基于雷电耐受能力的配电变压器选型策略

咸日常，高鸿鹏，孙晓维，王在明，张冰倩

(1.山东理工大学电气与电子工程学院，淄博 255000; 2.山东七星电气科技发展有限公司，淄博 255000)

配电变压器作为配电网重要设备，承载改变电压和分配电能的任务，其数量众多，分布广泛，是确保供电可靠性和配电网安全稳定运行的关键要素。雷电作为自然现象，其发生不受人力掌控，配电变压器在实际运行过程中，时常会遭受雷电过电压冲击而造成绝缘损坏，通常需要采取雷击防护措施。但在诸如设备选型不当、绝缘配合不合理等情况下，虽然采取了较为齐备的雷电防护措施，其雷电过电压仍会超过规程要求的耐受电压限值，严重影响设备安全和配电网运行的可靠性[1-4]。

配电变压器雷电防护一直是业内关注的重点，当前中外学者的研究主要集中在根据某特定配电变压器参数进行建模，通过仿真方法对配电变压器采取不同雷电防护措施时的雷电耐受能力进行分析。文献[5-9]采用将变压器等效为一个入口电容，通过测量实际变压器参数，建立黑盒模型以及在理想变压器模型的基础上建立宽频模型等不同方法来构建等效模型，但上述文献所选用的配电变压器均为Yyn-0型，且所选配电变压器容量各异，这实际上忽略了接线组别与容量不同对配电变压器雷电耐受能力的影响。

基于实际配电变压器的基础参数，采用ATP-EMTP电磁暂态仿真软件建立了型式不同的配电变压器宽频等效模型，对不同接线组别与容量的配电变压器在相同保护措施下的直击雷、感应雷过电压进行对比，分析型式差异对于雷电耐受能力的影响，用于指导配电变压器的选型、容量配置和雷电防护措施的实施。

1 等效模型建立与参数计算

为对比分析型式不同的配电变压器雷击过电压差异需要构建相应的等效模型，工频等效模型主要考虑的是电磁耦合，而雷击过电压频带范围宽，需同时考虑较高频段电容耦合的作用[10-12]。采用ATP-EMTP(electromagnetic transients program, version alternative transients program)电磁暂态仿真软件搭建了Dyn-11和Yyn-0型配电变压器的雷击宽频等效模型，两种模型差异主要在于接线方式和等效参数，二者具有相同的单相模型，如图1所示。

图1单相模型中，1、7分别为高压侧绕组对外壳和低压侧绕组对铁心的等效电容，2、3、5、6分别为两侧绕组电阻和漏磁电感，4为高低压绕组间电容，9、10合为等效励磁阻抗，8、11分别为高低压绕组匝间及层间电容之和，此外相间电容在完整模型中均纳入考虑。

图1 配电变压器雷击宽频等效模型单相示意图

为能够对型式不同的配电变压器雷电耐受能力进行有效对比，计算了高低压侧都采用纸包铜扁线，容量为100、160、250、315、500 kVA，电压比为10∶0.4的Dyn-11和Yyn-0型配电变压器参数，其对应技术参数如表1所示。

表1 不同容量Dyn-11型及Yyn-0型配电变压器技术参数

通过表1可以计算出相应电磁参数，结合配电变压器结构参数即可算出相应的等效电容参数。

1.1 电磁参数计算

配电变压器型式差异在等效模型中主要体现为内部接线方式、电磁参数和等效电容的不同，其中电磁参数计算公式分别为

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Rk为配电变压器两侧的等效电阻，可以通过变比关系求得两侧的电阻值，Ω；ΔPk为负载损耗；SN为额定容量；UN为额定电压；Xk为两侧总漏电抗，Ω，两侧电抗值求法与电阻值相同；Uk为短路阻抗百分比，%；Rm为励磁电阻；ΔP0为空载损耗；I0为空载电流；Xm为励磁电抗，Ω；Zm为励磁阻抗。

在仿真计算中采用电感元件对电抗参数进行等效，电感L的计算公式为

(5)

