高鴻鵬，咸日常，呂東飛，孫曉維，范慧芳，陳蕾

（1.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255000；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司淄博供電公司，山東 淄博255000；3.山東耐高電力器材有限公司，山東 淄博 255000）

0 引言

配電變壓器是配電網(wǎng)的重要組成部分，與電力用戶直接相連，承擔(dān)著電能傳輸分配的重要職能，其安全、穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于電網(wǎng)供電可靠性具有重要意義[1-2]。在實(shí)際運(yùn)行中，由于我國(guó)配電網(wǎng)覆蓋面積廣，配電設(shè)備總體絕緣配置低于線路絕緣水平，且出于經(jīng)濟(jì)因素考慮，所采取的雷電防護(hù)措施相比輸變電設(shè)備較為簡(jiǎn)易，易受雷擊過(guò)電壓的侵害，由雷擊過(guò)電壓造成的跳閘和設(shè)備損壞已成為配電網(wǎng)故障的主要原因[3]。目前，許多地區(qū)僅在配電變壓器高壓側(cè)安裝避雷器，導(dǎo)致低壓側(cè)繞組得不到有效防護(hù)，在實(shí)際運(yùn)行中因雷擊造成的低壓側(cè)繞組絕緣損壞事故時(shí)有發(fā)生[4-6]。而針對(duì)降低線損、提高電壓質(zhì)量的需要，通常在配電變壓器低壓側(cè)安裝并聯(lián)電容器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償裝置的研究主要集中在其構(gòu)造、布置和運(yùn)行維護(hù)優(yōu)化上。文獻(xiàn)[7]提出了一種緊湊型集合式并聯(lián)電容器裝置，可以減小并聯(lián)電容器占地面積且方便安裝；文獻(xiàn)[8-9]研究了可供快拆快裝的無(wú)功補(bǔ)償裝置，提出了自適應(yīng)調(diào)整控制策略；文獻(xiàn)[10]提出了一種新型電容器布置和控制方式，減小因無(wú)功流動(dòng)引起的損耗；文獻(xiàn)[11]則主要針對(duì)運(yùn)行維護(hù)措施進(jìn)行研究，提出了改進(jìn)建議。綜上可知，目前鮮有學(xué)者從雷電防護(hù)的角度研究無(wú)功補(bǔ)償電容對(duì)配電設(shè)備性能的影響，且尚未分析低壓并聯(lián)電容器接線方式對(duì)配電變壓器防雷性能的影響。

本文采用ATP-EMTP 電磁暫態(tài)仿真軟件建立了接有補(bǔ)償電容的配電變壓器雷擊寬頻等效模型，首次就低壓并聯(lián)電容器接線方式不同對(duì)配電變壓器防雷性能的影響進(jìn)行了對(duì)比分析，研究結(jié)果對(duì)配電變壓器雷電防護(hù)設(shè)計(jì)具有實(shí)際工程價(jià)值。

1 接有補(bǔ)償電容的配電變壓器寬頻等效模型

變壓器具有多種等效模型，除傳統(tǒng)工頻等效模型外，還有基于外部測(cè)量法和電路建模法得到的變壓器等效模型等[12-14]。由于雷擊過(guò)電壓頻帶較寬，傳統(tǒng)工頻等效模型未考慮高頻段電容耦合，外部測(cè)量法建模主要用于大型電力變壓器，電路建模法計(jì)算量過(guò)大，上述模型均不適用于配電變壓器雷擊過(guò)電壓分析。因此，本文建立了以理想變壓器模型為基礎(chǔ)，同時(shí)考慮電磁耦合及電容耦合的配電變壓器雷擊寬頻等效模型[15-16]。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB 50227—2017《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》，低壓并聯(lián)電容器組可以采用△接線或Y 接線，低壓側(cè)接有補(bǔ)償電容的配電變壓器雷擊寬頻等效模型見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 低壓側(cè)接有補(bǔ)償電容的Dyn-11型配電變壓器電路模型Fig.1 Circuit model of Dyn-11 distribution transformer with compensation capacitor connected at low-voltage side

