基于ATP仿真的多雷山區(qū)配電變壓器防雷研究

焦凝禮，禹榮勛，陳穎之，姜 鵬

(長沙理工大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410000)

基于ATP仿真的多雷山區(qū)配電變壓器防雷研究

焦凝禮，禹榮勛，陳穎之，姜 鵬

(長沙理工大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410000)

針對南方多雷山區(qū)農村配電網(wǎng)變壓器防雷保護薄弱易遭雷擊損壞，分析了一起典型的10 kV配變雷害損毀事故。由此發(fā)現(xiàn)配電變壓器在防雷保護措施方面存在以下問題：配電變壓器位于線路終端、低壓側未裝設避雷器、桿塔接地電阻嚴重超標及不同電壓等級線路同桿架設等，提出配變高壓側加裝限流電感線圈、低壓側加裝避雷器及采用桿塔接地裝置新型式等措施。通過ATP-EMTP仿真驗證了配變高壓側加裝電感線圈能夠有效降低高壓側雷電壓的幅值和陡度，同時對比了新型桿塔接地型式和典型桿塔環(huán)形接地裝置的雷電流散流特性，證明新型桿塔接地型式具有更好的沖擊電流散流效果。

配電變壓器；防雷保護；接地電阻；ATP-EMTP

10 kV配電線路作為我國配電系統(tǒng)的主干，其供電可靠性直接影響到各類用戶的供電。隨著經(jīng)濟的增長，其重要性越發(fā)凸顯。農村10 kV配電線路相較于城市配電線路具有其自身特點，相對比較脆弱，絕大多數(shù)為架空線路且結構復雜，而南方地區(qū)線路通常經(jīng)過山區(qū)丘陵極易遭受雷擊，所以雷害事故頻發(fā)。農村地區(qū)由于受到經(jīng)濟發(fā)展的制約，電力建設一度滯后，防雷配備始終參差不齊，同時在設計施工過程中存在較多錯誤認識，伴隨農網(wǎng)升級改建項目的實施，農村配電線路相關的防雷保護也越來越受到重視。

在雷電活動較為頻繁的南方地區(qū)，10 kV農村配電網(wǎng)遭受雷擊時，雷電波容易直接侵入配電變壓器造成其內部損毀。經(jīng)調查，南方某市農村配電網(wǎng)的配電變壓器2015年由于雷擊損毀多達40多臺，因此有必要對南方地區(qū)的農網(wǎng)配電變壓器的防雷保護進行深度研究。本文針對一起典型的南方地區(qū)農村配電變壓器遭受雷擊損毀事故進行深入分析，利用仿真軟件提出并驗證相應的防雷保護措施，從而為南方地區(qū)的配電線路防雷提供理論基礎。

1 現(xiàn)場調研

1.1 雷擊變壓器事故概況

2016年4月18日，湖南某市當天雷電活動異常頻繁，距市中心約20 km的某10 kV農村配電線路遭受雷擊，導致該線路上的一臺配電變壓器遭到雷電流入侵而損毀，直接使附近供電村莊停電。該地區(qū)平均年雷暴日為50天左右，屬于強雷電活動區(qū)。據(jù)資料顯示，過去三年該段線路上共有4臺配電變壓器遭受雷擊損毀而需要更換，而雷擊跳閘率更是高達23次?，F(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)，該段配電線路位于較為開闊的田野上，兩側延伸是山地。該損毀變壓器位于線路終端如圖1所示。變壓器低壓側中性點被擊穿，內部損毀情況如圖2所示，導致供電村莊停電34 h[1-3]。

圖1 10 kV配電變壓器

圖2 變壓器內部損毀情況

1.2 接地電阻情況

該配電線路桿塔建于2002年。由于年限較久，所以有必要對其接地電阻進行校核測量?，F(xiàn)場采用Wenner四極法測試桿塔所在位置的實際土壤電阻率大小為1 237 Ω·m，由此可以判斷該地區(qū)屬于高土壤電阻率地區(qū)，同時采用夾角法測量桿塔的接地電阻值大小為27.5 Ω。按照配電變壓器的防雷要求，對于容量≤100 kVA的配電變壓器，工頻接地電阻應當滿足R<10 Ω；而容量>100 kVA的配電變壓器，R<4 Ω。該配電變壓器的標稱容量為80 kVA，所以工頻的接地電阻應當為R<10 Ω。該桿塔所處位置正好位于鄉(xiāng)村公路的拐角處，西面和南面是公路路基，北面是一條小溪，東面是水稻田，且地表約2 m深處是碎石，由于地形、地質的局限性，當時采用的是鋼筋混凝土桿環(huán)形接地裝置并施加了降阻劑，但接地電阻仍嚴重超標[4-6]。

