配電變壓器雷擊寬頻等效模型建立方法

摘 要：目前配電變壓器仿真建模及雷電防護(hù)措施研究均基于 Yyn?0 型配電變壓器，未考慮工程中大量應(yīng)用的 Dyn?11型配電變壓器與其在雷電耐受能力上的差異。針對 Dyn?11 型配電變壓器雷電耐受能力研究缺失問題，基于兩臺(tái)不同接線組別的 S13?315/10 真型配電變壓器的結(jié)構(gòu)及標(biāo)稱參數(shù)，采用 ATP?EMTP 建立寬頻等效模型，分析雷電防護(hù)措施相同的情況下及接地電阻改變時(shí)，接線組別的不同對配電變壓器雷電耐受性能的影響。研究結(jié)果表明，在相同雷電防護(hù)措施下，Dyn?11型配電變壓器高壓繞組承受的過電壓均低于 Yyn?0 型，Dyn?11 型配電變壓器雷電耐受能力優(yōu)于 Yyn?0 型，且 Yyn?0 型配電變壓器承受的感應(yīng)雷過電壓對于接地電阻的阻值變化更為敏感。

0 引 言

配電變壓器直接與電力用戶相連，承載電能的傳輸和分配，分布廣泛，數(shù)量眾多，其安全運(yùn)行與配電網(wǎng)的電可靠性息息相關(guān)。在實(shí)際運(yùn)行過程中，配電線路因暴露于戶外而容易遭受雷電沖擊，且由于配電設(shè)備總體絕緣配置水平低于其線路絕緣水平，因此配電變壓器時(shí)因雷擊而導(dǎo)致絕緣損壞。

出于經(jīng)濟(jì)因素考慮，我國多數(shù)地區(qū)配電變壓器的雷電防護(hù)僅在高壓側(cè)安裝避雷器，達(dá)不到預(yù)期防護(hù)效果。而部分地區(qū)雖在低壓側(cè)也加裝了避雷器，但由于設(shè)備選型不當(dāng)、接地不良等因素影響，仍會(huì)導(dǎo)致雷擊過電壓超過規(guī)程要求的設(shè)備耐受電壓限值，嚴(yán)重影響設(shè)備安全和配電網(wǎng)的可靠運(yùn)行[1?4]。

配電變壓器雷電防護(hù)一直是業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點(diǎn)，目前國內(nèi)外學(xué)者針對配電變壓器雷擊模型的建立及雷電耐受能力的影響因素進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[5]采用高頻變壓器模型，利用區(qū)間組合統(tǒng)計(jì)法對配電變壓器雷害絕緣故障概率進(jìn)行計(jì)算，并對防護(hù)措施的性能進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[6]考慮雷電波瞬時(shí)作用于繞組首端時(shí)電感的阻流作用，將配電變壓器等效為入口電容，結(jié)合線路模型對其雷擊過電壓進(jìn)行了仿真分析；文獻(xiàn)[7]采用基于頻率響應(yīng)分析結(jié)果的矢量擬合方法構(gòu)建了配電變壓器的黑盒模型，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的有效性；文獻(xiàn)[8]通過散射參數(shù)法測量實(shí)際變壓器參數(shù)，由黑盒法經(jīng)電路擬合建立了適用于雷擊的配電變壓器寬頻等效模型，并通過粒子群和模擬退火算法對模型參數(shù)進(jìn)行化；文獻(xiàn)[9?10]則基于配電變壓器銘牌參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算電磁耦合與電容耦合等效參數(shù)，以理想變壓器模型為基礎(chǔ)構(gòu)建了相應(yīng)的配電變壓器雷擊寬頻等效模型。

上述研究基于不同的模型構(gòu)建方法，針對配電變壓器高壓側(cè)安裝避雷器的防護(hù)效果及接地電阻對配電變壓器雷電耐受能力的影響進(jìn)行了詳盡的分析，但其中模型的建立均基于 Yyn ?0 型接線組別的配電變壓器，并未對實(shí)際工程應(yīng)用中日益增多的 Dyn?11 型接線組別的配電變壓器進(jìn)行研究，且未對兩者雷電耐受力的差異進(jìn)行對比分析。

為探究不同的接線組別對配電變壓器雷電耐受能力的影響，本文基于 ATP?EMTP 電磁暫態(tài)仿真軟件建立了 Yyn?0和 Dyn?11型配電變壓器雷擊寬頻等效模型，并通過仿真計(jì)算對其在不同雷電流幅值下的雷擊過電壓進(jìn)行對比分析，研究結(jié)論用于配電變壓器的選型及防護(hù)措施的實(shí)施，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 寬頻等效模型建立

