加装并联间隙的10kV配电变压器的防雷保护结构的制作方法

本发明涉及10kv配电网与配电设备防雷领域，尤其涉及一种加装并联间隙的10kv配电变压器的防雷保护结构。

背景技术：

由于配电线路的绝缘水平要高于配电设备，因而，配电变压器是整个配电网络的绝缘薄弱环节。据统计，造成配电变压器损坏的主要原因是由于雷电流沿线路侵入到配电变压器中。雷电波侵入10kv配电线路时，由于配电线路绝缘子的绝缘水平较高，可以允许较高峰值的雷电过电压侵入，但配电变压器的绝缘水平相对较低，雷电过电压容易导致配电变压器发生绝缘故障。

为了防治过电压波对10kv配电变压器的损害，目前普遍采取的措施：高低压侧加装避雷器，高压侧避雷器之前加跌落式熔断器。对高压侧避雷器的保护措施主要有采用带间隙的氧化锌避雷器等。

为了防治过电压波对10kv配电变压器的损害，目前普遍采取的措施：高低压侧加装避雷器，高压侧避雷器之前加跌落式熔断器。高压侧避雷器是限制沿10kv配电线路侵入配电变压器的雷电波的主要保护装置，避雷器的安装越靠近变压器，保护效果越好。然而，当配电线路遭遇雷击时，雷电侵入波的电流幅值过大，会造成高压侧避雷器过热，加速老化甚至直接发生爆炸。现场运行经验表明，10kv配电变压器高压侧避雷器的故障率往往较高。可见，高压侧避雷器是配电变压器防雷保护的薄弱环节。而高压侧避雷器一般选用yh5ws-17/50型号，其标称放电电流峰值为5ka。

为了保护10kv配电变压器高压侧避雷器，某些地区采用了带间隙的氧化锌避雷器。有间隙的阻隔，不会形成因本体故障而导致的故障点，且极大降低了避雷器本体的老化速率。但对于雷击线路产生的过电压波导致的避雷器过热损坏仍无法起到限制作用。

综上，为保障10kv配电变压器及其高压侧避雷器的安全稳定运行，采取合适的措施来限制侵入波电流和电压的幅值，即调节配电线路和配电设备之间的绝缘水平差异，显得尤其重要。

技术实现要素：

本发明提供了一种加装并联间隙的10kv配电变压器的防雷保护结构，用以解决现有的10kv配电变压器的高压侧采用带间隙的氧化锌避雷器对于雷击线路产生的过电压波导致的避雷器过热损坏无法起到限制作用的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种加装并联间隙的10kv配电变压器的防雷保护结构，包括：

10kv配电变压器的前三基杆塔中，同一基杆塔的一回线路仅在一相安装并联间隙，左右相邻的二基杆塔的两个并联间隙分别安装在三相中的另外两相，前三基相邻杆塔配合安装一组三个并联间隙。

优选地，并联间隙并联在绝缘子或绝缘子串上，由两个电极构成，一个电极安装在高压侧，一个电极安装在地电位侧，并联间隙的间隙距离小于绝缘子或绝缘子串的结构高度，两个电极均为不锈钢材料的球形电极，两个电极为球对球的间隙安装。

优选地，前三基相邻杆塔按照以下任一次序配合安装一组三个并联间隙：

10kv配电变压器的前三基杆塔中距配电变压器最远杆塔的并联间隙安装在c相，距配电变压器最近杆塔的并联间隙安装在a相，中间杆塔的并联间隙安装在b相；

10kv配电变压器的前三基杆塔中距配电变压器最远杆塔的并联间隙安装在b相，距配电变压器最近杆塔的并联间隙安装在a相，中间杆塔的并联间隙安装在c相。

优选地，前三基相邻杆塔中，按照最远杆塔、中间杆塔和最近杆塔的次序，并联间隙的间隙放电电压分别为90kv、80kv和70kv。

本发明具有以下有益效果：

本发明的加装并联间隙的10kv配电变压器的防雷保护结构，并联间隙按本发明的安装结构能够对过电压波起到很好的限制效果，并且相对于其他安装策略，在雷击时流过避雷器的雷电流幅值能够降到最低，达到最佳的效果。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的加装并联间隙的10kv配电变压器的防雷保护结构的结构示意图；

