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(tǒng)運(yùn)行中重要的電力設(shè)備，多種因素的綜合作用使其易遭受雷擊而發(fā)生故障，因此電力設(shè)計(jì)和運(yùn)行部門(mén)一直將配電變壓器的防雷性能研究放在首位。文章對(duì)雷電壓（流）的形成以及配電變壓器易遭受的雷擊類(lèi)型、特征和危害進(jìn)行了探討，并在此基礎(chǔ)上提出了配電變壓器的防雷措施，以期促進(jìn)電網(wǎng)的健康穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：配電變壓器；雷擊；防雷措施；電力系統(tǒng)；電力設(shè)備 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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

雷電是在強(qiáng)烈的對(duì)流天氣下，發(fā)生于云層間、云層與大地間的短時(shí)間的放電現(xiàn)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(shè)施、人或動(dòng)物。而在整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)中，容易受到雷電襲擊的電力設(shè)備中就有配電變壓器，并且雷擊還會(huì)造成大面積的停電事故，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活造成影響。隨著電力事業(yè)的發(fā)展，供電網(wǎng)絡(luò)面積越來(lái)越大，從而配電變壓器受到雷擊的可能性也相應(yīng)增加。減少配電變壓器遭受雷擊的幾率，保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，首先就需要甄別雷擊的類(lèi)型以及形成的過(guò)程等，并結(jié)合配電變壓器的結(jié)構(gòu)與連接方式，綜合考慮來(lái)篩選具體的防雷措施。

1 雷擊給供電網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)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(huì)選擇一定高度的建筑物、電力設(shè)備等形成通道，從而產(chǎn)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(fù)荷，一般情況下會(huì)有3～4次云層放電，甚至更多。雷擊主要是有預(yù)放電、主放電以及余輝放電三個(gè)發(fā)展過(guò)程。在主放電階段，放電的時(shí)間不到1秒，產(chǎn)生的雷電流強(qiáng)度大，是配電變壓器雷擊事故的主要原因。三個(gè)過(guò)程的雷電流變化如圖1所示：

1.2 雷擊的特征與類(lèi)型

雷電所產(chǎn)生的電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)日常生活中的電壓，其特征表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：（1）放電速度極快，通常不超過(guò)60μs；（2）電流沖擊會(huì)達(dá)到幾萬(wàn)甚至是幾十萬(wàn)安培，變化的幅度較大；（3）具有高峰值，通?？蛇_(dá)到幾億伏特。雷擊的這些特點(diǎn)可對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)中的配電變壓器造成極大的損害。

雷擊在產(chǎn)生過(guò)程中會(huì)帶來(lái)電效應(yīng)、熱效應(yīng)以及機(jī)械效應(yīng)，并且這些效應(yīng)可衍生出變化的電磁場(chǎng)與電磁輻射效應(yīng)。從化供電局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，近年來(lái)發(fā)生的配電變壓器雷擊故障一般有兩種類(lèi)型：直接雷擊、感應(yīng)雷擊。直接雷擊是帶電雷云直接對(duì)配電變壓器進(jìn)行放電；感應(yīng)雷擊是發(fā)生在直接雷擊之后，由靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)造成的。后者是損壞配電變壓器的主要雷擊類(lèi)型。

1.3 雷擊對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)的危害

供電網(wǎng)絡(luò)中配電系統(tǒng)的絕緣水平較低，通常沒(méi)有直接的防雷設(shè)備。當(dāng)雷擊中配電系統(tǒng)中的導(dǎo)線時(shí)在電磁感應(yīng)的影響下會(huì)出現(xiàn)更高的故障電壓對(duì)系統(tǒng)造成損害。另外，雷擊還會(huì)因?yàn)殡娋W(wǎng)線路的耦合以及雷電壓轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)其他電力設(shè)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?yàn)榕潆娤到y(tǒng)在遭受雷擊情況下產(chǎn)生的正、逆變換過(guò)電壓造成的，并且逆變電壓帶來(lái)的事故更多。