配電變壓器的傳統(tǒng)工頻等效模型主要考慮電磁耦合，而雷擊過電壓的頻率范圍通常在0 Hz~1MHz之間，除在低頻段僅需考慮電磁耦合外，較高頻段還需考慮電容耦合的作用，因此構(gòu)建適用于雷擊過電壓分析的寬頻等效模型有利于提升分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。為對比研究兩種不同接線組別配電變壓器雷電過電壓的響應(yīng)與差異，本文在已有的Yyn?0型配電變壓器雷擊寬頻等效模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了Dyn?11型配電變壓器雷擊寬頻等效模型[11?13]，Dyn?11和Yyn?0型配電變壓器雷擊寬頻等效模型示意圖分別如圖 1和圖 2所示。

圖1、圖2所示模型中，在結(jié)合理想變壓器模型的基礎(chǔ)上，電磁耦合可等效為電阻與電感；而由于配電變壓器一般采用層式繞組，且變壓器鐵心與外殼均需良好接地，線圈匝間與層間、高壓側(cè)繞組對外殼和低壓側(cè)繞組對鐵心均存在電位差，可根據(jù)能量等效與平行板電容器原理等效為電容。因此，圖中9、10為勵(lì)磁等效電阻及電感，2、3、5、6為繞組電阻及漏電感，8為層間與匝間等效電容之和，1 和 7 分別為兩側(cè)繞組對外殼及鐵心等效電容，12為相間電容，4為繞組間的等效電容。

由于Dyn ?11型配電變壓器的高壓側(cè)繞組為△接線，其三相繞組末端不相連，故將其相間電容等效為首末端對稱分布，取值為計(jì)算值的一半，且由于Yyn?0型配電變壓器高壓側(cè)中性點(diǎn)不接地，即二者高壓側(cè)繞組均無接地點(diǎn)，故將高壓側(cè)繞組對外殼電容等效為首末端對稱電容，取值也為計(jì)算值的一半。

為對兩種不同接線組別的配電變壓器雷電耐受能力進(jìn)行有效對比，本文選取了兩臺(tái)接線組別不同的S13?315/10真型配電變壓器來搭建雷擊寬頻等效模型，其對應(yīng)技術(shù)參數(shù)見表 1。

傳統(tǒng)配電變壓器模型中勵(lì)磁阻抗和漏磁阻抗的計(jì)算公式如下：

式中：Rk為配電變壓器兩側(cè)的總等效電阻值，單位為Ω，可以通過兩側(cè)變比關(guān)系求得相應(yīng)的電阻值；ΔPk為短路損耗；SN為額定容量；UN為額定電壓；Xk為兩側(cè)總漏電抗，單位為Ω，兩側(cè)電抗值求法與電阻值相同；Uk% 為短路阻抗百分比；Rm為勵(lì)磁電阻，單位為Ω；ΔP0為空載損耗；I0為空載電流；Xm 為勵(lì)磁電抗，單位為Ω；Zm為勵(lì)磁阻抗。

在求得模型參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用ATP?EMTP電磁暫態(tài)仿真軟件搭建配電變壓器雷擊寬頻等效模型。為驗(yàn)證所建模型的有效性，在高壓側(cè)接入工頻額定電壓，得到低壓側(cè)電壓波形如圖3所示，此波形可驗(yàn)證所搭建模型在考慮雷擊響應(yīng)之外仍具有工頻有效性。

2 相同雷電防護(hù)措施下的雷擊分析

2.1 直擊雷過電壓仿真分析

為分析對比在相同雷電防護(hù)措施下，接線組別不同導(dǎo)致的配電變壓器雷電耐受能力差異，配電變壓器的高壓側(cè)均采用型號(hào)相同的避雷器，且接地電阻取值相同。其中避雷器采用型號(hào)為YH5W ?17/45的復(fù)合外套無間隙金屬氧化物避雷器，標(biāo)稱放電電流為5 kA，避雷器額定電壓為17kV，避雷器本體標(biāo)稱放電電流下的殘壓為45kV。

根據(jù)文獻(xiàn)[14]，采用 IEEE 推薦計(jì)算公式求得的首次雷擊電流幅值與實(shí)際統(tǒng)計(jì)結(jié)果更相近，則首次雷擊電流幅值超過Im的概率可按如下經(jīng)驗(yàn)公式求得：

根據(jù)IEEE推薦取值，令a=31，b=2.6，根據(jù)式（5）對首次雷擊電流幅值超過5kA，10kA，20kA，30 kA的概率進(jìn)行計(jì)算，得到各雷電流幅值對應(yīng)的概率如表2所示。