式(5)中：L为电感，H；X为电抗参数，Ω；f为该电抗参数所对应的频率，Hz，由于计算所得电抗参数为工频参数，取f=50 Hz。

1.2 等效电容计算

采用能量等效原理来求取等效电容，该方法需要计算出被等效结构相应的电场能量，借助平板电容公式和微积分的方法，可以计算出电场能量，并以此求得等效电容值[13-14]。

设定配电变压器层式绕组一共有m层，每层匝数为n匝，则层式绕组结构如图2所示。

n为每层绕组的匝数

图2中，h为绕组高度，d为层间距离，da为导线直径，a为匝间距离。首先对层间等效电容和匝间等效电容进行计算，则两层间的等效电容为

(6)

式(6)中：εr为层间绝缘相对介电常数，无量纲；ε0为真空介电常数，工程上取值为8.85×10-12F/m；p为绕组平均周长；h为绕组高度，m；d为层间距离，m；Cj为层间静电容。

设m层绕组的总层间等效电容为Ce，则有

(7)

式(7)中:Ce为总层间等效电容，F；Cj(i,i+1)为相邻层间的等效电容，i=1,2,…,m-1。

同理，可以求得匝间等效电容为

(8)

式(8)中：Cte为匝间等效电容，F；εp为匝间绝缘相对介电常数，无量纲；da为导线直径，m；a为匝间距离，m。

则总的层间等效电容与匝间等效电容之和Cm(单位：F)的计算公式为

(9)

线圈对铁心、线圈对线圈，线圈对油箱之间等效电容值的计算则可以近似等效为同轴圆筒的电容Ceq(单位：pF)计算，其计算公式为

(10)

式(10)中：εwe为绝缘相对介电常数，无量纲；Rh为外侧半径，m；Rl为内侧半径，m。需要注意的是，由于高压绕组不是任意方向均面向油箱，因此计算高压绕组与油箱之间的等效电容时需要在计算公式前添加系数3/4。

2 配电变压器遭受直击雷过电压分析

为准确对比分析型式不同所带来的直击雷过电压差异，仿真计算中均采取相同的接地电阻取值和雷击防护措施。按照《交流电气装置的接地设计规范》(GB/T 50065—2011)中要求，该类型变压器接地电阻取值不应超过4 Ω，取其极限值，令接地电阻为4 Ω；同时在高压侧装设型号为YH5W-17/45的复合外套无间隙金属氧化物避雷器，低压侧装设型号为Y1.5W-0.5/2.6的无间隙金属氧化物避雷器。

仿真计算中雷电流幅值取高压侧避雷器标称电流5 kA，波形为2.6/50 μs标准波形，设定雷电波从配电变压器高压侧A相侵入，得到不同容量、接线组别为Dyn-11型和Yyn-0型的配电变压器高压侧直击雷过电压波形，如图3所示。

图3 容量不同的Dyn-11型及Yyn-0型配电变压器高压侧直击雷过电压波形

由图3(a)可知，Dyn-11型配电变压器高压侧绕组所承受的直击雷过电压均未超过雷电冲击耐受电压75 kV，但容量不同的情况下直击雷过电压波形峰值差异较大。当容量为250 kVA时，直击雷过电压峰值最低，也即雷电耐受能力最好；容量为100 kVA时，直击雷过电压峰值最高，雷电耐受能力最差。

由图3(b)可知，Yyn-0型配电变压器直击雷过电压同样均未超过雷电冲击耐受电压，且容量不同的情况下直击雷过电压峰值同样差异明显。其中，容量为500 kVA时，直击雷过电压峰值最小，峰值与容量为315 kVA时相近，有较好的雷电耐受能力；容量为100 kVA时，直击雷过电压峰值最高，雷电耐受能力最差。

因此，从直击雷防护角度考虑，在选取配电变压器的容量时，除容量需求外，也应考虑其雷电耐受能力差异。其中，Dyn-11型配电变压器容量为250 kVA时，Yyn-0型配电变压器容量为500 kVA时，雷电耐受能力最优。

