配電変圧器の雷保護措置の分析

配電変圧器の雷保護措置の分析

雷サージの侵入を防ぎ、配電変圧器の安全な運転を確保するために、本論文では適用可能な雷保護措置を提案し、それらが効果的に雷耐性を高めることを示しています。

1. 配電変圧器の雷保護措置

1.1 配電変圧器の高圧（HV）側に避雷器を設置する。
SDJ7–79「電力設備の過電圧保護設計技術規程」によると：「配電変圧器の高圧側は通常、避雷器で保護されるべきである。避雷器の接地導体、低圧（LV）巻線の中性点、および変圧器のタンクは、一緒に接続され接地されるべきである。」この構成はまた、中国の電力当局が発行したDL/T620–1997「交流電気設備の過電圧保護及び絶縁調整」でも推奨されています。

しかし、広範な研究と実地の経験によれば、高圧側の避雷器だけでは、雷サージによる変圧器の故障がまだ起こることが示されています。一般的な地域では年間故障率は約1％で、雷が多い地域では約5％、非常に激しい雷雨地帯（例えば年間100日以上の雷雨がある地域）では年間故障率は約50％に達することがあります。主な原因は、雷サージが高圧巻線に侵入した際に生じる順方向および逆方向の一時的な過電圧です。

• 逆変換過電圧:
  雷サージ（3〜10 kV）が高圧側に侵入すると、避雷器が放電し、接地抵抗を通る大きなインパルス電流が流れ、電圧降下が生じます。これにより低圧中性点のポテンシャルが上昇します。低圧線が長い場合、それは地対への波インピーダンスのように動作します。結果として、低圧巻線を通る大きなインパルス電流が流れます。三相の低圧電流は大きさと方向が等しく、強いゼロシーケンス磁束を生成し、これが変圧器の巻き比を通じて高圧巻線に極めて高い一時的な電圧を誘起します。高圧巻線は星形接続されており、中性点は接地されていないため、高圧側には循環インパルス電流が存在せず、磁束をバランスさせるものがありません。そのため、全体の低圧インパルス電流が励磁電流として作用し、高圧中性端子で高い誘導電圧を生じさせます—これは絶縁が最も脆弱な場所です。さらに、層間および巻線間の電圧勾配が大幅に増加し、他の場所での絶縁破壊のリスクが高まります。この現象—高圧側のサージによって開始され、低圧側の電磁結合を通じて過電圧を誘起する—は逆変換と呼ばれます。
• 順変換過電圧:
  雷サージが低圧線を通って侵入すると、インパルス電流が低圧巻線を通ります。これが巻き比を通じて高圧巻線に高い電圧を誘起し、高圧中性点のポテンシャルを大幅に上昇させ、層間および巻線間の電圧勾配を増加させます。このプロセス—低圧側のサージが高圧側に過電圧を誘起する—は順変換と呼ばれます。試験では、10 kVの低圧サージと5 Ωの接地抵抗を持つ場合、高圧巻線の層間電圧勾配は変圧器の全波インパルス耐電圧強度を超えることが示されています。これは必然的に絶縁破壊を引き起こします。

1.2 低圧側に従来型バルブまたは金属酸化物避雷器を設置する。
この構成では、高圧および低圧避雷器の接地導体、低圧中性点、および変圧器のタンクはすべて一緒に接続され接地されます（しばしば「四点接続」または「三点一体接地」と呼ばれます）。

実地のデータと実験的研究は、良好な絶縁を持つ変圧器であっても、高圧側の避雷器だけでは順変換または逆変換過電圧からの損傷を防ぐことができないことを確認しています。高圧避雷器はこれらの内部生成された瞬間的な過電圧に対して保護を提供しません。層間および巻線間の電圧勾配は巻数に比例し、巻線の形状に依存します—故障は巻線の始端、中央、または終端で発生し、終端が最も脆弱です。低圧側の避雷器を追加することで、順変換および逆変換過電圧を効果的に制限することができます。

1.3 高圧側と低圧側の分離接地。
この方法では、高圧避雷器は独立して接地され、低圧中性点と変圧器のタンクは別々に接続され接地されます（低圧避雷器なし）。

研究によれば、この方法は地中の減衰を利用して逆変換過電圧を大部分削減することができます。順変換については、計算結果によれば、低圧側の接地抵抗を10 Ωから2.5 Ωに減らすことで、高圧側の過電圧を約40％低下させることができます。適切な低圧側接地システムの処理により、順変換過電圧を効果的に抑制することができます。この解決策は単純で費用効果が高いですが、低い低圧側接地抵抗を必要とするため、実用的な価値があります。

上記以外にも、変圧器コアにバランス巻線を設置して変換過電圧を抑制する、または変圧器内に金属酸化物バリスタ（MOVs）を埋め込むなどの他の措置があります。

2. 雷保護措置の適用

上記の分析から、各保護方法には異なる特性があります。地域は局地の雷の強度（年間雷雨日数で測定）に基づいて適切な戦略を選択すべきです：

• 低雷区（例如：平原）：由于年故障率较低，仅在高压侧安装避雷器就足够了。
• 中等雷区：在高压侧和低压侧都安装避雷器。
• 高雷区：单一措施往往不够。建议采取综合措施：高压避雷器单独接地，加上连接在一起的低压避雷器、低压中性点和罐体连接到独立的接地系统。
• 严重雷区（特别是即使采取了综合措施后年故障率仍然高的地区）：经过技术和经济评估后，考虑采用先进的解决方案，如铁芯平衡绕组（即新型耐雷变压器）或内部安装金属氧化物避雷器。

3. 結論

配電變壓器的雷電保護方法因地區而異，各地區的現場條件也大不相同。根據當地條件選擇保護方案並加強運行管理，可以大幅提高配電變壓器的雷電抵抗能力和可靠性。