圖2 低壓側(cè)接有補(bǔ)償電容的Yyn-0型配電變壓器電路模型Fig.2 Circuit model of Yyn-0 distribution transformer with compensation capacitor connected at low-voltage side

模型中的電感、電容和電阻元件用于表示低頻電磁耦合、高頻電容耦合及損耗，其參數(shù)均可由配電變壓器銘牌參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)等效計(jì)算求得。圖中，1 為高壓繞組對(duì)外殼等效電容，2、3 表示高壓繞組的電阻和漏電感，4 為高、低壓繞組間等效電容，5、6 表示低壓繞組的電阻和漏電感，7 為低壓繞組對(duì)鐵心等效電容，8、11 分別為高、低壓繞組匝間電容與層間電容之和，9、10 表示勵(lì)磁電阻和勵(lì)磁電感，12 為相間等效電容。

其中，由于Yyn-0 型配電變壓器高壓側(cè)繞組中性點(diǎn)不接地，其高壓側(cè)繞組末端與外殼之間存在電位差；Dyn-11 型配電變壓器高壓側(cè)繞組為△接線，其高壓側(cè)繞組末端互不相連，存在電位差，且與外殼之間同樣存在電位差。因此，兩種配電變壓器高壓側(cè)對(duì)外殼等效電容及Dyn-11 型配電變壓器相間電容均呈現(xiàn)為首末端對(duì)稱分布，取值為計(jì)算值的一半。

2 補(bǔ)償電容值計(jì)算

在配電變壓器低壓側(cè)安裝并聯(lián)電容器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償可以降低其運(yùn)行損耗、提高供電效率并改善電壓質(zhì)量，電容器的取值主要取決于配電變壓器的容量及所帶負(fù)載的無(wú)功需求。配電變壓器在額定狀況下運(yùn)行時(shí)，其自身無(wú)功損耗主要為主磁通勵(lì)磁[17-20]電流產(chǎn)生的無(wú)功損耗和負(fù)載電流在繞組電抗上產(chǎn)生的無(wú)功損耗，因此配電變壓器運(yùn)行時(shí)的無(wú)功損耗為

式中：KT為負(fù)載波動(dòng)損耗系數(shù)；β2為平均負(fù)載系數(shù)；SN為額定容量，kVA；I0%為空載電流百分比；Uk%為阻抗電壓百分比。

選取容量為315 kVA、聯(lián)結(jié)組別分別為Dyn-11與Yyn-0 的配電變壓器銘牌參數(shù)，計(jì)算最小補(bǔ)償時(shí)的電容量取值，配電變壓器的性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 配電變壓器性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of distribution transformers

根據(jù)表1 所示參數(shù)，經(jīng)由式（1）可以求得變壓器運(yùn)行時(shí)無(wú)功損耗，再通過(guò)式（2）即可求得無(wú)功補(bǔ)償所需電容值為

根據(jù)國(guó)標(biāo)《GB/T 12325—2008 電能質(zhì)量供電電壓偏差》規(guī)定，額定電壓為400 V 時(shí)允許的電壓波動(dòng)范圍為±7%，可以求得Dyn-11 型配電變壓器低壓側(cè)三相補(bǔ)償電容量取值范圍為238.211～315.4 μF，單相則為79.4～105.13 μF；Yyn-0 型配電變壓器低壓側(cè)三相補(bǔ)償電容量取值范圍為253.565～335.652 μF，單相則為78.522～111.884 μF。

3 配電變壓器雷電過(guò)電壓仿真分析

3.1 直擊雷過(guò)電壓分析

為對(duì)比分析低壓并聯(lián)電容器接線方式不同所造成的配電變壓器防雷性能差異，在ATP-EMTP 中建立采取不同電容器接線方式的配電變壓器寬頻等效模型，對(duì)其防雷性能差異進(jìn)行仿真分析。

根據(jù)GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》，該類型配電變壓器接地電阻不應(yīng)大于4 Ω，依此取接地電阻值為4 Ω。鑒于在高壓側(cè)裝設(shè)的YH5W17/45 型避雷器，其標(biāo)稱放電電流為5 kA，因此假設(shè)雷電流幅值為5 kA，波形為2.6/50 μs 標(biāo)準(zhǔn)雷電波形，雷電波從配電變壓器高壓側(cè)A 相侵入。未在低壓側(cè)安裝并聯(lián)電容器的情況下，高壓側(cè)繞組首端對(duì)配電變壓器外殼過(guò)電壓波形見(jiàn)圖3。

