马来宝
【摘要】针对农网配电变压器存在雷击损坏隐患，现有规程规定的防护措施并不能完全保护变压器，有必要研究提出强化防护措施并研究措施的防护效果。针对变压器低压绕组首端对外壳绝缘及高压绕组中性点对外壳绝缘这两个绝缘薄弱点及接地电阻阻值影响过电压的问题，经研究，提出三种防护措施：（1）加装避雷器;（2）加装电感线圈;（3）降低接地电阻。
【关键词】配电变压器;雷电过电压;宽频模型;避雷器;电感线圈;接地电阻
1.概述
我国配电网敷设面积广，但绝缘保护配置低，雷电过电压对其影响比较严重。一旦线路上出现雷电过电压，会经线路直接侵入到设置在线路杆塔上的10kV/0.4kV配电变压器中，在变压器内部产生很高的过电压。配电变压器作为电能转换的电力设备，在电力系统中担当着重要作用，一旦因雷电过电压损坏，将直接导致用户供电中断。由于l0kV电压等级的配电线路送电距离比较短，一般来讲，一个中等城市辖区内约有千台以上的配电变压器，其遭受雷击损坏的概率较高。运行实践表明，我国配电网变压器在按照现有规程要求实施雷电防护措施条件下，因雷击损坏的数量平均仍可达总台数的1%以上，对于雷电活动较频繁地区，配电变压器因雷击损坏的故障率则更高。
随着国民经济发展对用电量和用电可靠性的要求越来越大，配电变压器的安全可靠运行成为影响配电系统供电质量的重要因素，既有的雷电防护措施对配电变压器的保护不尽完善，通过加强设置防护措施和优化配置防护措施，提高配电变压器耐受雷电作用的能力，己成为配网雷电防护工作中迫切需要解决的问题。对配电变压器雷电防护的研究具有重要的实践意义和使用价值。
2.变压器雷击损坏分析
国内对配电变压器受雷击损坏的原因一直采用上世纪八十年代上海交通大学张嘉样教授提出的一种定性的说法：正、反变换过变压。
正、反变换过变压是指雷电波沿低压线路侵入变变器的低压绕组，由于低压绕组中性点外壳相连接，低压绕组上承受的过电压通过电磁耦合在高绕组上产生很高的过电压，高压绕组上的电压在高压绕组中性点达到最大值，使高压绕组中性点对外壳电压大大升高，因为高压绕组侧绝缘程度小于低压绕组侧绝缘程度，因此可能会出现低压绕组绝缘未击穿，而高压绕组绝缘击穿。
反变换过电压是雷电波沿高压线路传到配电变压器首端，高压侧避雷器动作，雷电流/经避雷器和接地电阻入地，因为变压器高压侧前的避雷器、变压器外壳及其低压绕组中性点采用三点一体的接线方式，雷电流会经接地电阻使低压绕组中性点电位抬升。由于配电变压器低压绕组中性点与其外壳相连，所以接地电阻上抬升的电压大部分加在低压绕组中性点处，该电压沿低压绕组分布，经电磁耦合变换按变比关系在高压绕组上出现过电压，同样由于变压器高压绕组侧绝缘程度小于低压绕组侧绝缘程度，而使高压绝缘受损。
3.配电变压器雷电防护措施研究
3.1 加装避雷器
根据仿真研究结果可知，现有的防护措施（在变压器高压侧安装避雷器）可以通过避雷器残压钳制高压绕组对外壳电压，保护高压绕组对外壳不发生击穿，由此证明避雷器在安装适宜的情况下，可以通过钳制电位保护安装处的绝缘。针对此种防护措施和变压器两处的绝缘薄弱点，可以有三种不同避雷器设置方案的效果。方案一：低压侧加装避雷器;方案二：高压绕组中性点加装避雷器;方案三：在低压侧及高压绕组中性点均加装避雷器。
根据采用Emtp/Atp软件仿真每种方案对变压器的保护效果，仿真均将从雷电流直击高、低压线路和高、低压线路上出现雷电感应过电压4种情况分析，此部分不考虑接地电阻大小的影响，统一选择接地电阻为4?的情况进行计算。
