变压器 35kV侧雷电侵入波过电压和抑制措施研究

变压器 35kV侧雷电侵入波过电压和抑制措施研究

黎光辉

中国电建集团贵州工程有限公司 贵州贵阳 550007

摘要：近年来社会用电需求的不断增大，电力工程建设数量也逐渐增多，新能源市场正如火如荼的进行。据国家能源局数据显示，2019年，全国新增风电装机2574万千瓦，新增光伏发电装机3011万千瓦，共计5585万千瓦 。风力发电项目的输电线路中，风机所配置的35kV箱变雷电侵入波过电压是在输电架空输电线路遭受雷电绕击或反击的情况下形成的，雷电能量通过线路传入风电场主变压器35kV侧，如果在传播过程中由于雷电能量未充分衰减，则在到达变压器时就可能导致绕组匝间或中性点绝缘损坏。本文就变压器35kV侧雷电侵入波过电压和抑制措施展开探讨。

关键词：变压器；输电线路；雷击；雷电侵入波；避雷器。

引言

风力发电项目中，每台风机下方均配置了一台35kV箱变，如果不对雷电侵入波进行抑制，遇到严重的雷击时，容易将35kV箱变烧坏，造成发电量的巨大损失。雷电侵入波产生的过电压具有较高的峰值及较短的上升时间，且频率变化范围较宽，能造成变压器35kV侧绕组匝间绝缘击穿。其一，陡度很大的雷电波波头侵入风电场主变压器35kV侧，可能使绕组内部的匝间过电压分布极不均匀，对绕组绝缘危害较大；其二，雷电波频率分布较广，主要频率集中在1ＭＨｚ以内，若某几个频率分量与变压器自振频率相吻合，会使绕组产生幅值较高的谐振过电压，可能导致匝间局部绝缘以及绕组与铁芯间的绝缘击穿。为了保证风电场变压器的安全，本文将从以下几个方面进行分析和研究。

1、35kV雷电侵入波形成的物理过程

由于电力系统遭受的雷击主要为负极性雷击，故本文以负极性雷击为研究对象。当雷电击中输电线路发生回击时，雷云与输电线路之间形成导电性能良好的回击通道，雷云的大量负极性电荷通过回击通道注入输电线路。若负极性电荷直接注入输电线路导线(如绕击或雷击杆塔闪络后的电流注入)，会直接在导线上形成电压行波；若负极性电荷注入避雷线或杆塔(如雷击杆塔或避雷线未引起闪络)，也会通过感应和耦合在导线上形成电压行波。不同雷击类型对应不同的电压行波形成过程，并导致雷击点附近的初始电压行波波形特征存在差异。雷击点附近导线上的电压行波形成后，电压行波会沿着导线向变压器35kV侧传输。对于理想的无损传输线，电压行波在传输过程中不会发生能量散失(存储于电磁场中)，波形也不会发生畸变。而在实际输电线路上的电压行波传输过程中，导线电阻、对地电导和导线电晕均会造成能量损失，并导致电压行波在传输过程中发生畸变。电压行波侵入变压器35kV侧后，受变压器设备对地电容、35kV变压器内所布置避雷器、35kV变压器断口及其它波阻抗不连续点的影响，电压行波在站内会发生复杂的折反射过程，进一步导致雷电侵入过电压波形发生畸变。因此，变压器35kV侧雷电侵入波的形成过程可以分为3个阶段：（1）不同形式雷击在雷击点附近形成初始雷击电压行波；（2）雷击电压行波在沿导线的传输过程中发生衰减和畸变；（3）雷击电压行波在侵入变压器35kV侧后发生折反射。

2、电容计算

35kV变压器绕组中的电容主要是采用总能量相等对电容参数进行折算，即饼间等值电容由饼间几何电容根据总能量相等折算而得；匝间等值电容由匝间几何电容根据总能量相等折算而得，对地电容由实际结构进行计算。在变压器35kV侧线圈中，径向有线圈与铁芯之间的电容，线圈与线圈之间的电容，线圈与油箱壁之间的电容；轴向有线匝之间的匝间电容，线饼之间的饼间电容。计算径向电容，应用同轴圆柱电容公式；计算轴向几何电容，应用平板电容公式。

3、35kV侧雷电侵入波过电压分析

3.1雷电侵入方式及雷击点的选择

风电场升压站的雷电危害有两方面：一是从风电场集电线路35kV进线电源线路侵入升压站内的主变压器35kV侧并导致雷电过电压；二是雷直击风电场升压站所造成的危害。由于风电场升压站通常设有两根独立的避雷针，因此其主变压器高压侧不会产生雷电危害，但35kV压侧却存在雷电绕击线路的风险，因此需要严密关注雷电侵入波的危害。在我国，一般取2km内的雷击作为研究对象，在美国、西欧等国以及CIGRE工作组也都认为35kV变压器侵入波的重点研究对象应该是输电雷击，而不是远区雷击，故本文雷电波模型就是模拟输电雷击。