图2是本发明优选实施例的10kv配电线路仿真模型示意图；

图3是本发明优选实施例的感应雷过电压仿真模型图；

图4是本发明优选实施例的第一基杆塔上绝缘子闪络的电流波形图；

图5是本发明优选实施例的雷电流为7.457ka时到达变压器前的电压和电流波形图；

图6是本发明优选实施例的雷电流为23.05ka时到达变压器前的电压和电流波形图；

图7是本发明优选实施例的雷电流为28.65ka时到达变压器前的电压和电流波形图；

图8是本发明优选实施例的前四基杆塔加装相同间隙电压的并联间隙时到达变压器前的电压和电流波形图；

图9是本发明优选实施例的前三基加装相同间隙电压的并联间隙时到达变压器前的电压和电流波形的电流波形图。

图中各标号表示：

1、10kv配电线路；2、配电变压器；3、并联间隙。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

参见图1，本发明的加装并联间隙的10kv配电变压器的防雷保护结构，包括：

10kv配电变压器2的前三基杆塔中，同一基杆塔的一回线路仅在一相安装并联间隙3，左右相邻的二基杆塔的两个并联间隙3分别安装在三相中的另外两相，前三基相邻杆塔配合安装一组三个并联间隙3。加装并联间隙3是10kv配电线路1的重要防雷措施，可以通过设置并联间隙3的安装方式和间隙距离，调整配电线路和配电变压器2之间绝缘水平的差异，以起到过电压防护的作用。并联间隙3按本发明的安装结构能够对过电压波起到很好的限制效果，并且相对于其他安装策略，在雷击时流过避雷器的雷电流幅值能够降到最低，达到最佳的效果。

本实施例中，前三基相邻杆塔优选按照以下任一次序配合安装一组三个并联间隙3：

10kv配电变压器2的前三基杆塔中距配电变压器2最远杆塔的并联间隙3安装在c相，距配电变压器2最近杆塔的并联间隙3安装在a相，中间杆塔的并联间隙3安装在b相；

10kv配电变压器的前三基杆塔中距配电变压器2最远杆塔的并联间隙3安装在b相，距配电变压器2最近杆塔的并联间隙3安装在a相，中间杆塔的并联间隙3安装在c相。

前三基相邻杆塔中，按照最远杆塔、中间杆塔和最近杆塔的次序，并联间隙的间隙放电电压优选设置为90kv、80kv和70kv。

本实施例中，并联间隙并联在绝缘子或绝缘子串上，由两个电极构成，一个电极安装在高压侧，一个电极安装在地电位侧，并联间隙的间隙距离小于绝缘子或绝缘子串的结构高度，两个电极均为不锈钢材料的球形电极，两个电极为球对球的间隙安装。

以下采用仿真对本发明的结构的效果进行验证：

1、在atp-empt中搭建10kv配电线路仿真模型(也可以采用pscad等仿真软件实现)，如图2所示。其中包括11基杆塔，线路之间档距为80m，最左侧为10kv三相交流电源、最右侧为变压器的等效模型，绝缘闪络模型和间隙模型均简化为一个压控开关代替，绝缘子上50％冲击击穿电压为139.78kv。10kv配电线路导线选用典型的钢芯铝绞线，导线型号为lgj-120/20，在emtp中导线模型选用lcc中能反应频率特性的jmarti模型，具体参数如上述表1所示。