2 變壓器雷害事故分析

2.1 雷電波發(fā)生全反射

該損毀配變位于10 kV線路的末端，架空線路遭受雷擊后，雷電波沿著線路傳遞至變壓器的高壓側電感線圈，因為電感存在阻抗效應，電流不能突變，雷電波產生全反射，雷電電壓發(fā)生正的全反射，電流發(fā)生負的全反射。根據(jù)波的折射和反射公式可知，此時線路末端相當于開路, 末端電壓將上升一倍,由于雷電壓過高，即使此時避雷器立即動作，也會在避雷器動作的同時造成變壓器擊穿，且通常在變壓器首段發(fā)生絕緣擊穿[7]。

2.2 低壓側缺乏防雷保護

該變壓器僅是在高壓側安裝了一組氧化鋅避雷器作為其防雷保護，而低壓側未采取任何防雷保護舉措，便容易導致正、逆變換過電壓的產生。正變換電壓是指，當雷電波直接侵入低壓線路，沖擊電流將流經(jīng)變壓器的低壓繞組，并按照匝數(shù)之比將此沖擊電流感應到變壓器一次高壓側，造成高壓側的中性點電位大幅上升，而且匝間和層間的梯度電壓也相應升高。逆變換電壓是指變壓器高壓側遭到雷電波直接侵入，導致避雷器瞬間動作，接地電阻上將通過大量的電流，此時在低壓側繞組上形成較大壓降，使得中性點電壓上升，低壓繞組上將流過大量沖擊電流；高壓側中性點對地絕緣，所以繞組中不會有相應的沖擊電流出現(xiàn)來平衡抵消低壓繞組的沖擊電流，因此低壓側的沖擊電流將完全轉化為激磁電流，導致高壓側將感應出現(xiàn)極高的電勢。此電勢于中性點處到達最高，從而有可能擊穿絕緣，損害變壓器。

由于變壓器沒有采取裝設低壓側避雷器的措施導致產生正、逆變換過電壓擊穿變壓器絕緣，這是目前農村配電變壓器受損重要原因之一。雖然規(guī)程強調多雷地區(qū)配電網(wǎng)需要加強配變低壓側的防雷保護，但是同該損壞變壓器一樣，大多數(shù)農村地區(qū)配網(wǎng)未采取相應的防雷保護舉措。

2.3 接地電阻超標

根據(jù)實際測量所得，損壞配電變壓器所在的線路桿塔接地電阻值為27.5 Ω·m，遠遠超過規(guī)程值。因為接地電阻值過高，在雷電流經(jīng)接地裝置入地時，接地電阻上將產生較大電位差，那么該電位差和避雷器的殘壓疊加到變壓器高壓側，容易造成對繞組的反擊，同時該電位差使得低壓側中性點電位升高可能發(fā)生擊穿，很可能引起變壓器損毀事故。大量農村地區(qū)的配電網(wǎng)線路桿塔接地裝置在建設時，由于所在區(qū)域土壤電阻率過高或經(jīng)濟原因造成建成后接地電阻值過大，有些年限較久的運行線路由于接地引下線的防腐等處理不當導致接地電阻值超標。這些都給變壓器的安全運行帶來了嚴重隱患。

2.4 高、低壓線路同桿架設

現(xiàn)場調研發(fā)現(xiàn)，該10 kV配電變壓器所處桿塔上還存在高、低壓線路同桿架設問題。該配電變壓器，最下方為0.4 kV的絕緣架空線，往上是10 kV線路，最上方則架設著35 kV線路，甚至該線路部分其他桿塔存在廣播線、通信光纖架設在配變上端的情況。線路相互交叉導致周圍存在強電磁場，從而容易產生300～400 kV的感應過電壓，能夠對35 kV以下線路造成閃絡，雷擊損壞變壓器。