3.2绕击雷电侵入波过电压分析

本节对35kV变压器35kV侧雷电侵入波过电压进行分析，分析时仅考虑前三基杆塔受到雷电绕击和反击时的侵入波，杆塔档距200~250m，杆塔接地电阻10Ω，绝缘子类型为XWP－70，串长为58cm。对应的绕击点选取如下4个位置，绕击点a位于35kV箱变与线路交接处、绕击点b位于1号杆塔、绕击点c位于2号杆塔、绕击点d位于3号杆塔。绕击导线为A相。由于输电35kV线路安装有避雷线，绕击雷电流幅值不会太大，仅考虑1～4kA的绕击雷电流。总体而言，当绕击点越靠近变压器35kV侧，绕击雷电流幅值越大，但是并不是只要增加绕击雷电流幅值其所引起的侵入波幅值就会增加，例如当3kA和4kA雷电流均作用在绕击点3时，4kA雷电流导致的过电压幅值反而更低些。导致这种现象的原因在3kA雷电流绕击2号杆塔未导致杆塔A相闪络，雷电能量未经过杆塔进入大地，而4kA雷电流作用下2号杆塔A相绝缘子闪络，雷电流通过杆塔入地，导致进入35kV变压器的能量相比3kA雷电流绕击时更低。

4、雷电侵入电压波形特征及对绝缘的影响

施加于35kV变压器箱变设备上的雷电侵入电压波形受雷击工况、雷击点与35kV变压器箱变的距离、避雷器配置等诸多因素的影响。其中，雷击工况主要影响电压行波的波尾特征，如在绕击未闪络及反击闪络的情况下，初始电压行波的波尾与标准雷电冲击波形的波尾相似；而在绕击闪络的情况下，初始电压行波的波尾则呈现“截波”特点。电压行波在输电线路的传输过程中会发生衰减和畸变，随着传输距离的增加，波前和波尾时间均有所增加，而电压幅值随着传输距离的增加而逐渐降低。由于避雷器对过电压的抑制作用，具有明显“峰值”特征的雷电侵入电压波形的过电压部分得到抑制，从而使过电压侵入波形成“削峰”后的平顶波。从能量的角度分析，大量雷击行波能量通过避雷器通道泄放，施加于其它35kV变压器设备的能量降低。在布置避雷器后，行波波尾时间延长。此外，变压器杂散电容和线路电感构成的LC回路还会在侵入波的波前位置形成振荡。由于雷电侵入波的初始形成过程、沿输电线路传输过程、以及35kV变压器内折反射过程的作用，实际施加于35kV变压器设备的过电压波形与标准雷电冲击波形存在较大差异。

5、变压器35kV侧雷电侵入波防治措施

（1）在35kV箱变高压绕组中性点安装35kV避雷器可以有效保护箱变的安全。35kV大幅值雷电流反击时将引起变压器高压侧中性点电压抬升，如果仅在主变压器低压侧和中性点安装35kV站用避雷器，在中性点安装避雷器情况下，中性点过电压幅值得到有效限制。对于高压绕组首端过电压幅值限制效果并不显著，因此需要在保留中性点避雷器的情况下进一步寻找可以显著降低高压绕组匝间过电压的限制措施。（2）在35kV箱变高压绕组中性点和35kV出线第一基杆塔安装避雷器，并尽量使得杆塔靠近箱变，最好在10m以内，此种情况下，其高压侧绕组首端匝间过电压幅值出现一定程度降低，而在进升压站处的末端杆塔上加装避雷器，可以有效的对升压站主变压器起到良好的保护作用。结语

在严苛的环境条件下，35kV变压器设备实际遭受的雷电侵入电压波形波前时间和波尾时间均长于标准雷电冲击电压波形，由此可能使得35kV变压器设备在实际中的雷电冲击耐受水平低于试验条件下标准雷电冲击试验获得的耐受水平，可通过以下措施降低雷电侵入波的影响：

1. 降低线路塔底的土壤接地电阻率，可降低塔顶电压；

2. 选择经济性电流的输电导线，可以将传播至变电站的雷电侵入波降低；

3. 变压器（包括箱变）35kV侧和杆塔处分别选择合适的避雷器。

展望

因个人能力、水平和时间的有限，深知本人研究的成果有限且存在很多不足。对35kV变压器还需要从以下两方面进一步研究：

1. 重点研究绕击对雷电侵入波的影响以及指定相应的防护措施；

2. 综合考虑35kV变压器的防雷措施综合经济性评价。

参考文献

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［2］韩爱芝．电力变压器综合防雷措施［J］．变压器，2018，47(2):61－63．

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