低压无功补偿接线方式对配电变压器防雷性能的影响分析

高鸿鹏，咸日常，吕东飞，孙晓维，范慧芳，陈蕾

（1.山东理工大学电气与电子工程学院，山东 淄博 255000；2.国网山东省电力公司淄博供电公司，山东 淄博255000；3.山东耐高电力器材有限公司，山东 淄博 255000）

0 引言

配电变压器是配电网的重要组成部分，与电力用户直接相连，承担着电能传输分配的重要职能，其安全、稳定运行对于电网供电可靠性具有重要意义[1-2]。在实际运行中，由于我国配电网覆盖面积广，配电设备总体绝缘配置低于线路绝缘水平，且出于经济因素考虑，所采取的雷电防护措施相比输变电设备较为简易，易受雷击过电压的侵害，由雷击过电压造成的跳闸和设备损坏已成为配电网故障的主要原因[3]。目前，许多地区仅在配电变压器高压侧安装避雷器，导致低压侧绕组得不到有效防护，在实际运行中因雷击造成的低压侧绕组绝缘损坏事故时有发生[4-6]。而针对降低线损、提高电压质量的需要，通常在配电变压器低压侧安装并联电容器进行无功补偿。

目前，国内外学者对并联无功补偿装置的研究主要集中在其构造、布置和运行维护优化上。文献[7]提出了一种紧凑型集合式并联电容器装置，可以减小并联电容器占地面积且方便安装；文献[8-9]研究了可供快拆快装的无功补偿装置，提出了自适应调整控制策略；文献[10]提出了一种新型电容器布置和控制方式，减小因无功流动引起的损耗；文献[11]则主要针对运行维护措施进行研究，提出了改进建议。综上可知，目前鲜有学者从雷电防护的角度研究无功补偿电容对配电设备性能的影响，且尚未分析低压并联电容器接线方式对配电变压器防雷性能的影响。

本文采用ATP-EMTP 电磁暂态仿真软件建立了接有补偿电容的配电变压器雷击宽频等效模型，首次就低压并联电容器接线方式不同对配电变压器防雷性能的影响进行了对比分析，研究结果对配电变压器雷电防护设计具有实际工程价值。

1 接有补偿电容的配电变压器宽频等效模型

变压器具有多种等效模型，除传统工频等效模型外，还有基于外部测量法和电路建模法得到的变压器等效模型等[12-14]。由于雷击过电压频带较宽，传统工频等效模型未考虑高频段电容耦合，外部测量法建模主要用于大型电力变压器，电路建模法计算量过大，上述模型均不适用于配电变压器雷击过电压分析。因此，本文建立了以理想变压器模型为基础，同时考虑电磁耦合及电容耦合的配电变压器雷击宽频等效模型[15-16]。根据国标GB 50227—2017《并联电容器装置设计规范》，低压并联电容器组可以采用△接线或Y 接线，低压侧接有补偿电容的配电变压器雷击宽频等效模型见图1、图2。

图1 低压侧接有补偿电容的Dyn-11型配电变压器电路模型Fig.1 Circuit model of Dyn-11 distribution transformer with compensation capacitor connected at low-voltage side

图2 低压侧接有补偿电容的Yyn-0型配电变压器电路模型Fig.2 Circuit model of Yyn-0 distribution transformer with compensation capacitor connected at low-voltage side

模型中的电感、电容和电阻元件用于表示低频电磁耦合、高频电容耦合及损耗，其参数均可由配电变压器铭牌参数及结构参数等效计算求得。图中，1 为高压绕组对外壳等效电容，2、3 表示高压绕组的电阻和漏电感，4 为高、低压绕组间等效电容，5、6 表示低压绕组的电阻和漏电感，7 为低压绕组对铁心等效电容，8、11 分别为高、低压绕组匝间电容与层间电容之和，9、10 表示励磁电阻和励磁电感，12 为相间等效电容。

其中，由于Yyn-0 型配电变压器高压侧绕组中性点不接地，其高压侧绕组末端与外壳之间存在电位差；Dyn-11 型配电变压器高压侧绕组为△接线，其高压侧绕组末端互不相连，存在电位差，且与外壳之间同样存在电位差。因此，两种配电变压器高压侧对外壳等效电容及Dyn-11 型配电变压器相间电容均呈现为首末端对称分布，取值为计算值的一半。

