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(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，極易遭受雷擊，進(jìn)而引發(fā)故障。因此，電力設(shè)計和運行部門應(yīng)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(jìn)行了分析，并提出了防雷保護(hù)方案，以供相關(guān)單位參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：變壓器；電力系統(tǒng)；配電線路；避雷器

中圖分類號：TM862 文獻(xiàn)標(biāo)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(xiàn)的短時間放電現(xiàn)象，其會對一定高度的建筑物、帶電設(shè)施、人或動物造成危害。在整個供電網(wǎng)絡(luò)中，配電變壓器是易受到雷擊的電力設(shè)備之一。配電變壓器遭受雷擊后，會導(dǎo)致線路頻繁跳閘，進(jìn)而影響整個電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)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(tǒng)的安全有重要的意義。筆者結(jié)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(hù)方案，并采用暫態(tài)分析軟件ATP-EMTP對避雷器的防雷效果進(jìn)行了仿真驗證，以期提高配網(wǎng)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(shè)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(jù)了解，該配電線路地處地形復(fù)雜的山區(qū)，海拔相對較高，雷電活動頻繁，加之該配電線路的防雷系統(tǒng)存在缺陷，自投入使用以來，常發(fā)生雷擊故障，主要表現(xiàn)在以下2方面：①雷擊跳閘率高，進(jìn)而影響了施工進(jìn)度；②受到雷電過電壓的影響，變壓器設(shè)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(jié)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(jù)現(xiàn)場了解的情況，故障發(fā)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(jīng)現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)，所有變壓器均只在高壓側(cè)安裝了高壓避雷器，在低壓側(cè)未采取任何防雷措施。

3 事故原因分析

通過對事故現(xiàn)場的調(diào)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(qū)，年平均雷暴日在60 d以上，雷電活動頻繁，極易發(fā)生雷擊故障。

雷電的放電現(xiàn)象包括雷云對地、雷云之間和雷云內(nèi)部放電等，而大部分雷云放電現(xiàn)象都是在雷云之間出現(xiàn)的。雷云對地放電時，會形成直擊雷，其到達(dá)地面時，會在極短的時間內(nèi)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(yīng)”或“電磁感應(yīng)”而在配電線路上產(chǎn)生感應(yīng)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(chǎn)生的感應(yīng)雷電壓就越大。

3.2 變壓器低壓側(cè)未安裝避雷器

當(dāng)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(chǎn)生較大的電壓降，位于配電變壓器高壓側(cè)的避雷器會在第一時間導(dǎo)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(cè)產(chǎn)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(cè)的電壓降，kV；Ur為變壓器高壓側(cè)避雷器的殘壓，kV；L為高壓側(cè)避雷器引下線的電感，μH；i為通過高壓側(cè)避雷器的電流，kA；R為通過高壓側(cè)避雷器的接地電阻，Ω。

假設(shè)變壓器的變比為K，則在配電變壓器低壓側(cè)的電壓Ud=Ug/k.由于高壓側(cè)的電壓Ug較大，所以，Ud也較大。當(dāng)變壓器低壓側(cè)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(jìn)入低壓側(cè)的低壓設(shè)備，進(jìn)而損壞低壓設(shè)備的絕緣。此外，變壓器的正逆變換也會導(dǎo)致較大的雷電過電壓進(jìn)入高壓側(cè)，進(jìn)而損壞高壓側(cè)設(shè)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(tǒng)存在的實際問題，必須在雷電活動頻繁、雷電事故多發(fā)區(qū)域的配電線路上適當(dāng)增設(shè)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(cè)增設(shè)低壓避雷器，以防高壓側(cè)的雷電過電壓進(jìn)入低壓側(cè)、雷電直擊變壓器的低壓側(cè)。

5 ATP-EMTP仿真

ATP-EMTP是目前世界上應(yīng)用最廣泛的電磁暫態(tài)計算仿真程序。ATPDraw程序具有標(biāo)準(zhǔn)的Windows操作界面，包含了電力系統(tǒng)中的各種元件。只要點擊相應(yīng)的圖標(biāo)，就能輸入元件的相關(guān)參數(shù)，形成相應(yīng)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(shù)據(jù)。因此，ATPDraw程序已成為電力系統(tǒng)暫態(tài)分析的有利工具。

5.1 變壓器高壓側(cè)的ATP雷擊仿真

在變壓器高壓側(cè)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(cè)的B相，并測量變壓器低壓側(cè)在增設(shè)避雷器前、后的雷電過電壓。測量發(fā)現(xiàn)，在變壓器高壓側(cè)遭受雷擊的情況下，變壓器低壓側(cè)未安裝避雷器時，低壓側(cè)過電壓的幅值為4 227.5 V，該電壓值會導(dǎo)致低壓設(shè)備的絕緣損毀；變壓器低壓側(cè)增設(shè)避雷器后，低壓側(cè)過電壓的幅值為1 512.3V，該電壓值符合安全運行的標(biāo)準(zhǔn)。

5.2 變壓器低壓側(cè)的ATP雷擊仿真

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

6 結(jié)束語

綜上所述，配電變壓器的防雷措施對電力系統(tǒng)的穩(wěn)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(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行，全體防雷工作者需要共同努力，認(rèn)真調(diào)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(guī)律，并提出有針對性的綜合防雷保護(hù)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(wěn)定運行。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：張思楠〕