由表2可知，隨著首次雷擊電流幅值的增加，其對應(yīng)的概率則大幅降低，首次雷擊電流幅值超過30kA的概率僅為52.13%，遠(yuǎn)低于首次雷擊電流幅值超過 10 kA的概率，且該幅值已大幅超過避雷器標(biāo)稱放電電流。因此，本文重點(diǎn)對表中所示雷電流幅值參數(shù)進(jìn)行直擊雷仿真計(jì)算，對雷擊電流幅值更高的情況不予考慮。

假設(shè)雷電流幅值分別為5kA，10kA，20 kA，30 kA，波長為2.6/50 μs標(biāo)準(zhǔn)波形，雷電波從配電變壓器高壓側(cè)A相進(jìn)波，得到的A相雷擊過電壓如圖4、圖5所示。

由圖4、圖 5可知，首次雷擊電流幅值達(dá)到20kA 及、以上時(shí)，配電變壓器高壓側(cè)承受的直擊雷過電壓均超過了GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的75kV 額定雷電耐受電壓，且根據(jù)表 2 可知，首次雷擊電流達(dá)到該幅值的概率較高，為75.16%；Yyn?0型配電變壓器高壓側(cè)承受的直接雷過電壓峰值均高于Dyn?11型配電變壓器，經(jīng)計(jì)算，不同雷電流幅值下峰值差分別為1.14 kV，2.34 kV，21.27kV，23.85kV，與雷電流幅值呈正相關(guān)。這是由于Yyn?0型配電變壓器高壓側(cè)中性點(diǎn)不接地，避雷器動(dòng)作時(shí)，雷電流經(jīng)接地電阻入地產(chǎn)生的逆變換過電壓加劇了繞組上的過電壓升高，而Dyn?11型配電變壓器高壓側(cè)為△接線，不存在相應(yīng)情況。

由此可知，配電變壓器總體對于直擊雷耐受能力較弱，需采取措施避免雷電直擊，且 Dyn?11 型配電變壓器對直擊雷耐受能力明顯優(yōu)于Yyn?0型配電變壓器。因此，在雷電活動(dòng)比較頻繁的區(qū)域，采用Dyn?11型配電變壓器取代Yyn?0型配電變壓器對于降低雷擊引發(fā)事故的概率、減少雷擊造成的損失具有實(shí)際工程價(jià)值。

2.2 感應(yīng)雷過電壓仿真分析

假設(shè)雷擊點(diǎn)距離線路的距離為 s，且 s取值超過 65 m時(shí)，按照規(guī)程導(dǎo)線上的感應(yīng)雷過電壓（單位：kV）的幅值可以按照下式計(jì)算[15]：

根據(jù)初步計(jì)算，當(dāng)雷電流幅值小于 20 kA 時(shí)，線路上感應(yīng)過電壓幅值不超過 75 kV，該值已小于該電壓等級配電變壓器的額定雷電沖擊耐受電壓，因此不對雷電流幅值小于 20 kA 的情況進(jìn)一步分析計(jì)算。

通過式（5）計(jì)算出雷電流幅值超過 20 kA，30 kA，40 kA 的概率，并通過式（6）計(jì)算出相應(yīng)的感應(yīng)過電壓幅值，如表 3所示。

采用表 3 中所示幅值的感應(yīng)雷過電壓三相進(jìn)波從高壓側(cè)侵入，仿真得到配電變壓器高壓側(cè)感應(yīng)雷過電壓波形如圖 6、圖 7所示。

由圖 6、圖 7 可知，配電變壓器高壓側(cè)承受的感應(yīng)雷過電壓幅值均不超過 75 kV，但 Yyn?0 型配電變壓器高壓側(cè)承受的感應(yīng)雷過電壓幅值均高于Dyn?11型配電變壓器，經(jīng)計(jì)算，其峰值差分別為 3.01 kV，1.86 kV，1.55 kV，較直擊雷過電壓差異較小，且與感應(yīng)雷幅值呈負(fù)相關(guān)。這是由于感應(yīng)雷相較直擊雷，其侵入配電變壓器的雷電流較小，因此相應(yīng)產(chǎn)生的逆變換過電壓幅值也較低，且三相同時(shí)進(jìn)波的情況下，三相繞組過電壓對稱分布，受繞組接線組別影響較小。由此可知，接線組別差異對配電變壓器感應(yīng)雷耐受能力影響較小。