2.1 正變換過(guò)電壓

配電變壓器低電壓線路遭受雷擊時(shí)，雷電波從低壓線入侵，產(chǎn)生沖擊電流，過(guò)程如圖2所示：

2.2 逆變換過(guò)電壓

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

“正、逆變換”過(guò)電壓主要是因?yàn)椋海?）沒(méi)有將配電變壓器裝設(shè)在適當(dāng)?shù)奈恢茫黾恿似湓馐芾讚舻娘L(fēng)險(xiǎn)；（2）避雷器組在使用之前沒(méi)有進(jìn)行試驗(yàn)，而且沒(méi)有對(duì)損壞后的避雷器進(jìn)行檢查替換；（3）避雷器的地線安裝沒(méi)有達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致雷電電流沒(méi)有徹底泄入大地，加大了損害程度；（4）接地電阻的阻值過(guò)大等方面的原因。

3 配電變壓器接線方式與雷害間的關(guān)系

3.1 在高壓側(cè)安裝避雷器的接地方式

只在配電變壓器高壓側(cè)安裝避雷器的防雷保護(hù)接線有兩種形式：第一種是使用避雷器單獨(dú)接地的形式，如圖4所示，在這種接地方式中過(guò)電壓=避雷器殘壓Uc+雷電經(jīng)過(guò)接地電阻產(chǎn)生的壓降IR，過(guò)電壓在高壓繞組上發(fā)生作用。可見(jiàn)這種接地方式可能會(huì)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(diǎn)共同接地，如圖5所示。高壓側(cè)安裝的避雷器接地線、低壓側(cè)中性點(diǎn)和變壓器金屬外殼三點(diǎn)連接共同接地。這種形式較第一種形式雖然降低了高壓側(cè)繞組壓降的危害，但上述“正、逆變換”過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)電壓依舊存在。

3.2 在雙側(cè)安裝避雷器的三點(diǎn)一地方式

經(jīng)過(guò)眾多的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，在配電變壓器遇到雷擊損壞的同時(shí)，低壓設(shè)備（低壓監(jiān)測(cè)儀表、配變監(jiān)測(cè)計(jì)量終端等）也會(huì)發(fā)生損害。所以在配電變壓器低壓側(cè)也應(yīng)安裝氧化鋅避雷器，以對(duì)低壓繞組上可能出現(xiàn)的過(guò)電壓進(jìn)行限制，從而盡可能地降低“正、逆變換過(guò)電壓”帶來(lái)的影響，對(duì)低壓設(shè)備和高壓繞組進(jìn)行保護(hù)。這種方式能夠完善配電變壓器的防雷保護(hù)，同時(shí)操作簡(jiǎn)易、經(jīng)濟(jì)投入不大，適合推廣使用。

3.3 變壓器高壓側(cè)串聯(lián)電抗器

串聯(lián)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(chǎn)生正反射波，提升電抗器前的雷電壓幅度，加快避雷器動(dòng)作，降低其反應(yīng)時(shí)間，能夠有效減少雷電波對(duì)變壓器產(chǎn)生的直接傷害。因此，可以在配電變壓器的低壓側(cè)安裝氧化鋅無(wú)間隙避雷器、高壓側(cè)串聯(lián)一組電抗器以及并聯(lián)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(guò)程中產(chǎn)生的暫態(tài)過(guò)電壓，最大限度地降低雷電帶來(lái)的傷害，但建設(shè)成本相應(yīng)增加，對(duì)實(shí)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(hù)措施主要是在變壓器的高低壓側(cè)安裝避雷器以及有效的接地，減少雷電波侵入的風(fēng)險(xiǎn)并降低雷電波入侵帶來(lái)的危害。因此配電變壓器的防雷保護(hù)措施可從以下六點(diǎn)入手：

4.1 定期對(duì)避雷器進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)和維護(hù)

配電線路運(yùn)維過(guò)程中，加強(qiáng)對(duì)避雷器的預(yù)防性試驗(yàn)和維修護(hù)理，建立相關(guān)的數(shù)據(jù)檔案，仔細(xì)觀察和分析避雷器的工作狀態(tài)，及時(shí)排除隱患，對(duì)發(fā)生損壞的避雷器要及時(shí)地進(jìn)行更換，并且隨時(shí)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(xué)地選擇避雷器

