大接地電阻，以免避雷器流過電流過大而損壞。

不同接地引下線長度下，變壓器絕緣承受過電壓與雷電流幅值的關系如圖14所示。當雷電流較小或接地引下線較短時，接地引下線的正極性電壓峰值低于避雷器殘壓，變壓器絕緣承受的電壓不超過避雷器殘壓。當雷電流較大且接地引下線較長時，接地引下線的正極性電壓峰值高于避雷器殘壓，變壓器絕緣承受的電壓隨雷電流幅值線性增大。

圖13 有避雷線時變壓器高壓側中相絕緣在不同接地電阻下的過電壓(d為4 m)

當接地引下線為6 m時，使變壓器過電壓超過標準雷電耐受電壓75 kV的雷電流幅值為50 kA，雷電流超過50 kA的概率為27%，而無避雷線時的概率為77%。當接地引下線為4 m時，過電壓超過75 kV的概率僅為15%。而當接地引下線為2 m時，即使雷電流為100 kA，過電壓也遠低于75 kV。因此，臺區加裝避雷線后會大大降低變壓器雷擊損壞概率。

圖14 有避雷線時變壓器絕緣承受電壓與雷電流的關系

5 結 語

為了降低10 kV配電變壓器雷擊損壞故障率，在建立了電磁暫態仿真模型的基礎上，研究了變壓器絕緣在雷電直擊和雷電感應下的過電壓及防治方法，結論如下：

1)臺區避雷器橫擔至變壓器支架的接地引下線在流過雷電流時會產生過電壓，導致變壓器絕緣承受的電壓超過避雷器殘壓。

2)雷電直擊臺區產生的過電壓極易超過變壓器標準雷電耐受電壓，而雷電感應過電壓超過變壓器標準雷電耐受電壓的概率很小。因此，變壓器雷擊損壞多為雷電直擊造成。

3)在臺區加裝避雷線后，變壓器承受的電壓明顯降低。同時，將避雷器接地引下線至變壓器支架的電氣距離縮短，可進一步降低雷電直擊時絕緣損壞的概率。