表110kv配电线路的导线参数

2、测试并联间隙的安装位置和放电电压对雷电侵入波的限制效果。

引起10kv配电线路跳闸的原因是相间短路，单相接地故障允许带电运行一定时间。因而，对10kv配电线路来说，设置了雷电波沿线路入侵的三种不同的典型情况：

情况1：雷击杆塔时，绝缘子发生一相闪络，且恰好不发生两相闪络；

情况2：线路上产生感应雷过电压时，三相绝缘子恰好都不发生闪络；

情况3：线路上产生感应雷过电压时，绝缘子发生一相闪络，且恰好不发生两相闪络。

2.110kv配电变压器高压侧避雷器前端未加装并联间隙时：

2.1.1情况1时最大雷电过电压和过电流幅值。

为了测定到达高压侧避雷器的最大雷电流幅值，根据图2的仿真模型中，选取变压器前端的若干基杆塔处作为雷击点，经过多次改变雷电流幅值，当出现某基杆塔恰好不发生两相放电时，记录线路末端(配变前)的过电压和过电流的幅值。

仿真结果发现，当雷击点越靠近配电变压器，线路末端的过电压和过电流的幅值越高。为了得到该情况下雷电过电压和过电流的最大幅值，选取配变前第一基杆塔作为雷击点，当雷电流增加到7.457ka时，绝缘子发生c相闪络且恰好不会发生两相闪络，第一基杆塔绝缘子闪络电流如图4所示。而此时到达变压器时的电压和电流分别如图5(a)和图5(b)所示。由图5可知，当雷击点在距离配电变压器只有1基杆塔时，绝缘子闪络后沿线路侵入的雷电波到达配电变压器时的最大雷电流幅值为4ka，电压为40kv(c相有最大值)。该值仍然小于高压侧避雷器的标称电流，过电压的幅值也不高，一般不会引起避雷器故障。

3.1.2情况2时最大雷电过电压和过电流幅值。

把图3所示的雷电流模块接入配变前的若干基杆塔，通过调整雷电流幅值，可以得到当使线路三相绝缘子都不发生闪络时，配变前端线路的最大过电流和过电压的幅值。

通过仿真计算，当选取靠近变压器第四基杆塔处的线路作为雷电流感应点时，改变雷电流幅值，得出当雷电流幅值约为23.05ka时，三相绝缘子恰好都不会发生闪络，此时到达变压器时的电压和电流如图6(a)和图6(b)所示。由图6可知，当雷击点在距离配电变压器第4基杆塔时，绝缘子虽然恰好未发生闪络，但沿线路侵入的雷电波到达配电变压器时的最大雷电流幅值为5ka，电压约为70kv(a相有最大值，下同)。

当雷击点更靠近变压器时，过电压和过电流的幅值都会继续增加，雷电流幅值会超过5ka，将会引起避雷器也过热而导致损坏甚至发生爆炸。

2.1.3情况3时的最大过电压和过电流幅值。

把图3所示的雷电流模块接入配变前的若干基杆塔，通过调整雷电流幅值，可以得到当使线路绝缘子发生一相闪络，且恰好不发生两相闪络时，配变前端线路的最大过电流和过电压的幅值。

通过仿真计算，把靠近变压器的第四基杆塔处的线路作为雷电流的感应点，通过设置不同的雷电流幅值，可以得到当雷电流为28.65ka时，绝缘子上会有一相闪络且恰好不发生两相闪络，此时到达变压器时的电压值和电流值如图7(a)和图7(b)所示。由图7可知，绝缘子闪络后沿线路侵入的雷电波到达配电变压器时的最大雷电流幅值约为5.7ka，电压约为86.2kv。当雷击点更靠近变压器时，过电压和过电流的幅值都会继续增加。这种情况也可能会导致避雷器过热损坏甚至爆炸。

综合以上3种情况可以得知，第2种和第3种情况都是在第4基杆塔处线路上产生感应过电压时，过电压波传播至高压侧避雷器时，幅值已经超过了避雷器的标称电流，会导致避雷器损坏。由于第3种情况下，到达配变前的过电压波幅值最高，是最为严重的情况。因此，主要针对第3种情况，即感应雷过电压下不发生相间放电的最大过电压波下，采用加装并联间隙的方法来限制过电压和过电流的幅值，以保护避雷器和变压器的正常运行。

