低壓無功補償接線方式對配電變壓器防雷性能的影響分析

高鴻鵬，咸日常，呂東飛，孫曉維，范慧芳，陳蕾

（1.山東理工大學電氣與電子工程學院，山東 淄博 255000；2.國網(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，承擔著電能傳輸分配的重要職能，其安全、穩(wěn)定運行對于電網(wǎng)供電可靠性具有重要意義[1-2]。在實際運行中，由于我國配電網(wǎng)覆蓋面積廣，配電設備總體絕緣配置低于線路絕緣水平，且出于經(jīng)濟因素考慮，所采取的雷電防護措施相比輸變電設備較為簡易，易受雷擊過電壓的侵害，由雷擊過電壓造成的跳閘和設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，導致低壓側(cè)繞組得不到有效防護，在實際運行中因雷擊造成的低壓側(cè)繞組絕緣損壞事故時有發(fā)生[4-6]。而針對降低線損、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)電容器進行無功補償。

目前，國內(nèi)外學者對并聯(lián)無功補償裝置的研究主要集中在其構造、布置和運行維護優(yōu)化上。文獻[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[8-9]研究了可供快拆快裝的無功補償裝置，提出了自適應調(diào)整控制策略；文獻[10]提出了一種新型電容器布置和控制方式，減小因無功流動引起的損耗；文獻[11]則主要針對運行維護措施進行研究，提出了改進建議。綜上可知，目前鮮有學者從雷電防護的角度研究無功補償電容對配電設備性能的影響，且尚未分析低壓并聯(lián)電容器接線方式對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配電變壓器防雷性能的影響進行了對比分析，研究結(jié)果對配電變壓器雷電防護設計具有實際工程價值。

1 接有補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，外部測量法建模主要用于大型電力變壓器，電路建模法計算量過大，上述模型均不適用于配電變壓器雷擊過電壓分析。因此，本文建立了以理想變壓器模型為基礎，同時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)國標GB 50227—2017《并聯(lián)電容器裝置設計規(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)接有補償電容的配電變壓器雷擊寬頻等效模型見圖1、圖2。

圖1 低壓側(cè)接有補償電容的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)構參數(shù)等效計算求得。圖中，1 為高壓繞組對外殼等效電容，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 表示勵磁電阻和勵磁電感，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)為首末端對稱分布，取值為計算值的一半。

2 補償電容值計算

在配電變壓器低壓側(cè)安裝并聯(lián)電容器進行無功補償可以降低其運行損耗、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載的無功需求。配電變壓器在額定狀況下運行時，其自身無功損耗主要為主磁通勵磁[17-20]電流產(chǎn)生的無功損耗和負載電流在繞組電抗上產(chǎn)生的無功損耗，因此配電變壓器運行時的無功損耗為

式中：KT為負載波動損耗系數(shù)；β2為平均負載系數(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)，計算最小補償時的電容量取值，配電變壓器的性能參數(shù)見表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）可以求得變壓器運行時無功損耗，再通過式（2）即可求得無功補償所需電容值為

根據(jù)國標《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 時允許的電壓波動范圍為±7%，可以求得Dyn-11 型配電變壓器低壓側(cè)三相補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 配電變壓器雷電過電壓仿真分析

3.1 直擊雷過電壓分析

為對比分析低壓并聯(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，對其防雷性能差異進行仿真分析。

根據(jù)GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》，該類型配電變壓器接地電阻不應大于4 Ω，依此取接地電阻值為4 Ω。鑒于在高壓側(cè)裝設的YH5W17/45 型避雷器，其標稱放電電流為5 kA，因此假設雷電流幅值為5 kA，波形為2.6/50 μs 標準雷電波形，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)繞組首端對配電變壓器外殼過電壓波形見圖3。

圖3 高壓繞組首端對外殼過電壓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，在雷電流幅值為標稱放電電流的情況下，其高壓繞組首端對外殼過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，經(jīng)電容耦合作用會在低壓繞組上產(chǎn)生幅值較高的傳遞過電壓，易導致低壓絕緣損壞。因此，本文著重對配電變壓器低壓側(cè)過電壓情況進行仿真對比分析，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，其低壓繞組上的過電壓波形見圖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)電容器僅降低了過電壓波形的震蕩幅度，對其峰值影響較小，過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電壓峰值，下降比率分別為79.26%和86.79%，同時能夠消除波形震蕩并降低過電壓波形的陡度。

圖4 Dyn-11型配電變壓器低壓繞組過電壓波形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 感應雷過電壓分析

假設雷電流幅值為30 kA，落雷點與線路之間距離為65 m，桿塔高度為10 m，感應雷波形為2.6/50 μs標準雷電波形，從高壓側(cè)三相進波，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電壓波形見圖6、圖7。

由圖6、圖7 可知，感應雷過電壓由高壓側(cè)三相同時進波的情況下，未在配電變壓器低壓側(cè)安裝并聯(lián)電容器時，其過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，過電壓波形較未安裝并聯(lián)電容器的情況相比沒有發(fā)生變化，這是由于感應雷三相同時進波，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△接線對過電壓波形無影響；低壓側(cè)安裝Y 接線并聯(lián)電容器則同樣能夠使過電壓峰值大幅降低，下降比率分別為80.89%和88.51%，同時可以消除波形震蕩并降低過電壓波形的陡度。

圖6 Dyn-11型配電變壓器低壓繞組過電壓波形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)電容器接線方式對配電變壓器防雷性能的影響存在較大差異，△接線方式對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)核心設備，應盡可能采取措施提高其防雷性能，尤其在僅高壓側(cè)裝設避雷器的情況下，低壓并聯(lián)電容器更應采取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 電容量取值變化對防雷性能的影響分析

為簡化計算，上文仿真計算所選取的電容量均為補償電容取值范圍的中值，而在實際工程中電容量取值按負載的無功補償需求變化。為分析電容量取值變化對低壓并聯(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 個取值點，將其遞增排序作為電容量的取值數(shù)列。對不同電容量取值情況下，該變壓器模型低壓側(cè)過電壓進行遍歷仿真，其峰值變化見圖8、圖9。

圖8 Dyn-11型配電變壓器低壓繞組過電壓峰值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電壓峰值均隨電容量取值的增加而減小，二者呈負相關，且變化趨勢及幅度均大致相同，經(jīng)過進一步計算可知，其過電壓峰值的變化率均不超過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范圍計算求得，而配電變壓器高壓側(cè)遭受雷擊時在低壓側(cè)繞組上產(chǎn)生的傳遞過電壓遠高于其正常額定電壓，因此其取值差異難以對過電壓峰值造成影響。由此可知，電容量取值因無功補償需求變化而改變時，其對低壓并聯(lián)電容器采取Y 接線的配電變壓器防雷性能基本無影響。

4 結(jié)語

本文采用ATP-EMTP 電磁暫態(tài)仿真軟件，建立了接有低壓補償電容的配電變壓器雷擊寬頻等效模型，并對其防雷性能進行仿真分析對比。最終得出結(jié)論，低壓并聯(lián)電容器的接線方式對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，建議裝設在戶外或雷電活動頻發(fā)地域的配電變壓器，其無功補償應盡可能選取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)設備絕緣損壞的概率。