雷 瀟，蘭 強(qiáng)，劉守豹，崔 濤

(1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院,四川 成都 610041；2.國(guó)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(tái)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(zhǎng)時(shí)間停電還對(duì)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(duì)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(jì)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(tái)區(qū)也有較大雷電直擊風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)[10]對(duì)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(jì)要求[11]，臺(tái)區(qū)需三相安裝避雷器。但對(duì)各地市公司的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，時(shí)常發(fā)生變壓器雷擊損壞而避雷器完好的情況。

針對(duì)上述問題，在臺(tái)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(tái)區(qū)防雷設(shè)計(jì)

根據(jù)配電網(wǎng)典型設(shè)計(jì)，臺(tái)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(jì)如圖1所示。而根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，

圖1 避雷器與變壓器相對(duì)位置

部分臺(tái)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(tái)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(dòng)作時(shí)，接地引下線也會(huì)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(shí)，可能造成絕緣擊穿。

2 仿真模型

為了研究臺(tái)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(shí)間2.6 μs，半波時(shí)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(jì)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(jì)算模塊

臺(tái)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(zhǎng)度對(duì)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(tái)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(tái)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(shí)，變壓器高壓側(cè)中相繞組對(duì)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(duì)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(shí)，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(duì)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(shí)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(duì)于未遭受雷擊的相位，避雷器在橫擔(dān)電位抬升后對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)，過電壓幅值越高。當(dāng)接地引下線為6 m時(shí)，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(tái)區(qū)時(shí)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(zhǎng)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(tái)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(shí)，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(shí)，過電壓峰值出現(xiàn)在正極性，雷電流較小時(shí)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(dòng)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(shí)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(shí)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(tái)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(zhǎng)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(shí)，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(zhǎng)時(shí)，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(shí)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(shí)，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(shí)的概率為77%。當(dāng)接地引下線為4 m時(shí)，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(shí)，即使雷電流為100 kA，過電壓也遠(yuǎn)低于75 kV。因此，臺(tái)區(qū)加裝避雷線后會(huì)大大降低變壓器雷擊損壞概率。

圖14 有避雷線時(shí)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(tái)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(shí)會(huì)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(tái)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(tái)區(qū)加裝避雷線后，變壓器承受的電壓明顯降低。同時(shí)，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(shí)絕緣損壞的概率。