10 kV配电变压器雷击故障原因分析及防雷改造措施

谢耀明

摘 要：目前，配电变压器是电力系统中的关键设备之一，极易遭受雷击，进而引发故障。因此，电力设计和运行部门应有效提高配电变压器的防雷性能。通过实例，对10 kV配电变压器的雷击故障进行了分析，并提出了防雷保护方案，以供相关单位参考和借鉴。

关键词：变压器；电力系统；配电线路；避雷器

中图分类号：TM862 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.05.150

雷电是指在强烈的对流天气下，云层之间、云层与大地间出现的短时间放电现象，其会对一定高度的建筑物、带电设施、人或动物造成危害。在整个供电网络中，配电变压器是易受到雷击的电力设备之一。配电变压器遭受雷击后，会导致线路频繁跳闸，进而影响整个电力系统运行的稳定性。因此，加强对配电变压器防雷措施的研究，对保证电力系统的安全有重要的意义。笔者结合某10 kV配电变压器雷击故障案例，分析了该事故的原因，提出了有针对性的防雷保护方案，并采用暂态分析软件ATP-EMTP对避雷器的防雷效果进行了仿真验证，以期提高配网供电的可靠性，减少雷击故障对人们造成的影响。

1 线路分析

某10 kV配电线路全长38 km，共设有410座基杆塔，每五座基杆塔T接外引了1台10 kV/400 V的变压器，以供施工场地使用。其总体供电方案如图1所示。

图1 施工供电方案

2 天气和配电变压器情况分析

2.1 天气情况

据了解，该配电线路地处地形复杂的山区，海拔相对较高，雷电活动频繁，加之该配电线路的防雷系统存在缺陷，自投入使用以来，常发生雷击故障，主要表现在以下2方面：①雷击跳闸率高，进而影响了施工进度；②受到雷电过电压的影响，变压器设备多次损坏。该线路部分雷击故障的信息如表1所示。

表1 雷击故障信息

停电时间 停电时长/h 事故结果

2013-06-17 15 变压器损坏

2013-07-19 3.6 线路跳闸

2013-07-28 4.2 线路跳闸

2013-08-29 21 变压器损坏

2013-09-09 43 变压器损坏

2013-10-01 17 线路跳闸

2013-12-11 39 多台变压器损坏

2014-03-01 57 多台变压器损坏

2014-04-19 37 多台变压器损坏

2.2 变压器情况

根据现场了解的情况，故障发生率最高的是10 kV配电线路上T接外引的10/0.4变压器。此外，经现场勘察发现，所有变压器均只在高压侧安装了高压避雷器，在低压侧未采取任何防雷措施。

3 事故原因分析

通过对事故现场的调研和分析，该配电线路频繁遭受雷击的原因如下。

3.1 雷电活动频繁

该配电线路地处多雷区，年平均雷暴日在60 d以上，雷电活动频繁，极易发生雷击故障。

雷电的放电现象包括雷云对地、雷云之间和雷云内部放电等，而大部分雷云放电现象都是在雷云之间出现的。雷云对地放电时，会形成直击雷，其到达地面时，会在极短的时间内释放大量的能量，具有极大的破坏力；雷云之间放电时，会因“静电感应”或“电磁感应”而在配电线路上产生感应雷过电压，雷云之间的放电越强烈、参与放电的云层离地面越近，产生的感应雷电压就越大。

3.2 变压器低压侧未安装避雷器

当配电线路遭受雷击时，由于雷电流的幅值较高，所以，在配电线路上会产生较大的电压降，位于配电变压器高压侧的避雷器会在第一时间导通，将雷电流引入大地。但此过程不是在瞬间完成的，因此，会在配电变压器高压侧产生较大的电压降，其计算公式为：

. （1）

式（1）中：Ug为配电变压器高压侧的电压降，kV；Ur为变压器高压侧避雷器的残压，kV；L为高压侧避雷器引下线的电感，μH；i为通过高压侧避雷器的电流，kA；R为通过高压侧避雷器的接地电阻，Ω。

假设变压器的变比为K，则在配电变压器低压侧的电压Ud=Ug/k.由于高压侧的电压Ug较大，所以，Ud也较大。当变压器低压侧遭受雷击时，由于其未安装避雷器，所以，无法将较大的雷电流迅速引入大地，雷电流将沿着线路进入低压侧的低压设备，进而损坏低压设备的绝缘。此外，变压器的正逆变换也会导致较大的雷电过电压进入高压侧，进而损坏高压侧设备的绝缘。

4 防雷改造方案

基于以上分析，为了解决该配电线路变压器防雷系统存在的实际问题，必须在雷电活动频繁、雷电事故多发区域的配电线路上适当增设避雷线和避雷器，防止线路遭受直击雷的破坏；在变压器低压侧增设低压避雷器，以防高压侧的雷电过电压进入低压侧、雷电直击变压器的低压侧。

5 ATP-EMTP仿真

ATP-EMTP是目前世界上应用最广泛的电磁暂态计算仿真程序。ATPDraw程序具有标准的Windows操作界面，包含了电力系统中的各种元件。只要点击相应的图标，就能输入元件的相关参数，形成相应的模拟电路，从而测量各点电位的变化、各支路的电流变化。此外，ATP也能利用此程序管理电路文件及其他用户交换数据。因此，ATPDraw程序已成为电力系统暂态分析的有利工具。

5.1 变压器高压侧的ATP雷击仿真

在变压器高压侧的ATP雷击仿真中，采用30 kA的冲击电流模拟雷电流，模拟击中T接外引10 kV配电线路变压器高压侧的B相，并测量变压器低压侧在增设避雷器前、后的雷电过电压。测量发现，在变压器高压侧遭受雷击的情况下，变压器低压侧未安装避雷器时，低压侧过电压的幅值为4 227.5 V，该电压值会导致低压设备的绝缘损毁；变压器低压侧增设避雷器后，低压侧过电压的幅值为1 512.3V，该电压值符合安全运行的标准。

5.2 变压器低压侧的ATP雷击仿真

在变压器低压侧的ATP雷击仿真中，在安装避雷器后，变压器的低压侧遭受雷击时，低压侧的过电压和通过变压器高压侧正逆变换进入低压侧的过电压可满足电网安全运行的要求。具体如图2、图3和图4所示。

6 结束语

综上所述，配电变压器的防雷措施对电力系统的稳定性有直接影响。随着社会对配电线路供电可靠性的要求越来越高，变压器的安全运行变得越来越重要。因此，为了保障电力系统的安全、稳定运行，全体防雷工作者需要共同努力，认真调查和分析配电变压器雷击故障的原因，研究配电变压器在遭受雷击时的损坏规律，并提出有针对性的综合防雷保护方案，以保障配电变压器的安全运行，从而保证整条配电线路的安全、稳定运行。

参考文献

[1]董广志.10 kV配电线路安装避雷器后雷电感应过电压特性分析[J].消费电子，2014（24）.

[2]黄志都，邓雨荣，李明贵，等.配电线路避雷器雷电感应过电压防护研究[J].南方电网技术，2015（05）.

〔编辑：张思楠〕