3 防雷整改措施

3.1 加裝電感線圈

針對位于線路末端變壓器的雷過電壓波全反射問題，通常采取在前幾級桿塔上加裝線路避雷器來對雷電波進行衰減，但是大多數(shù)感應雷過電壓出現(xiàn)在本段線路，此時前幾級桿塔避雷器的作用就不明顯了。通過在變壓器高壓側前加裝電感線圈(高頻阻流圈)和電纜，可以有效地解決位于線路末端變壓器的雷過電壓波全反射問題。在變壓器高壓三繞組前加裝一組50～100 mH的高頻扼流線圈和三段電纜(見圖3)。因為高頻電感線圈有阻高頻的特性，而雷電流頻率極高，遇到電感線圈，電感線圈中電流不能突變，流過的電流陡度降低且幅值減小，同時通過電纜外皮和芯線的互感作用來限制流過電纜的電流值從而降低雷電流入地值，能夠有效降低變壓器高、低壓側的中性點電壓以及正、逆變換電壓，保護其絕緣薄弱點不被擊穿。

圖3 配電變壓器高壓側加裝電感線圈

3.2 低壓側加裝避雷器

配電變壓器由于正、逆變換過電壓而導致絕緣擊穿是其損毀的一個重要因素。在農村10 kV配電變壓器的低壓側安裝無間隙氧化鋅避雷器，可以有效釋放侵入低壓側雷電流，減小該側中性點電壓以及正變換電壓，從而避免擊穿低壓側絕緣和高壓側絕緣，同時低壓繞組對外殼電壓受到避雷器鉗制使逆變換電壓相應減小，從而將高壓繞組與外殼的電位差限制于變壓器高壓繞組沖擊耐受值之內。所以，在低壓側加裝避雷器能夠較好地保護變壓器高、低壓側絕緣，特別是多雷地段和經(jīng)濟條件允許情況下，配電變壓器高、低壓側以及高壓側中性點都需要裝設避雷器。

3.3 桿塔接地電阻沖擊優(yōu)化

南方地區(qū)大多數(shù)配電線路桿塔同該損毀配變一樣，位于山區(qū)丘陵地帶，土壤電阻率較高，地形受到限制無法鋪設長射線降阻，并且部分區(qū)域由于地下巖石較多、垂直接地體施工難度大，所以很多桿塔實測接地電阻超標。在實際的接地工程中，當接地體總長度一定時，對應不同的接地裝置形狀有不同的接地電阻，因為雷電流在接地裝置中散流時，接地體之間會存在屏蔽效應，不同的接地型式屏蔽系數(shù)存在差異?？紤]到該損毀配電變壓器所處位置的地形、地質條件的限制，提出鋪設如圖4所示的雙圓環(huán)接地網(wǎng)，并且沿接地體施加一定量的GPF-94高效膨潤土降阻防腐劑。雙圓環(huán)接地裝置相對于典型的桿塔環(huán)形接地裝置，增大了與土壤的接觸面積，同時在同等長度接地體條件下的圓形面積是方形面積的1.27倍，因此其接地電阻相對較小，同時其均壓效果較好，可以有效降低跨步電壓。GPF-94膨潤土降阻防腐劑不僅能長期穩(wěn)定有效降阻，且防腐性能較好能降低接地體腐蝕速率，能夠起到良好的降阻防腐作用。

圖4 新型桿塔接地型式示意圖

3.4 其他措施

對于農村地區(qū)配電線路存在不同電壓等級的線路同桿架設問題，通常要注意線路安裝的垂直距離，同時在該級桿塔及前后級桿塔加裝防雷性能良好的避雷器。定時維護檢驗線路防雷設備，及時發(fā)現(xiàn)，并清除變壓器、避雷器的絕緣薄弱點，定時測試接地阻值，核查接地引下線的銹蝕情況[7-10]。

4 ATP-EMTP仿真

ATP-EMTP是目前使用最為廣泛和用途強大的一款電磁暫態(tài)仿真軟件。通過它可以研究配電線路在不同的防雷措施下的雷電過電壓情況，從而為防雷保護提供理論指導。

4.1 高壓側加裝電感線圈仿真

搭建配電線路感應雷過電壓模型，將負極性雷作為研究對象，感應雷通常是三相進波，電流幅值為10 kA，波形取2.6/50 μs，雷電通道波阻抗為300 Ω，落雷點距線路65 m，架空線路采用的是LGJ-120，結合線路參數(shù)采用LCC模塊，避雷器殘壓為45 kV，建立如圖5所示的配電變壓器感應雷電過電壓模型。仿真對比10 kV配電變壓器在感應雷過電壓的沖擊下高壓側有無安裝電感線圈的過電壓情況，得到如圖6、圖7所示的線路過電壓波形圖。

