配电变压器雷击分析与防雷措施探讨

摘要：配电变压器是电力系统运行中重要的电力设备，多种因素的综合作用使其易遭受雷击而发生故障，因此电力设计和运行部门一直将配电变压器的防雷性能研究放在首位。文章对雷电压（流）的形成以及配电变压器易遭受的雷击类型、特征和危害进行了探讨，并在此基础上提出了配电变压器的防雷措施，以期促进电网的健康稳定运行。

关键词：配电变压器；雷击；防雷措施；电力系统；电力设备 文献标识码：A

中图分类号：TM403 文章编号：1009-2374（2015）35-0117-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.35.058

雷电是在强烈的对流天气下，发生于云层间、云层与大地间的短时间的放电现象。云层与大地间的放电容易袭击有一定高度的建筑物、带电设施、人或动物。而在整个供电网络中，容易受到雷电袭击的电力设备中就有配电变压器，并且雷击还会造成大面积的停电事故，给工农业生产和人们的日常生活造成影响。随着电力事业的发展，供电网络面积越来越大，从而配电变压器受到雷击的可能性也相应增加。减少配电变压器遭受雷击的几率，保证电网的安全稳定运行，首先就需要甄别雷击的类型以及形成的过程等，并结合配电变压器的结构与连接方式，综合考虑来筛选具体的防雷措施。

1 雷击给供电网络带来的危害

1.1 雷击的形成

雷雨天云层与大地间的放电，一定概率会选择一定高度的建筑物、电力设备等形成通道，从而产生雷击。一般情况下，一次雷击并不能完全释放雷云中的云电负荷，一般情况下会有3～4次云层放电，甚至更多。雷击主要是有预放电、主放电以及余辉放电三个发展过程。在主放电阶段，放电的时间不到1秒，产生的雷电流强度大，是配电变压器雷击事故的主要原因。三个过程的雷电流变化如图1所示：

1.2 雷击的特征与类型

雷电所产生的电压远远超过日常生活中的电压，其特征表现在以下三个方面：（1）放电速度极快，通常不超过60μs；（2）电流冲击会达到几万甚至是几十万安培，变化的幅度较大；（3）具有高峰值，通常可达到几亿伏特。雷击的这些特点可对供电网络中的配电变压器造成极大的损害。

雷击在产生过程中会带来电效应、热效应以及机械效应，并且这些效应可衍生出变化的电磁场与电磁辐射效应。从化供电局的统计数据显示，近年来发生的配电变压器雷击故障一般有两种类型：直接雷击、感应雷击。直接雷击是带电雷云直接对配电变压器进行放电；感应雷击是发生在直接雷击之后，由静电感应和电磁感应造成的。后者是损坏配电变压器的主要雷击类型。

1.3 雷击对供电网络的危害

供电网络中配电系统的绝缘水平较低，通常没有直接的防雷设备。当雷击中配电系统中的导线时在电磁感应的影响下会出现更高的故障电压对系统造成损害。另外，雷击还会因为电网线路的耦合以及雷电压转移到系统其他电力设施上，从而造成更大的损害。

2 造成配电变压器遭受雷击故障的原因

配电变压器雷击故障一般是因为配电系统在遭受雷击情况下产生的正、逆变换过电压造成的，并且逆变电压带来的事故更多。

2.1 正变换过电压

配电变压器低电压线路遭受雷击时，雷电波从低压线入侵，产生冲击电流，过程如图2所示：

2.2 逆变换过电压

配电变压器高电压线路遭受雷击时，入侵雷电流经过高压线路中避雷器流入大地，雷电流通过接地电阻而产生压降，压降在变压器低压绕组中性点上产生作用，同时还会使三相绕组上的电压上升。并且雷击在低压绕组中产生的磁通，会使高压绕组按线圈匝数比感应出较大的脉电势。这些三相脉冲电势的方向、大小相同。具体的运行过程可如图3所示：

“正、逆变换”过电压主要是因为：（1）没有将配电变压器装设在适当的位置，增加了其遭受雷击的风险；（2）避雷器组在使用之前没有进行试验，而且没有对损坏后的避雷器进行检查替换；（3）避雷器的地线安装没有达到相关标准，导致雷电电流没有彻底泄入大地，加大了损害程度；（4）接地电阻的阻值过大等方面的原因。

3 配电变压器接线方式与雷害间的关系

3.1 在高压侧安装避雷器的接地方式

只在配电变压器高压侧安装避雷器的防雷保护接线有两种形式：第一种是使用避雷器单独接地的形式，如图4所示，在这种接地方式中过电压=避雷器残压Uc+雷电经过接地电阻产生的压降IR，过电压在高压绕组上发生作用。可见这种接地方式可能会损坏配电变压器的绝缘，因此该方式存在明显的不合理性。另一种形式就是三点共同接地，如图5所示。高压侧安装的避雷器接地线、低压侧中性点和变压器金属外壳三点连接共同接地。这种形式较第一种形式虽然降低了高压侧绕组压降的危害，但上述“正、逆变换”过程中产生的过电压依旧存在。

