基于ATP仿真的多雷山区配电变压器防雷研究

焦凝礼，禹荣勋，陈颖之，姜 鹏

(长沙理工大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410000)

基于ATP仿真的多雷山区配电变压器防雷研究

焦凝礼，禹荣勋，陈颖之，姜 鹏

(长沙理工大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410000)

针对南方多雷山区农村配电网变压器防雷保护薄弱易遭雷击损坏，分析了一起典型的10 kV配变雷害损毁事故。由此发现配电变压器在防雷保护措施方面存在以下问题：配电变压器位于线路终端、低压侧未装设避雷器、杆塔接地电阻严重超标及不同电压等级线路同杆架设等，提出配变高压侧加装限流电感线圈、低压侧加装避雷器及采用杆塔接地装置新型式等措施。通过ATP-EMTP仿真验证了配变高压侧加装电感线圈能够有效降低高压侧雷电压的幅值和陡度，同时对比了新型杆塔接地型式和典型杆塔环形接地装置的雷电流散流特性，证明新型杆塔接地型式具有更好的冲击电流散流效果。

配电变压器；防雷保护；接地电阻；ATP-EMTP

10 kV配电线路作为我国配电系统的主干，其供电可靠性直接影响到各类用户的供电。随着经济的增长，其重要性越发凸显。农村10 kV配电线路相较于城市配电线路具有其自身特点，相对比较脆弱，绝大多数为架空线路且结构复杂，而南方地区线路通常经过山区丘陵极易遭受雷击，所以雷害事故频发。农村地区由于受到经济发展的制约，电力建设一度滞后，防雷配备始终参差不齐，同时在设计施工过程中存在较多错误认识，伴随农网升级改建项目的实施，农村配电线路相关的防雷保护也越来越受到重视。

在雷电活动较为频繁的南方地区，10 kV农村配电网遭受雷击时，雷电波容易直接侵入配电变压器造成其内部损毁。经调查，南方某市农村配电网的配电变压器2015年由于雷击损毁多达40多台，因此有必要对南方地区的农网配电变压器的防雷保护进行深度研究。本文针对一起典型的南方地区农村配电变压器遭受雷击损毁事故进行深入分析，利用仿真软件提出并验证相应的防雷保护措施，从而为南方地区的配电线路防雷提供理论基础。

1 现场调研

1.1 雷击变压器事故概况

2016年4月18日，湖南某市当天雷电活动异常频繁，距市中心约20 km的某10 kV农村配电线路遭受雷击，导致该线路上的一台配电变压器遭到雷电流入侵而损毁，直接使附近供电村庄停电。该地区平均年雷暴日为50天左右，属于强雷电活动区。据资料显示，过去三年该段线路上共有4台配电变压器遭受雷击损毁而需要更换，而雷击跳闸率更是高达23次。现场勘察发现，该段配电线路位于较为开阔的田野上，两侧延伸是山地。该损毁变压器位于线路终端如图1所示。变压器低压侧中性点被击穿，内部损毁情况如图2所示，导致供电村庄停电34 h[1-3]。

图1 10 kV配电变压器

图2 变压器内部损毁情况

1.2 接地电阻情况

该配电线路杆塔建于2002年。由于年限较久，所以有必要对其接地电阻进行校核测量。现场采用Wenner四极法测试杆塔所在位置的实际土壤电阻率大小为1 237 Ω·m，由此可以判断该地区属于高土壤电阻率地区，同时采用夹角法测量杆塔的接地电阻值大小为27.5 Ω。按照配电变压器的防雷要求，对于容量≤100 kVA的配电变压器，工频接地电阻应当满足R<10 Ω；而容量>100 kVA的配电变压器，R<4 Ω。该配电变压器的标称容量为80 kVA，所以工频的接地电阻应当为R<10 Ω。该杆塔所处位置正好位于乡村公路的拐角处，西面和南面是公路路基，北面是一条小溪，东面是水稻田，且地表约2 m深处是碎石，由于地形、地质的局限性，当时采用的是钢筋混凝土杆环形接地装置并施加了降阻剂，但接地电阻仍严重超标[4-6]。

2 变压器雷害事故分析

2.1 雷电波发生全反射

该损毁配变位于10 kV线路的末端，架空线路遭受雷击后，雷电波沿着线路传递至变压器的高压侧电感线圈，因为电感存在阻抗效应，电流不能突变，雷电波产生全反射，雷电电压发生正的全反射，电流发生负的全反射。根据波的折射和反射公式可知，此时线路末端相当于开路, 末端电压将上升一倍,由于雷电压过高，即使此时避雷器立即动作，也会在避雷器动作的同时造成变压器击穿，且通常在变压器首段发生绝缘击穿[7]。