圖5 配電變壓器加裝電感線圈仿真模型

圖6 未裝設電感線圈的過電壓波形

圖7 加裝電感線圈的過電壓波形

從圖6和圖7可以看出，配電變壓器高壓側未加裝限流線圈時，感應過電壓幅值為250 kV左右，而加裝扼流電感線圈以后，測試點過電壓幅值降到了45 kV；同時由于電感電流不可以突變的特性，雷過電壓上升較為平緩。配電變壓器高壓側前裝設電感線圈后，降低了線路上雷電流的幅值及陡度，削弱了其對高壓繞組的沖擊和接地電阻上流過的電流，將低壓側中性點電位減小從而降低了正、逆變換電壓，有效地保護了變壓器高、低壓兩側不被雷電擊穿。

4.2 不同型式接地裝置對比仿真

采用ATP-EMTP軟件對提出的新型雙環(huán)接地裝置和典型的鋼筋混凝土環(huán)型接地裝置進行對比。由于雷電流的高頻效應，電阻可以忽略，利用Π型等效電路進行仿真，分別測試接地體總長度一致情況下兩種接地型式的雷電流注入點的過電壓值。將兩種型式的接地裝置的各個參數(shù)計算后代入仿真模型當中，接地體材料等效直徑d取0.02 m，埋深h為1 m，土壤電阻率ρ取500 Ω·m，土壤相對介電常數(shù)εr取5。采用電流幅值為10 kA，波形是2.6/50 μs的標準雷電沖擊波，沖擊電流源的電流注入點都在裝置中間，搭建新型雙環(huán)接地裝置和典型矩形環(huán)狀接地裝置的過電壓測試模型如圖8、圖9所示。

圖8 雙圓環(huán)接地裝置仿真模型

圖9 方形接地裝置仿真模型

通過仿真運行得到如圖10、圖11所示的不同接地型式下的測試點的過電壓變化曲線圖。由分析可知，新的雙環(huán)型接地裝置測試點的過電壓最大值為88 kV，而典型的鋼筋混凝土桿塔的環(huán)形接地裝置的電流注入點的過電壓最大值為110 kV，顯然因為新型接地裝置的屏蔽系數(shù)小，散流面積相對大，相比于典型的環(huán)形接地裝置能夠有效降低了桿塔的沖擊接地電阻，從而限制配電變壓器上的過電壓。

圖10 圓環(huán)接地裝置過電壓波形

圖11 方形接地裝置過電壓波形

5 結語

對我國南方農村地區(qū)一起典型的10 kV配電變壓器雷害事故進行了現(xiàn)場調研、分析，發(fā)現(xiàn)存在線路末端雷電波全反射、變壓器低壓側無防雷保護措施和桿塔接地電阻超標及不同電壓等級線路同桿架設等問題，提出采用變壓器高壓側前安裝限流電感線圈、低壓側裝設避雷器和桿塔接地電阻沖擊優(yōu)化等舉措來提升配變防雷水平。通過ATP-EMTP軟件驗證了變壓器高壓側加裝電感線圈后能有效降低高壓側過電壓水平，同時建立模型對比了提出的新型雙環(huán)散射線接地裝置和典型的桿塔環(huán)形接地裝置的散流效果。結合這些研究成果，多雷地區(qū)農村配電變壓器防雷需要從多角度出發(fā)，采用綜合性、全面性的防雷措施。

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(本文編輯：楊林青)

Lightning Protection of Distribution Transformer in Thunderous Mountain Area Based on ATP Simulation

JIAO Ning-li, YU Rong-xun, CHEN Ying-zhi, JIANG Peng

(School of Electrical and Information Engineering, Changsha University of Science &Technology, Changsha 410000, China)

The lightning protection of transformers in rural power distribution network in southern thunderous mountain region is very weak and vulnerable to lightning damage. Therefore, based on the analysis of the typical case of 10kV distribution transformer lightning accident, this research finds out some problems in the lightning protection: distribution transformer is located in the line terminal; lightning arrester is not installed on the low-voltage side; tower grounding resistance seriously exceeds the standard; the lines of different voltage level are erected on the same pole. It puts forward some measures: current limiting inductance coil is installed on the high-voltage side; the lightning arrester and the tower grounding device are installed on the low-voltage side. The simulation of ATP-EMTP proves that installing current limiting inductance coil on the high-voltage side can effectively reduce the amplitude and steepness of lightning voltage. Then by comparison, the new type of tower grounding device has better effect on dispersing the impulse current.

distribution transformer; lightning protection; grounding resistance; ATP-EMTP

10.11973/dlyny201701011

焦凝禮(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)防雷接地技術。

TM862；TM421

A

2095-1256(2017)01-0044-06

2016-11-23