雷 瀟，蘭 強(qiáng)，劉守豹，崔 濤

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

0 引 言

雷擊跳閘和設(shè)備損壞是多雷區(qū)10 kV配電網(wǎng)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(wǎng)設(shè)備雷擊損壞故障率仍然較高。臺區(qū)配電變壓器是配電網(wǎng)最重要的設(shè)備之一，其雷擊損壞不僅造成經(jīng)濟(jì)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(chǎn)生了永久性破壞。部分文獻(xiàn)[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(cè)表計損壞的機(jī)理，但未研究變壓器一次繞組絕緣承受的過電壓，且以感應(yīng)雷為主。而在山區(qū)和丘陵地區(qū)，位于山頂、山脊等區(qū)域的臺區(qū)也有較大雷電直擊風(fēng)險。文獻(xiàn)[10]對配電變壓器在雷電直擊和雷電感應(yīng)兩種情況下進(jìn)行了過電壓仿真，但雷電直擊分析中未考慮避雷器。根據(jù)配電網(wǎng)典型設(shè)計要求[11]，臺區(qū)需三相安裝避雷器。但對各地市公司的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，時常發(fā)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(qū)防雷措施調(diào)研的基礎(chǔ)上，開展了電磁暫態(tài)仿真，研究了雷電直擊和雷電感應(yīng)下變壓器絕緣承受的過電壓，并提出相應(yīng)防治方法。

1 臺區(qū)防雷設(shè)計

根據(jù)配電網(wǎng)典型設(shè)計，臺區(qū)配電變壓器僅由三相氧化鋅避雷器保護(hù)。避雷器一般布置于10 kV導(dǎo)線下方4～8 m，配電變壓器支架高3～4 m。避雷器橫擔(dān)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(shè)計如圖1所示。而根據(jù)現(xiàn)場勘查，

圖1 避雷器與變壓器相對位置

部分臺區(qū)的布置受地形、施工條件及技術(shù)的影響，避雷器接地引下線至匯接點(diǎn)的距離具有一定分散性。一些臺區(qū)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(chǎn)生過電壓，導(dǎo)致變壓器絕緣承受的過電壓大于避雷器殘壓。當(dāng)變壓器絕緣承受電壓高于標(biāo)準(zhǔn)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(qū)配電變壓器在雷電直擊和雷電感應(yīng)下的過電壓，在ATP-EMTP中建立電磁暫態(tài)仿真模型。雷電流采用標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)仿真模型中的過電壓計算部分采用文獻(xiàn)[12-13]的模塊，如圖2所示。

圖2 感應(yīng)過電壓計算模塊

臺區(qū)桿塔設(shè)為13 m，三相導(dǎo)線成三角形排列。避雷器橫擔(dān)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(dān)距變壓器支架分別設(shè)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(shè)為0.8 μH/m。桿塔接地電阻為4 Ω。臺區(qū)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(qū)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(guān)。以雷擊中相導(dǎo)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(cè)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(cè)中相電壓(d為4 m)

雷電流幅值20 kA下，變壓器高壓側(cè)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(fā)生在2.6 μs附近。遭受雷擊相位的過電壓峰值也出現(xiàn)在2.6 μs附近。這是由于雷電流經(jīng)過避雷器接地引下線時，接地引下線的等效電感產(chǎn)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(dān)電位抬升后對導(dǎo)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(cè)三相電壓(d為4 m)

圖7 變壓器高壓側(cè)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(guān)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(dāng)接地引下線為6 m時，使變壓器過電壓超過標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)雷電耐受電壓75 kV的雷電流幅值也僅為20 kA。根據(jù)多雷區(qū)雷電流幅值概率分布，雷電流超過20 kA的概率達(dá)59%。因此，10 kV配電變壓器在雷電直擊臺區(qū)時極易發(fā)生絕緣損壞。

圖8 變壓器中相絕緣承受電壓與雷電流的關(guān)系

3.2 感應(yīng)雷過電壓

為了防止線路末端的反射影響，將線路總長度設(shè)置為5 km，線路末端經(jīng)與導(dǎo)線波阻抗等值的電阻接地。雷擊點(diǎn)距離線路越近，感應(yīng)雷過電壓越大。一般認(rèn)為線路附近65 m以內(nèi)的雷擊為直擊雷，65 m以外為感應(yīng)雷。這里將雷擊點(diǎn)設(shè)置為臺區(qū)65 m，以體現(xiàn)感應(yīng)雷過電壓最嚴(yán)苛的情況。

當(dāng)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(yīng)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?？梢?，即使雷電流幅值高達(dá)100 kA，過電壓也低于標(biāo)準(zhǔn)雷電耐受電壓75 kV，感應(yīng)雷過電壓造成變壓器絕緣損壞的概率非常小。

圖9 感應(yīng)雷下變壓器高壓側(cè)中相電壓(d為4 m)

圖10 變壓器高壓側(cè)中相絕緣、避雷器、接地引下線的感應(yīng)雷過電壓(d為4m)

4 防治方法

由上節(jié)可知，雷電直擊是導(dǎo)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(jìn)行防治。設(shè)避雷線在導(dǎo)線上方2 m以確保30°的保護(hù)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(xiàn)在正極性，雷電流較小時則出現(xiàn)在負(fù)極性。這是因?yàn)楸芾灼鳉垑号c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(dān)處電位抬升后導(dǎo)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(cè)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(cè)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(guān)。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(jīng)接地引下線入地的雷電流隨接地電阻的增大而減小，導(dǎo)致接地引下線的正極性電壓峰值降低。臺區(qū)接地電阻的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(guān)系如圖14所示。當(dāng)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(dāng)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(cè)中相絕緣在不同接地電阻下的過電壓(d為4 m)

當(dāng)接地引下線為6 m時，使變壓器過電壓超過標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)接地引下線為4 m時，過電壓超過75 kV的概率僅為15%。而當(dāng)接地引下線為2 m時，即使雷電流為100 kA，過電壓也遠(yuǎn)低于75 kV。因此，臺區(qū)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(guān)系

5 結(jié) 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(tài)仿真模型的基礎(chǔ)上，研究了變壓器絕緣在雷電直擊和雷電感應(yīng)下的過電壓及防治方法，結(jié)論如下：

1)臺區(qū)避雷器橫擔(dān)至變壓器支架的接地引下線在流過雷電流時會產(chǎn)生過電壓，導(dǎo)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(qū)產(chǎn)生的過電壓極易超過變壓器標(biāo)準(zhǔn)雷電耐受電壓，而雷電感應(yīng)過電壓超過變壓器標(biāo)準(zhǔn)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(qū)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(jìn)一步降低雷電直擊時絕緣損壞的概率。