配電變壓器低壓側(cè)負載雷電浪涌防護研究

楊劍鋒，牛育忠，呂安璞，陳 彪，肖 揚

（1.國網(wǎng)寧夏電力公司固原供電公司，寧夏固原756000；2.國家電網(wǎng)山東電力設(shè)備有限公司，濟南250002）

0 引言

低壓配電系統(tǒng)中存在著大量絕緣耐壓水平較低的電氣電子設(shè)備，一旦配電線路遭受雷擊，雷電浪涌沿線路侵入配電系統(tǒng)終端，十分容易導致設(shè)備的損壞甚至燒毀[1-2]。為了保護配電變壓器，一般會在變壓器高低壓側(cè)安裝避雷器和SPD[3]。但是低壓側(cè)SPD與終端負載設(shè)備間通過電纜連接，仍存在一定距離，經(jīng)過SPD限制后的過電壓波在電纜中傳播時可能由于阻抗不匹配產(chǎn)生振蕩導致負載過電壓超過其耐壓水平[4]，因此有必要對配電變壓器低壓側(cè)負載雷電浪涌防護進行詳細研究。

目前關(guān)于SPD有效保護距離的相關(guān)研究已經(jīng)較為成熟，包括試驗手段[4-5]和軟件仿真[6]等方式。研究也表明[4-6]，被保護設(shè)備負載性質(zhì)的不同會影響SPD的保護效果，進而影響SPD的有效保護距離。但是，相關(guān)研究結(jié)果都是基于組合波或8/20 μs脈沖電流波形直接沖擊，實際線路雷電過電壓觀測數(shù)據(jù)[7]表明：線路雷電過電壓一般呈衰減振蕩波形，與試驗或仿真采用的波形存在較大差異，且未考慮配電系統(tǒng)中變壓器、桿塔等因素影響，因此需要研究真實配電系統(tǒng)中雷電浪涌作用下SPD的有效防護距離。此外，目前研究多僅針對純阻性、感性或是容性負載，缺乏對R-C并聯(lián)負載和R-L串聯(lián)負載等情況的全面分析。

筆者利用PSCAD軟件[8]搭建配電系統(tǒng)模型，采用高頻變壓器模型與IEEE氧化鋅壓敏電阻模型，分析變壓器低壓側(cè)負載性質(zhì)對負載端過電壓的影響，討論不同負載下變壓器低壓側(cè)SPD對應(yīng)的有效保護距離。

1 配電線路及變壓器模型

1.1 雷電流模型

線路雷擊電流波形采用Heidler函數(shù)模型[9]表示，具體表達式如下：

式中：Ip為電流峰值；τ1和τ2分別為波頭時間和波尾時間常數(shù)；n為電流陡度因子，取10。雷電流波形取2.6/50 μs[10]，幅值10 kA，對應(yīng)的雷電通道等值波阻抗[10]取2 000 Ω。

1.2 配電線路模型

圖2給出了一個10 kV配電系統(tǒng)模型，包括10 kV架空線路，10 kV/220 V配電變壓器，220 V架空線路，220 V電纜和終端負載。變壓器高壓側(cè)安裝金屬氧化物避雷器，低壓側(cè)安裝SPD[11]。仿真中考慮雷擊10 kV線路，變壓器低壓側(cè)形成雷電浪涌情況。雷擊點距變壓器高壓側(cè)100 m，變壓器低壓側(cè)220 V架空線路長25 m。

圖1 10 kV配電系統(tǒng)模型Fig.1 Model of 10 kV power distribution system

10 kV線路型號為LGJ-120鋼芯鋁絞線，采用Jmarti模型反映線路參數(shù)頻變特性。10 kV線路一般桿塔高度較低，桿塔采用集中電感模型，桿塔頂相高度為13m。220V線路型號為LGJ-50鋼芯鋁絞線。10 kV線路絕緣子采用P-15T型針式絕緣子[12]，50%沖擊擊穿電壓118 kV。