2 补偿电容值计算

在配电变压器低压侧安装并联电容器进行无功补偿可以降低其运行损耗、提高供电效率并改善电压质量，电容器的取值主要取决于配电变压器的容量及所带负载的无功需求。配电变压器在额定状况下运行时，其自身无功损耗主要为主磁通励磁[17-20]电流产生的无功损耗和负载电流在绕组电抗上产生的无功损耗，因此配电变压器运行时的无功损耗为

式中：KT为负载波动损耗系数；β2为平均负载系数；SN为额定容量，kVA；I0%为空载电流百分比；Uk%为阻抗电压百分比。

选取容量为315 kVA、联结组别分别为Dyn-11与Yyn-0 的配电变压器铭牌参数，计算最小补偿时的电容量取值，配电变压器的性能参数见表1。

表1 配电变压器性能参数Table 1 Performance parameters of distribution transformers

根据表1 所示参数，经由式（1）可以求得变压器运行时无功损耗，再通过式（2）即可求得无功补偿所需电容值为

根据国标《GB/T 12325—2008 电能质量供电电压偏差》规定，额定电压为400 V 时允许的电压波动范围为±7%，可以求得Dyn-11 型配电变压器低压侧三相补偿电容量取值范围为238.211～315.4 μF，单相则为79.4～105.13 μF；Yyn-0 型配电变压器低压侧三相补偿电容量取值范围为253.565～335.652 μF，单相则为78.522～111.884 μF。

3 配电变压器雷电过电压仿真分析

3.1 直击雷过电压分析

为对比分析低压并联电容器接线方式不同所造成的配电变压器防雷性能差异，在ATP-EMTP 中建立采取不同电容器接线方式的配电变压器宽频等效模型，对其防雷性能差异进行仿真分析。

根据GB/T 50065—2011《交流电气装置的接地设计规范》，该类型配电变压器接地电阻不应大于4 Ω，依此取接地电阻值为4 Ω。鉴于在高压侧装设的YH5W17/45 型避雷器，其标称放电电流为5 kA，因此假设雷电流幅值为5 kA，波形为2.6/50 μs 标准雷电波形，雷电波从配电变压器高压侧A 相侵入。未在低压侧安装并联电容器的情况下，高压侧绕组首端对配电变压器外壳过电压波形见图3。

图3 高压绕组首端对外壳过电压Fig.3 Over-voltage of the HV winding head to the shell

由于配电变压器高压侧装有避雷器，在雷电流幅值为标称放电电流的情况下，其高压绕组首端对外壳过电压均低于额定耐受电压值。但幅值较高且波前陡度较大的雷电流投射到高压绕组时，经电容耦合作用会在低压绕组上产生幅值较高的传递过电压，易导致低压绝缘损坏。因此，本文着重对配电变压器低压侧过电压情况进行仿真对比分析，不同联结组别的配电变压器在低压并联电容器不同接线方式下，其低压绕组上的过电压波形见图4、图5。

由图4、图5 可知，配电变压器低压侧在未安装并联电容器的情况下，其过电压波形剧烈震荡且峰值较高，极易引起绝缘击穿；低压侧安装△接线并联电容器仅降低了过电压波形的震荡幅度，对其峰值影响较小，过电压峰值下降比率仅为2.41%和4.48%；低压侧安装Y 接线并联电容器则能够大幅降低过电压峰值，下降比率分别为79.26%和86.79%，同时能够消除波形震荡并降低过电压波形的陡度。

图4 Dyn-11型配电变压器低压绕组过电压波形Fig.4 Over-voltage waveform of low voltage winding of Dyn-11 type distribution transformer

图5 Yyn-0型配电变压器低压绕组过电压波形Fig.5 Over-voltage waveform of low voltage winding of Yyn-0 type distribution transformer