3.2 在双侧安装避雷器的三点一地方式

经过众多的实践经验表明，在配电变压器遇到雷击损坏的同时，低压设备（低压监测仪表、配变监测计量终端等）也会发生损害。所以在配电变压器低压侧也应安装氧化锌避雷器，以对低压绕组上可能出现的过电压进行限制，从而尽可能地降低“正、逆变换过电压”带来的影响，对低压设备和高压绕组进行保护。这种方式能够完善配电变压器的防雷保护，同时操作简易、经济投入不大，适合推广使用。

3.3 变压器高压侧串联电抗器

串联电抗器不但能够降低入侵到变压器绕组的雷电波陡度，从而改善绕组电位分布，而且能够在线路雷电波上产生正反射波，提升电抗器前的雷电压幅度，加快避雷器动作，降低其反应时间，能够有效减少雷电波对变压器产生的直接伤害。因此，可以在配电变压器的低压侧安装氧化锌无间隙避雷器、高压侧串联一组电抗器以及并联一组高压氧化锌避雷器。这种方式能够在大体上限制正、反变换过程中产生的暂态过电压，最大限度地降低雷电带来的伤害，但建设成本相应增加，对实际的配电变压器的防雷工作有一定的参考性。

4 配电变压器的防雷措施

配电变压器的防雷保护措施主要是在变压器的高低压侧安装避雷器以及有效的接地，减少雷电波侵入的风险并降低雷电波入侵带来的危害。因此配电变压器的防雷保护措施可从以下六点入手：

4.1 定期对避雷器进行预防性试验和维护

配电线路运维过程中，加强对避雷器的预防性试验和维修护理，建立相关的数据档案，仔细观察和分析避雷器的工作状态，及时排除隐患，对发生损坏的避雷器要及时地进行更换，并且随时保持避雷器的清洁，注意检查避雷器地线能否正常投入使用，接地电阻符合要求。

4.2 科学地选择避雷器

配电变压器的防雷保护与避雷器的保护性能关系密切。考虑选择良好的非线性、低残压的MOA避雷器，这种避雷器的保护性能明显优于FS型阀式避雷器。现在市面上的避雷器类型多、各自之间的功能差异大，因此对设计、施工安装人员必须要对市面上的一些避雷器的性能有所了解，采购与该线路的额定电压相匹配的避雷器。这是由于线路中的额定电压低于所要安装的避雷器的额定电压时，会使得线路中的电力设备在遭受雷击时无法得到相应的保护。而当线路中的额定电压大于避雷器的额定电压时，即使在正常的电压范围内，避雷器也会因为频繁的动作而造成线路的接地设备跳闸。

4.3 在配电变压器的进线位置安装电抗器

雷电灾害多发的地区，可在配电变压器的进线位置安装电抗器对变压器进行保护。电抗器能够通过进线制作将进线绕成直径为10mm的19～21圈的电感线圈，来降低雷电流的入侵危害。

4.4 减少避雷器和变压器外部间的接地线的长度

接地线的电感电压降UL的计算公式为：

由上述公式可知，若避雷器与变压器之间的接地线过长，那么该接地线的电感电压将相对较大，和避雷器残压共同作用于绕组，从而威胁到主绝缘。所以避雷器与变压器外壳之间的接地线的长度要尽可能缩短，并且尽可能使用直、粗、短的接地线。

4.5 保证避雷器接地线联接的可靠性

导致避雷器不能发挥保护功能，造成变压器损坏的其中一个主要原因是避雷器接地线与接地装置间的接点接触不良。在实际的工作中，对避雷器本身、接地引下线、接地装置联接情况的判断，必须要以避雷器接地电阻的测量为基础。同时还要定期将各个接点拆开，来对接地体进行测试，确保接地电阻满足相关的要求后，再对接点进行除锈处理后重新接好，来保证各接点的接触电阻值保持在最小值。

4.6 采用全面的高压瞬态等电位连接

在配电变压器高压侧装设避雷器，同时在低压侧配电柜内安装避雷器，这样可以有效地防止正、逆变换过电压，特别是在多雷区。在这样的基础上，对配电变压器常态非等电位部位全部实现高压瞬态等电位连接。变压器在遭受雷击时，其所有金属部位电位瞬时同升同降，理论上来说其相互间就没有雷电电流流动。即这种方式能够将正、逆变换过电压控制在一定的范围内，保护变压器不受雷击损坏。

5 结语

配电变压器受到雷击的重要原因是“正、逆变换过电压”，但是在实际的操作过程中，造成“正、逆变换过电压”的原因是多方面的，不仅与避雷器的质量、功能关系密切，同时还与该设施与避雷器之间的距离等因素有着很大的关系。因此这使配电变压器的防雷工作变得复杂起来。由于篇幅和自身能力的限制，本文未能做出全面的阐述，对这一复杂的课题，还需要电力理论研究人员的进一步研究以及电力单位的一线工作人员在实际工作中积累经验，共同完善配电变压器的防雷保护工作，维护电网的安全稳定运行。

参考文献

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[5] 郭向军.配电网过电压在线监测系统的设计与开发

[D].华北电力大学，2005.

[6] 张东，曾晓荣，廖志华.重庆某10kV线路综合防雷措施研究[J].电气技术，2012，（5）.

作者简介：丁文博（1989-），男，安徽濉溪人，广州供电局有限公司从化供电局助理工程师，研究方向：电力系统配电网。

（责任编辑：黄银芳）