2.210kv配电变压器高压侧避雷器前端施加并联间隙。

由仿真结果可知，在情况3下，当感应雷过电压的感应点位于配变前第4基杆塔时，配变前端线路的过电流幅值将超过5ka。需要在前4基杆塔上加装并联间隙，以限制过电压波的幅值。

a、第4基杆塔加装并联间隙对防雷效果的影响。

由于并联间隙采用了单相安装的方式，配变前3基杆塔可以安装一组，首先验证了配变前第4基杆塔加装并联间隙对防护效果的影响。按照并联间隙的单相施加方法，靠近变压器侧依次为1号杆塔、2号杆塔、以此类推。

并联间隙的安装方法1：在前四基杆塔的绝缘子上加装并联间隙，间隙的施加方式如表3所示。

表3并联间隙的施加方式

通过仿真得到了到达变压器前的电压值和电流值如图8(a)和图8(b)所示。由图8可知，绝缘子上加装并联间隙后，沿线路侵入的雷电波到达配电变压器时的最大雷电流幅值为5.7ka，电压幅值为86.2kv。

b、前3基杆塔并联间隙的加装方式。

对前3基杆塔加装单相并联间隙时，称安装方式2。由于杆塔模型中三相导线为非对称排列，因而，按照配变前3基杆塔，3、2、1号杆塔加装相不同，可以分为c-b-a、b-c-a、c-a-b、a-c-b、a-b-c和b-a-c6种情况。当把间隙的放电电压均设置为90kv时，以并联间隙的c-b-a施加方式为例，配变前线路上的过电压和过电流的仿真结果如图9(a)和图9(b)所示。按照相同的方法，仿真计算6组不同间隙施加方式，得到到达变压器前的电压值和电流值以如表4所示。

表4加装相同的间隙电压时，到达变压器前的电压和电流

从表4可知，前3基杆塔按c-b-a、b-c-a、c-a-b、a-c-b、a-b-c和b-a-c6种方式加装并联间隙时，在情况3下，沿线路侵入的雷电波到达配电变压器时的最大雷电流幅值为5.7ka，电压幅值为86.2kv。

结合图9和表4，在配变前3基杆塔安装一组并联间隙后，第4基杆塔是否加装并联间隙对到达变压器前的电压和电流值没有影响，因此，第4基杆塔可以不加装并联间隙。且前3基杆塔不同相加装相同放电电压的并联间隙对到达变压器前的电压和电流也没有影响。

根据6种并联间隙的安装方式，通过设置不同的间隙放电电压，以进一步调整线路末端(配变前)的过电流幅值。通过多次调整间隙的放电电压值，最终设定间隙放电电压分别为3号杆塔上间隙电压为90kv，2号杆塔上间隙电压为80kv，1号杆塔上间隙电压为70kv。在情况3下，得到到达变压器前的电压值和电流值如表5。

表5加装不同的间隙电压时，到达变压器前的电压和电流

由表5可知，第一组和第二组施加方式(c-b-a和b-c-a)是六组中最优的施加方式，能够把过电压限制到81.3kv，与不加间隙时相比，线路末端电压下降了5.7％；过电流限制在4.77ka，与不加间隙时相比，线路末端电流下降了16.3％。同样可以发现，在情况3的雷电侵入方式下，相比较等间隙的安装方法(设置相同的间隙放电电压)，加装不同放电电压的并联间隙也具有更好的防雷效果。

综上可知，本发明通过配变前3基杆塔每基仅加装一相(同一回线路)，分别加装在c(最远杆塔)-b-a相或b(最远杆塔)-c-a相，间隙放电电压分别为90kv、80kv和70kv，可以达到最优的入侵到配电变压器的雷电过电压防护效果。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。