220 V電纜電氣參數(shù)[13]通過下式計算：

式中：a為電纜芯線半徑；l為電纜長度，ρ為電纜電阻率。電纜標稱截面2.5mm2，電阻率1.72×10-8Ω.m，相對介電常數(shù)4.5，相對磁導率1。

1.3 變壓器模型

配電變壓器含有繞組和鐵心等元件，電氣參數(shù)和勵磁特性受雷電流波形影響較大。目前較為常用的變壓器模型是π型模型。但相關(guān)研究[14]表明π型模型面對雷電浪涌沖擊時仿真精度不夠，無法全面反映高頻特性。因此本文仿真中采用Janiszewski等人[15]提出的高頻變壓器模型，其與試驗結(jié)果較為吻合。圖2給出了高頻變壓器模型等效電路圖。

圖2 配電變壓器模型Fig.2 Model of distribution transformer

1.4 避雷器模型

避雷器和SPD核心部件都是氧化鋅壓敏電阻，IEEE壓敏電阻模型[16]適用波頭時間范圍較寬，試驗結(jié)果[17]表明其模型精確度高于傳統(tǒng)的非線性電阻模型和非線性電感模型，因此仿真中選用IEEE模型。圖3給出了IEEE模型壓敏電阻等值電路圖。

圖3 IEEE壓敏電阻模型Fig.3 IEEE varistor model

仿真中，變壓器高壓側(cè)安裝YH5w-17/50型避雷器[18]，額定電壓有效值17 kV，直流參考電壓U1mA不小于25kV，5kA雷電沖擊電流下殘壓不大于50kV。低壓側(cè)SPD直流參考電壓U1mA取800 V，10 kA雷電流沖擊下殘壓為1 045 V。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 負載過電壓

圖4給出了變壓器低壓側(cè)為阻性負載、感性負載、容性負載情況下負載端過電壓波形。

圖4 不同負載下過電壓波形Fig.4 Overvoltage waveform under different loads

由圖4可以看出，三種負載情況下，過電壓波形都存在較為強烈的振蕩，這是由于雷電波在配電線路及電纜中傳播時，能量在負載和電流源之間來回折反射。同時阻性負載能量消耗較快，電壓波形衰減振蕩持續(xù)時間較短，感性負載和容性負載電壓波形振蕩持續(xù)時間較長。

2.2 有效保護距離

圖5給出了純阻性、感性、容性負載下過電壓幅值隨變壓器低壓側(cè)SPD與負載間連接電纜長度變化情況。

圖5 不同負載下過電壓隨電纜長度變化Fig.5 Variation of overvoltage with cable length under different loads

負載阻抗與電纜波阻抗不匹配導致過電壓波在電纜兩端產(chǎn)生的折反射，由圖5（a）可以看出，當阻性負載幅值小于電纜波阻抗（82.4 Ω）時，負載端過電壓隨著電纜長度的增加而降低，這是由于此時的負載端電壓要小于源端電壓，且電纜越長，衰減損耗越大；當阻性負載幅值與電纜波阻抗較為接近時，過電壓波的折反射程度較小，電纜長度對過電壓的影響也較??；當阻性負載幅值繼續(xù)增大時，負載端過電壓隨著電纜長度的增加而增大，這是由于此時的負載端電壓要高于源端電壓，且電纜越長，過電壓波的折反射越劇烈。

由圖5（b）可以看出，感性負載幅值較小時，隨著電纜長度的增加，整個回路中的阻性成分更大，主要考慮電纜的傳輸線效應(yīng)，負載端電壓衰減很快，因此過電壓隨之降低；當感性負載幅值進一步增大時，不能忽略負載阻抗與電纜阻抗諧振[19]引起了負載端電壓的升高，過電壓隨著電纜長度的增加呈現(xiàn)出先增大后降低的變化趨勢。

