農(nóng)網(wǎng)配電變壓器雷電防護(hù)措施研究

馬來(lái)寶

【摘要】針對(duì)農(nóng)網(wǎng)配電變壓器存在雷擊損壞隱患，現(xiàn)有規(guī)程規(guī)定的防護(hù)措施并不能完全保護(hù)變壓器，有必要研究提出強(qiáng)化防護(hù)措施并研究措施的防護(hù)效果。針對(duì)變壓器低壓繞組首端對(duì)外殼絕緣及高壓繞組中性點(diǎn)對(duì)外殼絕緣這兩個(gè)絕緣薄弱點(diǎn)及接地電阻阻值影響過(guò)電壓的問(wèn)題，經(jīng)研究，提出三種防護(hù)措施：（1）加裝避雷器;（2）加裝電感線圈;（3）降低接地電阻。

【關(guān)鍵詞】配電變壓器;雷電過(guò)電壓;寬頻模型;避雷器;電感線圈;接地電阻

1.概述

我國(guó)配電網(wǎng)敷設(shè)面積廣，但絕緣保護(hù)配置低，雷電過(guò)電壓對(duì)其影響比較嚴(yán)重。一旦線路上出現(xiàn)雷電過(guò)電壓，會(huì)經(jīng)線路直接侵入到設(shè)置在線路桿塔上的10kV/0.4kV配電變壓器中，在變壓器內(nèi)部產(chǎn)生很高的過(guò)電壓。配電變壓器作為電能轉(zhuǎn)換的電力設(shè)備，在電力系統(tǒng)中擔(dān)當(dāng)著重要作用，一旦因雷電過(guò)電壓損壞，將直接導(dǎo)致用戶(hù)供電中斷。由于l0kV電壓等級(jí)的配電線路送電距離比較短，一般來(lái)講，一個(gè)中等城市轄區(qū)內(nèi)約有千臺(tái)以上的配電變壓器，其遭受雷擊損壞的概率較高。運(yùn)行實(shí)踐表明，我國(guó)配電網(wǎng)變壓器在按照現(xiàn)有規(guī)程要求實(shí)施雷電防護(hù)措施條件下，因雷擊損壞的數(shù)量平均仍可達(dá)總臺(tái)數(shù)的1%以上，對(duì)于雷電活動(dòng)較頻繁地區(qū)，配電變壓器因雷擊損壞的故障率則更高。

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)用電量和用電可靠性的要求越來(lái)越大，配電變壓器的安全可靠運(yùn)行成為影響配電系統(tǒng)供電質(zhì)量的重要因素，既有的雷電防護(hù)措施對(duì)配電變壓器的保護(hù)不盡完善，通過(guò)加強(qiáng)設(shè)置防護(hù)措施和優(yōu)化配置防護(hù)措施，提高配電變壓器耐受雷電作用的能力，己成為配網(wǎng)雷電防護(hù)工作中迫切需要解決的問(wèn)題。對(duì)配電變壓器雷電防護(hù)的研究具有重要的實(shí)踐意義和使用價(jià)值。

2.變壓器雷擊損壞分析

國(guó)內(nèi)對(duì)配電變壓器受雷擊損壞的原因一直采用上世紀(jì)八十年代上海交通大學(xué)張嘉樣教授提出的一種定性的說(shuō)法：正、反變換過(guò)變壓。

正、反變換過(guò)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(diǎn)外殼相連接，低壓繞組上承受的過(guò)電壓通過(guò)電磁耦合在高繞組上產(chǎn)生很高的過(guò)電壓，高壓繞組上的電壓在高壓繞組中性點(diǎn)達(dá)到最大值，使高壓繞組中性點(diǎn)對(duì)外殼電壓大大升高，因?yàn)楦邏豪@組側(cè)絕緣程度小于低壓繞組側(cè)絕緣程度，因此可能會(huì)出現(xiàn)低壓繞組絕緣未擊穿，而高壓繞組絕緣擊穿。

反變換過(guò)電壓是雷電波沿高壓線路傳到配電變壓器首端，高壓側(cè)避雷器動(dòng)作，雷電流/經(jīng)避雷器和接地電阻入地，因?yàn)樽儔浩鞲邏簜?cè)前的避雷器、變壓器外殼及其低壓繞組中性點(diǎn)采用三點(diǎn)一體的接線方式，雷電流會(huì)經(jīng)接地電阻使低壓繞組中性點(diǎn)電位抬升。由于配電變壓器低壓繞組中性點(diǎn)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(diǎn)處，該電壓沿低壓繞組分布，經(jīng)電磁耦合變換按變比關(guān)系在高壓繞組上出現(xiàn)過(guò)電壓，同樣由于變壓器高壓繞組側(cè)絕緣程度小于低壓繞組側(cè)絕緣程度，而使高壓絕緣受損。

3.配電變壓器雷電防護(hù)措施研究

3.1 加裝避雷器

根據(jù)仿真研究結(jié)果可知，現(xiàn)有的防護(hù)措施（在變壓器高壓側(cè)安裝避雷器）可以通過(guò)避雷器殘壓鉗制高壓繞組對(duì)外殼電壓，保護(hù)高壓繞組對(duì)外殼不發(fā)生擊穿，由此證明避雷器在安裝適宜的情況下，可以通過(guò)鉗制電位保護(hù)安裝處的絕緣。針對(duì)此種防護(hù)措施和變壓器兩處的絕緣薄弱點(diǎn)，可以有三種不同避雷器設(shè)置方案的效果。方案一：低壓側(cè)加裝避雷器;方案二：高壓繞組中性點(diǎn)加裝避雷器;方案三：在低壓側(cè)及高壓繞組中性點(diǎn)均加裝避雷器。