配電變壓器的防雷保護(hù)與避雷器的保護(hù)性能關(guān)系密切?？紤]選擇良好的非線性、低殘壓的MOA避雷器，這種避雷器的保護(hù)性能明顯優(yōu)于FS型閥式避雷器?，F(xiàn)在市面上的避雷器類(lèi)型多、各自之間的功能差異大，因此對(duì)設(shè)計(jì)、施工安裝人員必須要對(duì)市面上的一些避雷器的性能有所了解，采購(gòu)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(shí)，會(huì)使得線路中的電力設(shè)備在遭受雷擊時(shí)無(wú)法得到相應(yīng)的保護(hù)。而當(dāng)線路中的額定電壓大于避雷器的額定電壓時(shí)，即使在正常的電壓范圍內(nèi)，避雷器也會(huì)因?yàn)轭l繁的動(dòng)作而造成線路的接地設(shè)備跳閘。

4.3 在配電變壓器的進(jìn)線位置安裝電抗器

雷電災(zāi)害多發(fā)的地區(qū)，可在配電變壓器的進(jìn)線位置安裝電抗器對(duì)變壓器進(jìn)行保護(hù)。電抗器能夠通過(guò)進(jìn)線制作將進(jìn)線繞成直徑為10mm的19～21圈的電感線圈，來(lái)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(zhǎng)度

接地線的電感電壓降UL的計(jì)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(guò)長(zhǎng)，那么該接地線的電感電壓將相對(duì)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(zhǎng)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(lián)接的可靠性

導(dǎo)致避雷器不能發(fā)揮保護(hù)功能，造成變壓器損壞的其中一個(gè)主要原因是避雷器接地線與接地裝置間的接點(diǎn)接觸不良。在實(shí)際的工作中，對(duì)避雷器本身、接地引下線、接地裝置聯(lián)接情況的判斷，必須要以避雷器接地電阻的測(cè)量為基礎(chǔ)。同時(shí)還要定期將各個(gè)接點(diǎn)拆開(kāi)，來(lái)對(duì)接地體進(jìn)行測(cè)試，確保接地電阻滿(mǎn)足相關(guān)的要求后，再對(duì)接點(diǎn)進(jìn)行除銹處理后重新接好，來(lái)保證各接點(diǎn)的接觸電阻值保持在最小值。

4.6 采用全面的高壓瞬態(tài)等電位連接

在配電變壓器高壓側(cè)裝設(shè)避雷器，同時(shí)在低壓側(cè)配電柜內(nèi)安裝避雷器，這樣可以有效地防止正、逆變換過(guò)電壓，特別是在多雷區(qū)。在這樣的基礎(chǔ)上，對(duì)配電變壓器常態(tài)非等電位部位全部實(shí)現(xiàn)高壓瞬態(tài)等電位連接。變壓器在遭受雷擊時(shí)，其所有金屬部位電位瞬時(shí)同升同降，理論上來(lái)說(shuō)其相互間就沒(méi)有雷電電流流動(dòng)。即這種方式能夠?qū)⒄?、逆變換過(guò)電壓控制在一定的范圍內(nèi)，保護(hù)變壓器不受雷擊損壞。

5 結(jié)語(yǔ)

配電變壓器受到雷擊的重要原因是“正、逆變換過(guò)電壓”，但是在實(shí)際的操作過(guò)程中，造成“正、逆變換過(guò)電壓”的原因是多方面的，不僅與避雷器的質(zhì)量、功能關(guān)系密切，同時(shí)還與該設(shè)施與避雷器之間的距離等因素有著很大的關(guān)系。因此這使配電變壓器的防雷工作變得復(fù)雜起來(lái)。由于篇幅和自身能力的限制，本文未能做出全面的闡述，對(duì)這一復(fù)雜的課題，還需要電力理論研究人員的進(jìn)一步研究以及電力單位的一線工作人員在實(shí)際工作中積累經(jīng)驗(yàn)，共同完善配電變壓器的防雷保護(hù)工作，維護(hù)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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作者簡(jiǎn)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(tǒng)配電網(wǎng)。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）