10kV配电变压器防雷措施探讨

摘要：由于雷击过电压、正逆变换过电压等因素，配电变压器的雷击损坏率一直很高，低压设备因雷击损坏的情况严重。文章通过对雷电损坏设备的机理分析以及对多种接地防雷方式的优缺点进行比较，对配电变压器如何铺设防雷电接地、保护接地、工作接地等各种装置以及其安装要求进行了探究。

关键词：配电变压器；防雷保护；过电压；接地装置；雷击过电压；正逆变换过电压；雷击损坏率 文献标识码：A

中图分类号：TM862 文章编号：1009-2374（2015）36-0075-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2015.36.036

1 概述

目前，我国配电变压器损坏率达到了1%，在雷电比较多的地区，配电变压器损坏率达到了5%左右，损坏率最高的地区主要是雷电比较频繁的地区，可达到10%～15%。在我国，损坏率最高的主要是低电压配电网的损坏，低电压电网的损坏直接影响了人们的生产和生活。在人们的生产生活中，家用电器、办公设备、通讯设备及计量仪表的损坏率是最高的。雷击损坏的主要原因是正、逆变换过电压。传统的方式是，保护高侧和低侧避雷器的安装以消除这两个过压，但良好的绝缘配电变压器雷击损坏仍可能发生在操作中。

2 哪些雷会破坏配电变压器

2.1 直击雷

雷雨云与空气中的对地电压上升的电荷数十亿伏。当雷雨云到的电场强度的地面突起到达空气的击穿强度放电现象被称为直接雷击。经验证明：任何设施或设备遭到直击雷攻击，很少能免遭损坏。

2.2 感应雷

由静电感应和电磁感应产生的雷都叫做感应雷。

2.2.1 静电感应，是雷云在接近地球表面时，被突起的建筑物的顶部感应产生大量的异性电荷，一旦电性相反的雷云在空中相遇放电后，建筑物顶部聚集的感应电荷就会放出，形成高速传播的雷电波。

2.2.2 电磁感应，空间中的电流发生雷击是会迅速变化的，变化的电流会产生磁场，即电磁感应，这会让附近的金属物体产生很大的感应电压。静电感应和电磁感应产生的雷都能击穿配电变压器上的绝缘设备。

2.3 雷电入侵波

2.3.1 正变换过电压。当雷击产生的电波沿着低压线路传到配电变压器时，冲击电流会通过低压绕组，这个冲击电流会在高压绕组上产生基于匝数比的感应电动势，使高压侧的电压增大，同时变压器内部的电压也相应变大，低压侧电流冲击波导致高压侧产生感应电压的过程就叫做正变换，电压称为正变换过电压。

2.3.2 反变换过电压。与正变换过电压相反的就是反变换过电压，在雷电进入高压侧的线路后，会引起避雷针的反应，此时冲击电流就会通过接地电阻，并且产生压降，当压降传递到低压绕组的中性点上后中性点的电位相应提高，在长距离的低压线路中，相当于波阻抗接地。所以通过冲击电流在中性点电位的作用下通过低压绕组时会很大。三相绕组中的冲击电压也是根据磁场变化配电变压器高压侧的匝数比产生的，这个电压很大，绕组中通过的电流大小一致、方向一样。三相电路中的绕组采用星形连接，中性点是不接地的，所以在三相电路的高压侧无冲击电流却有脉冲电压。而低压绕组中是有电流的，对应的是高压绕组的无电流，所以低压绕组会产生励磁电流，由冲击电流产生，高压侧会有很高的感应电动势。避雷针的残压会固定住高压绕组的出线侧电压，绕组中这个电势会均匀分布，在中性点到达最大值，容易将中性点的绝缘设备击穿。反变换中高压冲击波引起的电压通过低压侧的电磁感应传到高压侧。

3 配电变压器防雷原理

3.1 防止直击雷的雷击

将雷击电流引导走是防直击雷的最好方法，所以避雷针得到了广泛的采用，另外通过将配电变压器安装在室内也能防止直击雷。

3.2 防止感应雷和雷电入侵波的电击

最高电压能达到数十万伏的感应雷和雷电入侵波，电压在通过正变换过或者反变换过后很容易就会将变电器中性点的绝缘设备击穿，导致危险的后果。只有减少绝缘线上的电压和防止换过电压，才能有效地保护配电变压器免遭雷击。

3.3 普遍使用的保护接地方式

3.3.1 双侧装避雷针单接地法。传统的接线方法，所有的接地点连在一起并且接地，而高低压侧的避雷针接地点、低压侧的中性点、变压器的接地部分都连接在一起的。

优势：接线操作难度小，避雷器在被击穿后只有残压能够传到变压器的主绝缘上。

劣势：换过电压依然存在，不能消除，特别是当雷击电流过大时，接地电阻上的电压会传到电压绕组上，逆变电压可能会将高压侧的绝缘设备击穿。设备在避雷器被击穿时，会被从接地电阻传回来的高电压烧毁。

3.3.2 双接地网双侧装设避雷器方式。因为地球电场可以减弱雷电波，所以可以通过接地消除变换过电压，通过将避雷器的高压侧接地点与避雷器的低压接地点各自接地来实现避雷的效果。