圖3 高壓繞組首端對(duì)外殼過(guò)電壓Fig.3 Over-voltage of the HV winding head to the shell

由于配電變壓器高壓側(cè)裝有避雷器，在雷電流幅值為標(biāo)稱放電電流的情況下，其高壓繞組首端對(duì)外殼過(guò)電壓均低于額定耐受電壓值。但幅值較高且波前陡度較大的雷電流投射到高壓繞組時(shí)，經(jīng)電容耦合作用會(huì)在低壓繞組上產(chǎn)生幅值較高的傳遞過(guò)電壓，易導(dǎo)致低壓絕緣損壞。因此，本文著重對(duì)配電變壓器低壓側(cè)過(guò)電壓情況進(jìn)行仿真對(duì)比分析，不同聯(lián)結(jié)組別的配電變壓器在低壓并聯(lián)電容器不同接線方式下，其低壓繞組上的過(guò)電壓波形見(jiàn)圖4、圖5。

由圖4、圖5 可知，配電變壓器低壓側(cè)在未安裝并聯(lián)電容器的情況下，其過(guò)電壓波形劇烈震蕩且峰值較高，極易引起絕緣擊穿；低壓側(cè)安裝△接線并聯(lián)電容器僅降低了過(guò)電壓波形的震蕩幅度，對(duì)其峰值影響較小，過(guò)電壓峰值下降比率僅為2.41%和4.48%；低壓側(cè)安裝Y 接線并聯(lián)電容器則能夠大幅降低過(guò)電壓峰值，下降比率分別為79.26%和86.79%，同時(shí)能夠消除波形震蕩并降低過(guò)電壓波形的陡度。

圖4 Dyn-11型配電變壓器低壓繞組過(guò)電壓波形Fig.4 Over-voltage waveform of low voltage winding of Dyn-11 type distribution transformer

圖5 Yyn-0型配電變壓器低壓繞組過(guò)電壓波形Fig.5 Over-voltage waveform of low voltage winding of Yyn-0 type distribution transformer

由此可知，直擊雷單相進(jìn)波從配電變壓器高壓側(cè)侵入的情況下，低壓并聯(lián)電容器采用△接線對(duì)于配電變壓器的防雷性能影響較小，而采用Y 接線可以較好地提升其防雷性能，具有較好的雷電防護(hù)效果。因此，低壓并聯(lián)電容器接線宜采取Y 接線，以提升配電變壓器的防雷性能，降低直擊雷引發(fā)低壓側(cè)繞組絕緣損壞事故的概率。

3.2 感應(yīng)雷過(guò)電壓分析

假設(shè)雷電流幅值為30 kA，落雷點(diǎn)與線路之間距離為65 m，桿塔高度為10 m，感應(yīng)雷波形為2.6/50 μs標(biāo)準(zhǔn)雷電波形，從高壓側(cè)三相進(jìn)波，在低壓并聯(lián)電容器采取不同接線方式的情況下，不同聯(lián)結(jié)組別的配電變壓器低壓繞組過(guò)電壓波形見(jiàn)圖6、圖7。

由圖6、圖7 可知，感應(yīng)雷過(guò)電壓由高壓側(cè)三相同時(shí)進(jìn)波的情況下，未在配電變壓器低壓側(cè)安裝并聯(lián)電容器時(shí)，其過(guò)電壓同樣具有較高峰值且波形劇烈震蕩；低壓側(cè)安裝△接線并聯(lián)電容器時(shí)，過(guò)電壓波形較未安裝并聯(lián)電容器的情況相比沒(méi)有發(fā)生變化，這是由于感應(yīng)雷三相同時(shí)進(jìn)波，且兩種配電變壓器低壓側(cè)均采取有效接地的Y 接線方式，三相繞組中波過(guò)程始終與單相繞組相同，因此電容器兩側(cè)電位始終相等，故該情況下電容器采取△接線對(duì)過(guò)電壓波形無(wú)影響；低壓側(cè)安裝Y 接線并聯(lián)電容器則同樣能夠使過(guò)電壓峰值大幅降低，下降比率分別為80.89%和88.51%，同時(shí)可以消除波形震蕩并降低過(guò)電壓波形的陡度。

