摘要：为了有效地降低雷电对配电变压器造成不可估量的损害，更加完善地保障配电变压器能够正常运行，本文详细介绍了雷电对配电变压器造成巨大的损害的主要原因和过程。分析了出现过电压的原因，提出限制雷电过电压水平的措施，并在仿真平台上加以实施实验，研究不同保护方案的可行性。
关键词：配网电压；雷电危害；防护研究；变压器
1 雷电对配电变压器的损害及原因分析
在我们的日常生活中，有两种比较常见的雷电现象：第一种是直击雷，它主要是带电云与地面某一点之间快速放电的现象。第二种则是感应雷电，这是因为静电感应的影响，使带电云向地面让位，在一定区域内携带异质电荷。直击雷后，带电云将很快消失，地面部分区域由于散射电阻大，形成局部高压现象。配电变压器因雷击烧毁的原因主要有：缺乏完善的避雷装置、配电变压器接地电阻值过大、总剩余电流动作保护器配置不合理和接地或相间短路导致配电变压器烧损等原因[1]。
2.基于仿真软件EMTDC模型建立
EMTDC是世界上应用最广泛的电磁暂态仿真程序之一。随着科学技术的发展，它已发展成为一种多功能工具，不仅可以研究交流和直流电力系统问题，而且可以完成电力电子仿真和非线性控制[2]。
图1 雷电流发生器仿真模型 图2 雷电流仿真波形
雷电流模型如图1，其仿真波形如图2所示。本文采用的线路为单回路架空线，长度为100m，距离地面10m，A、B、C三相水平布置，频率为50Hz，采用频率模型。杆塔选择了多波阻抗模型[4]，实际模型如图3。变压器采用现在广为使用的配电变压器s9-100/10作为例子，而且s9系列的空载损耗值比s7系列小，十分具有代表性。
3.配电变压器雷电过电压分析
3.1直击雷过电压入侵结果分析
在仿真平台上，设变压器接地电阻为10Ω时，把10kA雷电流在变压器高压侧A相，下面给出当直击雷过电压入侵变压器时，高压侧中性点对外壳的电压和低压侧a相绕组对外壳电压的电压波形图[3]。
图4高压绕组中性点对外壳电压 图5低压侧a相绕组对外壳电压
图4，5分别为当直击雷过电压10kA雷电流从高压侧侵入配电变压器时，变压器内部高压侧中性点对外壳的电压（图4）和低压绕组a相对外壳电压（图5）。如图4，从波形可以看出，高压侧中性点对外壳电压最高约为870kV，远远高于DL/T620-1997[6]中所规定的配电变压器高压绕组中性点对外壳的耐受冲击电压75kV，由于外壳的电位提高，导致外壳与变压器高压绕组中性点电位差过大，使绝缘击穿。
对于低压侧，可观察到低压绕组a相对变压器外壳的电位差约为35kV，据数据统计表明，当低压侧受到雷电冲击电压时，低压侧绝缘耐受电压临界值很低，只有约为2kV。而波形图所显示的最大值约为35kV，远远超出其耐受电压，因此低压侧绕组绝缘会因如此高的电位差而被击穿。
3.2 感应雷过电压
设接地电阻为10Ω，如图6、图7为当感应雷过电压为160kV三相入侵配电变压器时，高压中性点对外壳电压和低压绕组a相对外壳电压。
图6高压绕组中性点对外壳电压 图7低压侧a相绕组对外壳电压
从图6可知，当感应雷过电压从线路侧传过来时，雷电波入侵高压侧三相绕组，使得高压侧中性点对外壳电压电位升高，峰值到达380kV，高于绝缘耐受电压75kV，使得绝缘出发生击穿现象。
从图7可知，对于低压侧a相对外壳电压，可以看出电位差接近16kV，远超出其限定电压，也会导致绝缘处被击穿受损的现象。
4.配电变压器主要防雷措施
许多配电变压器由于防雷能力差而易受雷击损坏。目前，保护措施存在诸多隐患的地方，百分之百保护变压器是困难的。根据变压器低压绕组的第一端与外壳和高压绕组中性点绝缘的事实和考虑到接地电阻对过电压的影响，可以通过安装避雷器、降低接地电阻、增加电感线圈以保护变压器。通过仿真得出以下结论：
（1）在低压侧加装避雷器能够很保护低压绕组的电压限制在避雷器残压，保护其绝缘不被击穿，但若雷电流超过50kA时，虽然低压侧过电压仍能限制在耐受电压以内，但高压侧中性点处绝缘则容易被击穿。同时，在高压侧中性点加装避雷器，也能起到保护高压侧中性点对外壳电压钳制在避雷器残压值，但在雷电流幅值较大是，低压侧绕组仍会出现被击穿的可能。
（2）对于在变压器高压侧避雷器前加装电感线圈，也能在雷电流入侵时起到限制雷电过电压的作用，但在受到雷电流幅值过大的直击雷的入侵时，也可能造成绝缘受损。
（3）对于降低接地电阻的方案，尤其接地电阻较低时，这种方法对于限制变压器内部过电压有比较明显的效果，但实际实施起来较难，需要考虑具体接地点的土壤电阻率、配置接地网等因素，因此需要配合以上两种方法合理使用。
5 总结
配电变压器是供电系统中不可缺少的设备。它对保证供电的连续性、可靠性和完整性起着重要作用。配电变压器通常的雷电防护手段主要有以下三种：加电感线圈抑制来波陡度，通过降低接地电阻减小雷电过电压，通过选择合适参数的避雷器保护变压器不受雷电入侵波的干扰。在实践中必须根据配电变压器所处电网位置等具体情况做出差异化防雷的手段。
因此，在雷害频繁的地区，常规的防雷方法对该地区的配电变压器的保护已然不足，需要额外对变压器进行配置保护措施。
参考文献:
[1] 赵瑜杰. 基于PSCAD/EMTDC的变压器保护建模仿真[J]. 电气开关, 2015, 53(1).
[2] 高晓旺, 周勇, 康鲁豫. 基于PSCAD／EMTDC的背靠背高压直流输电系统仿真[J]. 电力自动化设备, 2007(2):69-70.
[3] 王奇, 刘志刚, 白玮莉, et al. 基于PSCAD/EMTDC的牵引供电系统仿真模型研究[J]. 电力系统保护与控制, 2009, 37(16).
论文作者:杨士雄
论文发表刊物:《电力设备》2019年第8期
论文发表时间:2019/9/19
标签：变压器论文; 过电压论文; 雷电论文; 绕组论文; 电压论文; 外壳论文; 高压论文; 《电力设备》2019年第8期论文;