优势：雷击过程中产生的变换过电压能够被消除。接地点和低压处的零线不会再有高压侧的雷击电波传过来。

劣势：对分布有严格要求的两个独立接地网都要制作。在遭遇雷电击中后，避雷器上的残压和接地电阻的压降都会作用在配电变压器的主绝缘上，避雷器的残压没有接地电阻的电压大，所以变压器受到的雷击冲击更大，变压器的绝缘设备老化速度也就大大加快了。

3.3.3 单侧接入地网Yzn配变法。高低压避雷器，Yzn接线变压器和接地网共同构成这种陪变法。

优势：通过改变了低压侧绕组的接线方法，两个相反的磁场会出现在接地电阻的铁芯上，所以电压不会传递到高压侧，也就不会出现变换过电压。另外，因为高低压避雷器的接地线都跟变压器的外表面相接触，即使避雷器被毁，也只有避雷器的残压可以影响到变压器的主绝缘线，使变压器可以安全地工作。

劣势：通过这种方法保护变压器要在低压侧使用更多的成本，在避雷器被损坏后，低压侧会有高电压从接地电阻上窜过来，导致设备被损毁。

4 配电变压器防雷手段

4.1 进行全面的高压瞬态等电位连接

在接地这个处理上，将避雷器、变压器外表面、中性线和其他导体部件连在一起后共同接地，然后将3个高压避雷器装在变压器高压侧，低压侧同样处理，这样就实现了全面的等电位连接。在经过此方法保护下，在被雷电击中后，设备整体始终保持在同样的水平上，因为电压相同，所以没有电流流动，雷电就不会破坏设备。生活中通过高压瞬态等电位连接保护的配电变压设备被雷电击中后，因接线是不同的，所以避雷器电压存在区别，另外连接导体的电阻是不可以忽略的，所以这里所说的等电位连接并不是真的完全相等，不过此时的电位差已经不会对变压器造成威胁了。在常用的防雷方法中，做到高压等电位连接来防雷是最好的方法，安全简单有效。

4.2 高压架空线路的防雷方法

保护变压器高压架空线免遭雷击的常用方法：在高压架上安装避雷针或架空转埋地15m以上接入变压器均可使侵入变压器高压侧的雷电波强度大大降低。

4.3 低压架空线防雷措施

低压架空线一般架设在10kV高压线下，不易受到直接雷击，但是单独在野外架设的低压线也易被雷电击中。现在四线平行架设得到了单独架设的低压架空线的普遍采用，都没有安装避雷针。为了保护低压架空线，多采用以下方法：把电线杆顶端的中性线起避雷针的作用接地，可以防止低压线被雷电击中，变压器可以安全工作。

4.4 配备优质接地线

通常来说避雷器越短的接地下线越好。当接地线的长度较大时，即使雷电波的陡度比较小，也会导致接地线上的压降达到一个很大的值，这个压降会和避雷器的残压一起形成巨大的压降，配变变压器上的绝缘设备就容易被损坏。所以要在熔断器的下端装一个避雷器来保护设备，同时接地引线也会变短许多，当然避雷器的安装工作也就变得更简单了。如果避雷器不能正常工作导致熔管会从变电器上移除下来，高压线路的供电不会因此而受到破坏，整个电力系统也不会频繁出现故障，有利于终端设备的稳定工作。

4.5 将四点共同接地的防雷方法

《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》中写到：“3～10kV配电系统中的配电变压器应装设避雷器保护。避雷器应尽量靠近变压器装设，其接地线应与变压器低压侧中性点以及金属外壳等连在一起接地。”将避雷器装在变电器低压侧的保护方法特点如下：避雷器可以保护低压侧的同时也保护高压侧，两侧的避雷器，绕组的中性点和变压器的外表面四点同时接地称为四点共同接地。考虑了下面两点后决定采用这种接地方法：

在接线的过程中，将两侧的接地线还有低压绕组的中性点接在一起，整个设备内部就处于相同的电压下，避雷器的雷电流和接地电阻上的压降就没有了，变压器的绕组就可以安全工作。在以上几点共同连接后，只有避雷器上的残压会影响到绝缘设备，而设备的内部绝缘装置也不会受到各种压降的影响。在变压器的外表面和避雷器都被接入大地后，变压器上所收到的电压仅为避雷器的残压，接地电阻的压降会使变压器的外表面电压加大，此时低压绕组就会出现逆闪络这一现象，通过将变压器的低压绕组上的中性点与变压器外表面相连接，从而处于相同的电位，可以避免这一现象。

5 结语

作为一个系统的工程，配电变压器的防雷在对雷电流、波阻抗、分布电流等有了更深的了解以后，各种新的处理方法出现，要根据各处的客观条件，做出科学正确的判断，选择一个合适的方法来保护配电变电器。配电变压器的防雷措施对减少事故跳闸率、提高供电可靠性具有重要的意义。

参考文献

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作者简介：冼浩欣（1983-），男，广东中山人，广东电网有限责任公司中山供电局工程师，工程硕士，研究方向：电力系统运行分析与规划。