2.2 低压侧缺乏防雷保护

该变压器仅是在高压侧安装了一组氧化锌避雷器作为其防雷保护，而低压侧未采取任何防雷保护举措，便容易导致正、逆变换过电压的产生。正变换电压是指，当雷电波直接侵入低压线路，冲击电流将流经变压器的低压绕组，并按照匝数之比将此冲击电流感应到变压器一次高压侧，造成高压侧的中性点电位大幅上升，而且匝间和层间的梯度电压也相应升高。逆变换电压是指变压器高压侧遭到雷电波直接侵入，导致避雷器瞬间动作，接地电阻上将通过大量的电流，此时在低压侧绕组上形成较大压降，使得中性点电压上升，低压绕组上将流过大量冲击电流；高压侧中性点对地绝缘，所以绕组中不会有相应的冲击电流出现来平衡抵消低压绕组的冲击电流，因此低压侧的冲击电流将完全转化为激磁电流，导致高压侧将感应出现极高的电势。此电势于中性点处到达最高，从而有可能击穿绝缘，损害变压器。

由于变压器没有采取装设低压侧避雷器的措施导致产生正、逆变换过电压击穿变压器绝缘，这是目前农村配电变压器受损重要原因之一。虽然规程强调多雷地区配电网需要加强配变低压侧的防雷保护，但是同该损坏变压器一样，大多数农村地区配网未采取相应的防雷保护举措。

2.3 接地电阻超标

根据实际测量所得，损坏配电变压器所在的线路杆塔接地电阻值为27.5 Ω·m，远远超过规程值。因为接地电阻值过高，在雷电流经接地装置入地时，接地电阻上将产生较大电位差，那么该电位差和避雷器的残压叠加到变压器高压侧，容易造成对绕组的反击，同时该电位差使得低压侧中性点电位升高可能发生击穿，很可能引起变压器损毁事故。大量农村地区的配电网线路杆塔接地装置在建设时，由于所在区域土壤电阻率过高或经济原因造成建成后接地电阻值过大，有些年限较久的运行线路由于接地引下线的防腐等处理不当导致接地电阻值超标。这些都给变压器的安全运行带来了严重隐患。

2.4 高、低压线路同杆架设

现场调研发现，该10 kV配电变压器所处杆塔上还存在高、低压线路同杆架设问题。该配电变压器，最下方为0.4 kV的绝缘架空线，往上是10 kV线路，最上方则架设着35 kV线路，甚至该线路部分其他杆塔存在广播线、通信光纤架设在配变上端的情况。线路相互交叉导致周围存在强电磁场，从而容易产生300～400 kV的感应过电压，能够对35 kV以下线路造成闪络，雷击损坏变压器。

3 防雷整改措施

3.1 加装电感线圈

针对位于线路末端变压器的雷过电压波全反射问题，通常采取在前几级杆塔上加装线路避雷器来对雷电波进行衰减，但是大多数感应雷过电压出现在本段线路，此时前几级杆塔避雷器的作用就不明显了。通过在变压器高压侧前加装电感线圈(高频阻流圈)和电缆，可以有效地解决位于线路末端变压器的雷过电压波全反射问题。在变压器高压三绕组前加装一组50～100 mH的高频扼流线圈和三段电缆(见图3)。因为高频电感线圈有阻高频的特性，而雷电流频率极高，遇到电感线圈，电感线圈中电流不能突变，流过的电流陡度降低且幅值减小，同时通过电缆外皮和芯线的互感作用来限制流过电缆的电流值从而降低雷电流入地值，能够有效降低变压器高、低压侧的中性点电压以及正、逆变换电压，保护其绝缘薄弱点不被击穿。

图3 配电变压器高压侧加装电感线圈

3.2 低压侧加装避雷器

配电变压器由于正、逆变换过电压而导致绝缘击穿是其损毁的一个重要因素。在农村10 kV配电变压器的低压侧安装无间隙氧化锌避雷器，可以有效释放侵入低压侧雷电流，减小该侧中性点电压以及正变换电压，从而避免击穿低压侧绝缘和高压侧绝缘，同时低压绕组对外壳电压受到避雷器钳制使逆变换电压相应减小，从而将高压绕组与外壳的电位差限制于变压器高压绕组冲击耐受值之内。所以，在低压侧加装避雷器能够较好地保护变压器高、低压侧绝缘，特别是多雷地段和经济条件允许情况下，配电变压器高、低压侧以及高压侧中性点都需要装设避雷器。

3.3 杆塔接地电阻冲击优化

南方地区大多数配电线路杆塔同该损毁配变一样，位于山区丘陵地带，土壤电阻率较高，地形受到限制无法铺设长射线降阻，并且部分区域由于地下岩石较多、垂直接地体施工难度大，所以很多杆塔实测接地电阻超标。在实际的接地工程中，当接地体总长度一定时，对应不同的接地装置形状有不同的接地电阻，因为雷电流在接地装置中散流时，接地体之间会存在屏蔽效应，不同的接地型式屏蔽系数存在差异。考虑到该损毁配电变压器所处位置的地形、地质条件的限制，提出铺设如图4所示的双圆环接地网，并且沿接地体施加一定量的GPF-94高效膨润土降阻防腐剂。双圆环接地装置相对于典型的杆塔环形接地装置，增大了与土壤的接触面积，同时在同等长度接地体条件下的圆形面积是方形面积的1.27倍，因此其接地电阻相对较小，同时其均压效果较好，可以有效降低跨步电压。GPF-94膨润土降阻防腐剂不仅能长期稳定有效降阻，且防腐性能较好能降低接地体腐蚀速率，能够起到良好的降阻防腐作用。