3 不同接地電阻情況下的雷擊分析

3.1 不同接地電阻情況下的直擊雷過電壓分析

接地電阻是影響配電變壓器雷擊過電壓水平的重要參數(shù)，其數(shù)值變化與雷擊過電壓幅值直接相關(guān)。按照GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》中要求，該類型配電變壓器接地電阻要求在4 Ω以內(nèi)，為進(jìn)一步分析接地電阻取值改變時(shí)，兩種不同接線組別配電變壓器雷電耐受能力的差異，在已有的模型基礎(chǔ)上改變接地電阻取值，進(jìn)行雷擊仿真計(jì)算。

假設(shè)雷電流幅值為10 kA，波形為2.6/50 μs 標(biāo)準(zhǔn)波形的雷電波從 A 相進(jìn)波，侵入配電變壓器高壓側(cè)時(shí)，不同接地電阻取值情況下兩種不同接線組別配電變壓器高壓側(cè)的直擊雷過電壓波形如圖 8、圖 9所示。

由圖8、圖9可知，當(dāng)接地電阻阻值發(fā)生變化時(shí)，配電變壓器高壓側(cè)承受的直擊雷過電壓峰值均發(fā)生較大幅度的改變，且當(dāng)接地電阻為4Ω時(shí)，兩種接線配電變壓器直擊雷過電壓均已超過額定耐受電壓值。經(jīng)計(jì)算，其變化率分別為34.67%與34.09%，相差不超過 1%，即可近似認(rèn)為不同接線組別的配電變壓器直擊雷耐受能力受接地電阻變化影響的程度基本相同。

由此可知，雖然接電電阻的變化會(huì)造成配電變壓器直擊雷耐受能力差異，但是連接組別的不同不會(huì)對其產(chǎn)生較大影響。同時(shí)，接地電阻增加將導(dǎo)致直擊雷過電壓大幅升高，為了能夠提升配電變壓器的直擊雷耐受能力，應(yīng)盡量降低接地電阻值。

3.2 不同接地電阻情況下的感應(yīng)雷過電壓分析

假設(shè)幅值為115 kV，2.6/50 μs標(biāo)準(zhǔn)波形的感應(yīng)雷三相進(jìn)波，從高壓側(cè)侵入配電變壓器時(shí)，不同接地電阻取值情況下配電變壓器高壓側(cè)承受的感應(yīng)雷過電壓波形如圖10、圖 11所示。

由圖10及圖11可知，當(dāng)接地電阻阻值發(fā)生變化時(shí)，Dyn?11型配電變壓器高壓側(cè)承受的感應(yīng)過電壓變化幅度相對較小，而Yyn?0型配電變壓器則較為顯著。經(jīng)過計(jì)算，Dyn?11 型配電變壓器高壓側(cè)承受的感應(yīng)過電壓幅 值 變 化 率 為 4.69%，而Yyn?0型配電變壓 器則為11.78%，可見Yyn?0型配電變壓器高壓側(cè)承受的感應(yīng)雷過電壓對于接地電阻阻值變化更為敏感。因此，在一些土壤電阻率較高、接地電阻難以降低且雷電活動(dòng)較為頻繁的地區(qū)，更適合采用Dyn?11型配電變壓器，以降低感應(yīng)雷引發(fā)事故的概率。

4 結(jié) 論

以上研究結(jié)果表明：

1）在雷電防護(hù)措施及接地電阻均相同的情況下，Dyn?11型配電變壓器的直擊雷耐受能力明顯優(yōu)于 Yyn?0型，建議在雷電活動(dòng)較為頻繁的地區(qū)，盡量裝設(shè) Dyn?11型配電變壓器，以降低雷擊造成的停電事故概率。

2）相比感應(yīng)雷過電壓，較小雷電流幅值所引起的直擊雷過電壓即可超過配電變壓器雷電沖擊耐受電壓限值，且首次雷擊大于該雷電流幅值的概率較高，故應(yīng)引起高度重視，采取相應(yīng)措施避免配電變壓器遭受直擊雷。

3）接地電阻對于配電變壓器雷電防護(hù)性能影響很大，山區(qū)或高土壤電阻率地區(qū)更應(yīng)采取相應(yīng)措施，確保接地電阻值在規(guī)程規(guī)定的 4 Ω 以下。

4）Yyn?0 接線與 Dyn?11 接線配電變壓器相比，其感應(yīng)雷過電壓幅值對于接地電阻值變化更為敏感，在接地阻難以降低地區(qū)，優(yōu)先選用 Dyn?11 接線配電變壓器替代 Yyn?0 接線配電變壓器，以降低感應(yīng)過電壓引發(fā)事故的概率。

審核編輯：湯梓紅