为了保护变压器内部高压绕组中性点处绝缘，本文提出可采用变压器高压绕组中性点加装金属氧化物避雷器，避雷器的参数选取与高压侧避雷器相同。变压器高压绕组中性点安装避雷器可以保护高压绕组中性点对外壳电压低于其冲击耐受电压。在击中高压侧线路的雷电流为10kA时，变压器高压绕组中性点电压为22kV，比无保护时降低约80%，由于避雷器动作，高压绕组中性点对外壳电压下降速度比无保护时快，低压绕组首端对外壳的电压的波尾也迅速下降，但低压绕组首端对外壳电压的峰值出现在避雷器动作以前，所以低压绕组首端对外壳电压仍高于其冲击耐受电压，会击穿绝缘。
3.2 加装电感线圈
配电网的防护措施中曾经有过安装电感线圈这一方法，该电感线圈的安装方式为将电感线圈安装于高压侧避雷器与高压绕组套管抽头之间。这种安装方式和防护机理是基于高压侧的避雷器是采用带串联间隙的碳化娃避雷器，避雷器串联间隙的放电分散性导致其动作并不可靠，将电感线圈安装于避雷器后方，雷电过电压传递至电感线圈时将发生正反射，从而抬升避雷器端部电压，使之及时动作，提高避雷器的可靠性和保护效果。但是碳化桂避雷器由于保护效果差，已被金属氧化物避雷器所取代，金属氧化物避雷器具有良好的非线性伏安特性，不用加装串联间隙即可工作，因此电感线圈的这一安装方式没有必要。
本文所提出的电感线圈保护，是考虑到电感线圈有电流不能突变的特性，在三相高压侧避雷器前端均加装电感线圈来减小流过避雷器的电流，即减小流过接地电阻的电流，使得接地电阻抬升电压降低，因低压绕组中性点与接地电阻相连，则低压绕组中性点电压降低，通过低压绕组中性点传递的过电压也随之减小。
由于要想利用电感线圈达到减小流过避雷器上电流的目的，对电感线圈参数的设置就要达到mH级，假设低压侧线路上安装了避雷器，那么如果在低压侧避雷器前方加装mH级别的电感线圈，则在工频下电感线圈的感抗为几十欧姆，在低压侧线路上产生的压降与低压侧工作电压相比，造成电压损失较大，得不偿失，因此电感线圈只宜加在高压侧避雷器前。
3.3 降低接地电阻
按DL/T499-2001规定，本文中选用的变压器容量为100kVA，接地电阻满足在10?以下即可，但根据计算结果，接地电阻为和10?两种情况下的过电压数值相差约10倍，因此可以通过进一步降低接地电阻的取值來限制变压器上的过电压。但考虑到将接地电阻从4-10?降低至1?，所投入的经济成本很高，在某些高土壤电阻率的地区则很难实现，因此，选择尽可能降低接地电阻值，并配合使用其它防护措施。
4.總结
可采用加装避雷器、加装电感线圈、降低接地电阻三种防护措施保护配电变压器。
（1）在低压绕组侧加装避雷器可保护低压绕组绝缘不被击穿，高压绕组中性点对外壳电压相比低压绕组无避雷器保护时降低，但如果雷电流超过40kA，高压绕组中性点绝缘仍会击穿;在高压绕组中性点加装避雷器可保护高压绕组中性点绝缘不被击穿，但对低压绕组与外壳间的过电压幅值无限制作用，低压绕组首端对外壳过电压会超出绝缘耐受水平。
（2）在高压侧避雷器甜加装电感线圈，当直击雷电流幅值较高时，变压器内部绝缘仍会击穿，在雷电感应过电压下，基本可以避免变压器内部因雷击出现绝缘击穿。
（3）变压器接地电阻越小，变压器内部的过电压越小，因此对于规程规定的电阻取值在4?或10?以内，尽可能降低接地电阻值，但仅靠降低变压器接地电阻很难将变压器内部的过电压降到允许值以内，应配合使用其它防护措施。