由此可知，直击雷单相进波从配电变压器高压侧侵入的情况下，低压并联电容器采用△接线对于配电变压器的防雷性能影响较小，而采用Y 接线可以较好地提升其防雷性能，具有较好的雷电防护效果。因此，低压并联电容器接线宜采取Y 接线，以提升配电变压器的防雷性能，降低直击雷引发低压侧绕组绝缘损坏事故的概率。

3.2 感应雷过电压分析

假设雷电流幅值为30 kA，落雷点与线路之间距离为65 m，杆塔高度为10 m，感应雷波形为2.6/50 μs标准雷电波形，从高压侧三相进波，在低压并联电容器采取不同接线方式的情况下，不同联结组别的配电变压器低压绕组过电压波形见图6、图7。

由图6、图7 可知，感应雷过电压由高压侧三相同时进波的情况下，未在配电变压器低压侧安装并联电容器时，其过电压同样具有较高峰值且波形剧烈震荡；低压侧安装△接线并联电容器时，过电压波形较未安装并联电容器的情况相比没有发生变化，这是由于感应雷三相同时进波，且两种配电变压器低压侧均采取有效接地的Y 接线方式，三相绕组中波过程始终与单相绕组相同，因此电容器两侧电位始终相等，故该情况下电容器采取△接线对过电压波形无影响；低压侧安装Y 接线并联电容器则同样能够使过电压峰值大幅降低，下降比率分别为80.89%和88.51%，同时可以消除波形震荡并降低过电压波形的陡度。

图6 Dyn-11型配电变压器低压绕组过电压波形Fig.6 Over-voltage waveform of low voltage winding of Dyn-11 type distribution transformer

图7 Yyn-0型配电变压器低压绕组过电压波形Fig.7 Over-voltage waveform of low voltage winding of Yyn-0 type distribution transformer

由此可知，两种低压并联电容器接线方式对配电变压器防雷性能的影响存在较大差异，△接线方式对配电变压器的防雷性能影响较小，而Y 接线方式则可以较好地提高其防雷性能。配电变压器作为配电网核心设备，应尽可能采取措施提高其防雷性能，尤其在仅高压侧装设避雷器的情况下，低压并联电容器更应采取Y 接线方式，以提高配电变压器防雷性能，降低因雷击引发配电变压器故障的概率。

3.3 电容量取值变化对防雷性能的影响分析

为简化计算，上文仿真计算所选取的电容量均为补偿电容取值范围的中值，而在实际工程中电容量取值按负载的无功补偿需求变化。为分析电容量取值变化对低压并联电容器采取Y 接线的配电变压器防雷性能的影响，将电容量取值范围按等差分为10 个取值点，将其递增排序作为电容量的取值数列。对不同电容量取值情况下，该变压器模型低压侧过电压进行遍历仿真，其峰值变化见图8、图9。

图8 Dyn-11型配电变压器低压绕组过电压峰值Fig.8 Peak of over-voltage of low voltage winding of Dyn-11 distribution transformer

图9 Yyn-0型配电变压器低压绕组过电压峰值Fig.9 Peak of over-voltage of low voltage winding of Yyn-0 distribution transformer

由图8、图9 可知，配电变压器低压绕组过电压峰值均随电容量取值的增加而减小，二者呈负相关，且变化趋势及幅度均大致相同，经过进一步计算可知，其过电压峰值的变化率均不超过1%，变化幅度较小。这是由于该电容量取值范围是按电压允许波动范围计算求得，而配电变压器高压侧遭受雷击时在低压侧绕组上产生的传递过电压远高于其正常额定电压，因此其取值差异难以对过电压峰值造成影响。由此可知，电容量取值因无功补偿需求变化而改变时，其对低压并联电容器采取Y 接线的配电变压器防雷性能基本无影响。

4 结语

本文采用ATP-EMTP 电磁暂态仿真软件，建立了接有低压补偿电容的配电变压器雷击宽频等效模型，并对其防雷性能进行仿真分析对比。最终得出结论，低压并联电容器的接线方式对配电变压器防雷性能具有较大影响，其中Y 接线方式可以较好地提高配电变压器防雷性能。因此，建议装设在户外或雷电活动频发地域的配电变压器，其无功补偿应尽可能选取Y 接线的低压并联电容器，以提高其防雷性能，降低雷击引发设备绝缘损坏的概率。