进一步对型式不同的配电变压器直击雷过电压峰值进行对比，如图4所示。

图4 型式不同的配电变压器直击雷过电压峰值

由图4可知，Yyn-0型配电变压器直击雷过电压峰值随容量增加整体呈先上升后下降的趋势，在容量为250 kVA处取得极大值，极值之差为7.1 kV，变化率为11.67%；Dyn-11型配电变压器直击雷过电压峰值随容量增加整体趋势则与之相反，在250 kVA处取得极小值，极值之差为12.3 kV，变化率为19.81%；除容量为100 kVA情况下，Dyn-11型配电变压器直击雷过电压均低于Yyn-0型配电变压器。由此可见，型式差异对配电变压器高压侧绕组承受的直击雷过电压有较大影响，需引起足够重视。

根据仿真结果与分析，提出基于直击雷防护的配电变压器选型策略，即在容易遭受雷击的区域，除容量小于100 kVA的配电变压器宜采用Yyn-0型接线外，其他较大容量配电变压器均采用Dyn-11型配电变压器，在极端容量需求较小的应用场景下可适当增加所选配电变压器的容量以提升其雷电耐受性能。

3 配电变压器遭受感应雷过电压分析

为准确对比分析型式不同所造成的感应雷过电压差异，仿真计算中接地电阻取值和雷击防护措施均遵循前文。仿真设定感应雷电流幅值为20 kA，波形为2.6/50 μs标准波形，雷击点与输电线路距离为65 m，导线对地高度为10 m，感应雷三相进波从高压侧侵入，得到不同容量、接线组别为Dyn-11型和Yyn-0型的配电变压器高压侧感应雷过电压波形，如图5所示。

由图5(a)可知，不同容量的Dyn-11型配电变压器感应雷过电压均未超过雷电冲击耐受电压75 kV，不同容量下过电压峰值具有一定差异，但较直击雷过电压相比差异较小，其中容量为315 kVA时，感应雷过电压最低，也即雷电耐受能力最好。

由图5(b)可知，Yyn-0型配电变压器感应雷过电压同样均未超过雷电冲击耐受电压，过电压峰值同样存在一定差异，但相较直击雷过电压仍差异较小，容量为315 kVA时，同样感应雷过电压最低，雷电耐受能力最好。

图5 容量不同的Dyn-11型及Yyn-0型配电变压器高压侧感应雷过电压波形

进一步对型式不同的配电变压器感应雷过电压峰值进行对比，如图6所示。

由图6可知，Yyn-0型和Dyn-11型配电变压器感应雷过电压峰值随容量变化的趋势相近，均在容量为315 kVA处取得极小值，二者极值之差分别为3.8 kV和4.5 kV，变化率为6.36%和7.04%，且Yyn-0型配电变压器感应雷过电压幅值整体高于Dyn-11型配电变压器。由此可见，型式差异对配电变压器感应雷过电压同样有一定影响。

图6 型式不同的配电变压器感应雷过电压峰值

根据上述仿真结果与分析，提出基于感应雷防护的配电变压器选型策略，即在雷电活动频繁的区域，均采用Dyn-11型配电变压器，在极端容量需求较小的应用场景可采用适当增大配电变压器容量的方法来提升其雷电耐受性能。

4 结论

采用ATP-EMTP电磁暂态仿真软件对型式不同的配电变压器雷击过电压进行了仿真计算分析，为降低配电变压器在遭受雷电侵害时造成的绝缘击穿事故概率，首次将雷电耐受性能纳入设备选型的考虑范围，分别从型式和容量两个方面，提出了基于雷电耐受能力的配电变压器选型策略。得出如下结论。

(1)在露天易受雷电直击的区域，配电变压器容量小于100 kVA时宜采用Yyn-0型，其他容量宜采用Dyn-11型。

(2)在雷电活动频繁易遭受感应雷过电压影响的区域，配电变压器应全部采用Dyn-11型。

(3)在极端容量需求较小的应用场景，建议通过适当增加配电变压器容量的方式，提高其雷电耐受性能，减少雷击停电事故发生。