图4 新型杆塔接地型式示意图

3.4 其他措施

对于农村地区配电线路存在不同电压等级的线路同杆架设问题，通常要注意线路安装的垂直距离，同时在该级杆塔及前后级杆塔加装防雷性能良好的避雷器。定时维护检验线路防雷设备，及时发现，并清除变压器、避雷器的绝缘薄弱点，定时测试接地阻值，核查接地引下线的锈蚀情况[7-10]。

4 ATP-EMTP仿真

ATP-EMTP是目前使用最为广泛和用途强大的一款电磁暂态仿真软件。通过它可以研究配电线路在不同的防雷措施下的雷电过电压情况，从而为防雷保护提供理论指导。

4.1 高压侧加装电感线圈仿真

搭建配电线路感应雷过电压模型，将负极性雷作为研究对象，感应雷通常是三相进波，电流幅值为10 kA，波形取2.6/50 μs，雷电通道波阻抗为300 Ω，落雷点距线路65 m，架空线路采用的是LGJ-120，结合线路参数采用LCC模块，避雷器残压为45 kV，建立如图5所示的配电变压器感应雷电过电压模型。仿真对比10 kV配电变压器在感应雷过电压的冲击下高压侧有无安装电感线圈的过电压情况，得到如图6、图7所示的线路过电压波形图。

图5 配电变压器加装电感线圈仿真模型

图6 未装设电感线圈的过电压波形

图7 加装电感线圈的过电压波形

从图6和图7可以看出，配电变压器高压侧未加装限流线圈时，感应过电压幅值为250 kV左右，而加装扼流电感线圈以后，测试点过电压幅值降到了45 kV；同时由于电感电流不可以突变的特性，雷过电压上升较为平缓。配电变压器高压侧前装设电感线圈后，降低了线路上雷电流的幅值及陡度，削弱了其对高压绕组的冲击和接地电阻上流过的电流，将低压侧中性点电位减小从而降低了正、逆变换电压，有效地保护了变压器高、低压两侧不被雷电击穿。

4.2 不同型式接地装置对比仿真

采用ATP-EMTP软件对提出的新型双环接地装置和典型的钢筋混凝土环型接地装置进行对比。由于雷电流的高频效应，电阻可以忽略，利用Π型等效电路进行仿真，分别测试接地体总长度一致情况下两种接地型式的雷电流注入点的过电压值。将两种型式的接地装置的各个参数计算后代入仿真模型当中，接地体材料等效直径d取0.02 m，埋深h为1 m，土壤电阻率ρ取500 Ω·m，土壤相对介电常数εr取5。采用电流幅值为10 kA，波形是2.6/50 μs的标准雷电冲击波，冲击电流源的电流注入点都在装置中间，搭建新型双环接地装置和典型矩形环状接地装置的过电压测试模型如图8、图9所示。

图8 双圆环接地装置仿真模型

图9 方形接地装置仿真模型

通过仿真运行得到如图10、图11所示的不同接地型式下的测试点的过电压变化曲线图。由分析可知，新的双环型接地装置测试点的过电压最大值为88 kV，而典型的钢筋混凝土杆塔的环形接地装置的电流注入点的过电压最大值为110 kV，显然因为新型接地装置的屏蔽系数小，散流面积相对大，相比于典型的环形接地装置能够有效降低了杆塔的冲击接地电阻，从而限制配电变压器上的过电压。

图10 圆环接地装置过电压波形

图11 方形接地装置过电压波形

5 结语

对我国南方农村地区一起典型的10 kV配电变压器雷害事故进行了现场调研、分析，发现存在线路末端雷电波全反射、变压器低压侧无防雷保护措施和杆塔接地电阻超标及不同电压等级线路同杆架设等问题，提出采用变压器高压侧前安装限流电感线圈、低压侧装设避雷器和杆塔接地电阻冲击优化等举措来提升配变防雷水平。通过ATP-EMTP软件验证了变压器高压侧加装电感线圈后能有效降低高压侧过电压水平，同时建立模型对比了提出的新型双环散射线接地装置和典型的杆塔环形接地装置的散流效果。结合这些研究成果，多雷地区农村配电变压器防雷需要从多角度出发，采用综合性、全面性的防雷措施。

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(本文编辑：杨林青)

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

焦凝礼(1990-)，男，硕士研究生，研究方向为电力系统防雷接地技术。

TM862；TM421

A

2095-1256(2017)01-0044-06

2016-11-23