根據(jù)采用Emtp/Atp軟件仿真每種方案對(duì)變壓器的保護(hù)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(xiàn)雷電感應(yīng)過(guò)電壓4種情況分析，此部分不考慮接地電阻大小的影響，統(tǒng)一選擇接地電阻為4?的情況進(jìn)行計(jì)算。

為了保護(hù)變壓器內(nèi)部高壓繞組中性點(diǎn)處絕緣，本文提出可采用變壓器高壓繞組中性點(diǎn)加裝金屬氧化物避雷器，避雷器的參數(shù)選取與高壓側(cè)避雷器相同。變壓器高壓繞組中性點(diǎn)安裝避雷器可以保護(hù)高壓繞組中性點(diǎn)對(duì)外殼電壓低于其沖擊耐受電壓。在擊中高壓側(cè)線路的雷電流為10kA時(shí)，變壓器高壓繞組中性點(diǎn)電壓為22kV，比無(wú)保護(hù)時(shí)降低約80%，由于避雷器動(dòng)作，高壓繞組中性點(diǎn)對(duì)外殼電壓下降速度比無(wú)保護(hù)時(shí)快，低壓繞組首端對(duì)外殼的電壓的波尾也迅速下降，但低壓繞組首端對(duì)外殼電壓的峰值出現(xiàn)在避雷器動(dòng)作以前，所以低壓繞組首端對(duì)外殼電壓仍高于其沖擊耐受電壓，會(huì)擊穿絕緣。

3.2 加裝電感線圈

配電網(wǎng)的防護(hù)措施中曾經(jīng)有過(guò)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(cè)避雷器與高壓繞組套管抽頭之間。這種安裝方式和防護(hù)機(jī)理是基于高壓側(cè)的避雷器是采用帶串聯(lián)間隙的碳化娃避雷器，避雷器串聯(lián)間隙的放電分散性導(dǎo)致其動(dòng)作并不可靠，將電感線圈安裝于避雷器后方，雷電過(guò)電壓傳遞至電感線圈時(shí)將發(fā)生正反射，從而抬升避雷器端部電壓，使之及時(shí)動(dòng)作，提高避雷器的可靠性和保護(hù)效果。但是碳化桂避雷器由于保護(hù)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(lián)間隙即可工作，因此電感線圈的這一安裝方式?jīng)]有必要。

本文所提出的電感線圈保護(hù)，是考慮到電感線圈有電流不能突變的特性，在三相高壓側(cè)避雷器前端均加裝電感線圈來(lái)減小流過(guò)避雷器的電流，即減小流過(guò)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(diǎn)與接地電阻相連，則低壓繞組中性點(diǎn)電壓降低，通過(guò)低壓繞組中性點(diǎn)傳遞的過(guò)電壓也隨之減小。

由于要想利用電感線圈達(dá)到減小流過(guò)避雷器上電流的目的，對(duì)電感線圈參數(shù)的設(shè)置就要達(dá)到mH級(jí)，假設(shè)低壓側(cè)線路上安裝了避雷器，那么如果在低壓側(cè)避雷器前方加裝mH級(jí)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(cè)線路上產(chǎn)生的壓降與低壓側(cè)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(cè)避雷器前。

3.3 降低接地電阻

按DL/T499-2001規(guī)定，本文中選用的變壓器容量為100kVA，接地電阻滿(mǎn)足在10?以下即可，但根據(jù)計(jì)算結(jié)果，接地電阻為和10?兩種情況下的過(guò)電壓數(shù)值相差約10倍，因此可以通過(guò)進(jìn)一步降低接地電阻的取值來(lái)限制變壓器上的過(guò)電壓。但考慮到將接地電阻從4-10?降低至1?，所投入的經(jīng)濟(jì)成本很高，在某些高土壤電阻率的地區(qū)則很難實(shí)現(xiàn)，因此，選擇盡可能降低接地電阻值，并配合使用其它防護(hù)措施。

4.總結(jié)

可采用加裝避雷器、加裝電感線圈、降低接地電阻三種防護(hù)措施保護(hù)配電變壓器。

（1）在低壓繞組側(cè)加裝避雷器可保護(hù)低壓繞組絕緣不被擊穿，高壓繞組中性點(diǎn)對(duì)外殼電壓相比低壓繞組無(wú)避雷器保護(hù)時(shí)降低，但如果雷電流超過(guò)40kA，高壓繞組中性點(diǎn)絕緣仍會(huì)擊穿;在高壓繞組中性點(diǎn)加裝避雷器可保護(hù)高壓繞組中性點(diǎn)絕緣不被擊穿，但對(duì)低壓繞組與外殼間的過(guò)電壓幅值無(wú)限制作用，低壓繞組首端對(duì)外殼過(guò)電壓會(huì)超出絕緣耐受水平。

（2）在高壓側(cè)避雷器甜加裝電感線圈，當(dāng)直擊雷電流幅值較高時(shí)，變壓器內(nèi)部絕緣仍會(huì)擊穿，在雷電感應(yīng)過(guò)電壓下，基本可以避免變壓器內(nèi)部因雷擊出現(xiàn)絕緣擊穿。

（3）變壓器接地電阻越小，變壓器內(nèi)部的過(guò)電壓越小，因此對(duì)于規(guī)程規(guī)定的電阻取值在4?或10?以?xún)?nèi)，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(nèi)部的過(guò)電壓降到允許值以?xún)?nèi)，應(yīng)配合使用其它防護(hù)措施。