圖6 Dyn-11型配電變壓器低壓繞組過(guò)電壓波形Fig.6 Over-voltage waveform of low voltage winding of Dyn-11 type distribution transformer

圖7 Yyn-0型配電變壓器低壓繞組過(guò)電壓波形Fig.7 Over-voltage waveform of low voltage winding of Yyn-0 type distribution transformer

由此可知，兩種低壓并聯(lián)電容器接線方式對(duì)配電變壓器防雷性能的影響存在較大差異，△接線方式對(duì)配電變壓器的防雷性能影響較小，而Y 接線方式則可以較好地提高其防雷性能。配電變壓器作為配電網(wǎng)核心設(shè)備，應(yīng)盡可能采取措施提高其防雷性能，尤其在僅高壓側(cè)裝設(shè)避雷器的情況下，低壓并聯(lián)電容器更應(yīng)采取Y 接線方式，以提高配電變壓器防雷性能，降低因雷擊引發(fā)配電變壓器故障的概率。

3.3 電容量取值變化對(duì)防雷性能的影響分析

為簡(jiǎn)化計(jì)算，上文仿真計(jì)算所選取的電容量均為補(bǔ)償電容取值范圍的中值，而在實(shí)際工程中電容量取值按負(fù)載的無(wú)功補(bǔ)償需求變化。為分析電容量取值變化對(duì)低壓并聯(lián)電容器采取Y 接線的配電變壓器防雷性能的影響，將電容量取值范圍按等差分為10 個(gè)取值點(diǎn)，將其遞增排序作為電容量的取值數(shù)列。對(duì)不同電容量取值情況下，該變壓器模型低壓側(cè)過(guò)電壓進(jìn)行遍歷仿真，其峰值變化見(jiàn)圖8、圖9。

圖8 Dyn-11型配電變壓器低壓繞組過(guò)電壓峰值Fig.8 Peak of over-voltage of low voltage winding of Dyn-11 distribution transformer

圖9 Yyn-0型配電變壓器低壓繞組過(guò)電壓峰值Fig.9 Peak of over-voltage of low voltage winding of Yyn-0 distribution transformer

由圖8、圖9 可知，配電變壓器低壓繞組過(guò)電壓峰值均隨電容量取值的增加而減小，二者呈負(fù)相關(guān)，且變化趨勢(shì)及幅度均大致相同，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步計(jì)算可知，其過(guò)電壓峰值的變化率均不超過(guò)1%，變化幅度較小。這是由于該電容量取值范圍是按電壓允許波動(dòng)范圍計(jì)算求得，而配電變壓器高壓側(cè)遭受雷擊時(shí)在低壓側(cè)繞組上產(chǎn)生的傳遞過(guò)電壓遠(yuǎn)高于其正常額定電壓，因此其取值差異難以對(duì)過(guò)電壓峰值造成影響。由此可知，電容量取值因無(wú)功補(bǔ)償需求變化而改變時(shí)，其對(duì)低壓并聯(lián)電容器采取Y 接線的配電變壓器防雷性能基本無(wú)影響。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用ATP-EMTP 電磁暫態(tài)仿真軟件，建立了接有低壓補(bǔ)償電容的配電變壓器雷擊寬頻等效模型，并對(duì)其防雷性能進(jìn)行仿真分析對(duì)比。最終得出結(jié)論，低壓并聯(lián)電容器的接線方式對(duì)配電變壓器防雷性能具有較大影響，其中Y 接線方式可以較好地提高配電變壓器防雷性能。因此，建議裝設(shè)在戶外或雷電活動(dòng)頻發(fā)地域的配電變壓器，其無(wú)功補(bǔ)償應(yīng)盡可能選取Y 接線的低壓并聯(lián)電容器，以提高其防雷性能，降低雷擊引發(fā)設(shè)備絕緣損壞的概率。