由圖5（c）可以看出，當容性負載幅值較小時（≤10 μF），主要考慮負載阻抗與電纜阻抗之間的諧振影響，容性負載端過電壓隨著電纜長度的增加而增大。

不同的設(shè)備對應(yīng)的沖擊電壓耐受值不同，IEC規(guī)范[20]將SPD的電壓保護水平分為四類，I類對應(yīng)的最大持續(xù)工作電壓253 V，電壓保護水平1 200 V，II類對應(yīng)的最大持續(xù)工作電壓345 V，電壓保護水平1 500 V。表1給出了I類和II類保護水平下三種負載的有效保護距離。

表1 不同負載下SPD有效保護距離Table 1 Effective protection distance ofSPD for different types of loads

通過表1可知，I類保護水平SPD對應(yīng)的有效保護距離普遍小于II類，阻性負載和感性負載在幅值不高時，變壓器低壓側(cè)SPD能滿足負載的過電壓防護要求。容性負載的情況則較為嚴苛，SPD有效保護距離都小于10 m。但無論是阻性、感性或是容性負載，SPD有效保護距離都隨著負載幅值的增大而減小。

實際生活中，純阻性、感性或是容性負載的電氣、電子設(shè)備較為少見，更多的是R-L串聯(lián)負載和R-C并聯(lián)負載等復(fù)合負載類型。圖6給出了R-L串聯(lián)負載和R-C并聯(lián)負載過電壓隨電纜長度變化。表2給出了I類和II類保護水平下R-L串聯(lián)負載與R-C并聯(lián)負載的有效保護距離。

由圖6和表2可以看出，R-L串聯(lián)負載的有效保護距離主要取決于串聯(lián)電阻值，當串聯(lián)電阻值小于或接近于電纜波阻抗時，SPD保護距離沒有限制，如果串聯(lián)電阻相較于電纜波阻抗很大，則I類SPD有效保護距離小于9 m，II類SPD小于22 m。

圖6 R-L串聯(lián)和R-C并聯(lián)負載過電壓隨電纜長度變化Fig.6 Variation of overvoltage with cable length under R-L serial load and R-C parallel load

表2 R-L串聯(lián)和R-C并聯(lián)負載下SPD有效保護距離Table 2 Effective protection distance of SPD for R-L serial load and R-C parallel load

當R-C并聯(lián)負載的并聯(lián)電容達到100 nF時，無論其并聯(lián)電阻為多少，I類SPD有效保護距離始終小于1 m；當并聯(lián)電容相對較小且并聯(lián)電阻值接近于電纜波阻抗時，SPD保護距離沒有限制；當并聯(lián)電容相對較小且并聯(lián)電阻值相對較大時，SPD保護距離取決于阻值大小，阻值越大，保護距離越小。

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，R-C并聯(lián)負載性質(zhì)下的I類SPD有效保護距離甚至小于1 m，這對SPD的安裝選用提出了較高的要求。為了更好地保護負載設(shè)備，必須在設(shè)備前安裝末端SPD，末端SPD動作后其阻抗遠小于電纜波阻抗，能夠有效泄放過電壓能量。

3 結(jié)論

利用PSCAD軟件搭建配電系統(tǒng)模型，分析雷擊配電線路時變壓器低壓側(cè)負載浪涌防護效果，得到結(jié)論如下：

1）負載端過電壓波形振蕩明顯，阻性負載電壓波形衰減較快，感性負載和容性負載電壓波形持續(xù)時間較長。

2）阻性負載幅值小于電纜波阻抗時，負載端過電壓隨著電纜長度的增加而降低；負載幅值大于電纜波阻抗時，過電壓隨著電纜長度的增加而增大。感性負載幅值較小時，負載端過電壓隨著電纜長度而降低，當負載幅值繼續(xù)增大時，過電壓隨著電纜長度的增加呈現(xiàn)出先增大后降低的變化趨勢。容性負載端過電壓隨著電纜長度的增加而增大。

3）I類保護水平SPD對應(yīng)的有效保護距離普遍小于II類，無論是阻性、感性或是容性負載，SPD有效保護距離都隨著負載幅值的增大而減小。

4）容性負載對應(yīng)的有效保護距離較小，有必要在設(shè)備前安裝末端SPD才能確保設(shè)備得到有效防護。

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