牛 凯，洪芳华，李 伟，倪 浩，孙 源，张轩瑞，李军浩

(1.国网上海市电力公司物资公司，上海 200235；2.西安交通大学电气工程学院，陕西 西安 710049)

1 引言

配电网是电力输送的最后一环，其安全运行与用户的用电质量息息相关。配电系统的构成复杂，主要由开关柜、架空线路、环网柜、断路器、配电变压器等组成，设备繁多且分布层面很广泛[1-3]。

目前的配网设备在出厂前会进行工频耐压、局部放电等常规性试验，但是此类常规试验无法将全部安全隐患排除[4]。在出厂试验中也存在一部分设备可以通过常规耐压合并局部放电试验，但却无法通过雷电冲击耐压试验[5,6]。

面对雷击，配网设备因系统结构复杂等原因，对雷击产生的强电流无法完全避免[7,8]。因此，雷击是导致配网故障的重要原因之一[9,10]。用雷电冲击耐压试验可以最大程度上模拟设备遭受雷电过电压时的状态。由于雷电冲击电压陡度高幅值大，所以其对配网设备的绝缘能力考核相较于常规耐压试验更加严格[11,12]。

现场试验时若使用MARX回路产生双指数型冲击电压会出现设备过于庞大、不易安装拆卸等问题，因此双指数波的现场实用性较差。2010年我国开始采用IEC推出的IEC60060-3标准[13]，该标准推荐采用振荡型雷电冲击电压作为现场冲击耐压试验的波形。振荡型冲击电压波产生效率高、接近设备实际作用波形，与实验室生成的结果比对方便，因此适合在现场进行冲击电压试验时采用[14]。振荡型雷电冲击波(Oscillating Lightning Impulse，OLI)的参数标准根据IEC60060-3标准可知，波前时间为0.8～20 μs，半峰值时间为40～100 μs，振荡频率为15～400 kHz。典型振荡型雷电冲击电压波形如图1所示，图中U/Upeak为归一化电压。

图1 典型振荡型雷电冲击波形

目前，业内利用振荡型雷电冲击电压进行的研究主要针对超高压[15-19]和特高压气体绝缘开关设备(Gas Insulated Switchgear,GIS)的现场冲击耐压试验[20]，而低电压等级的配网设备试验较少。配网设备种类繁多并且参数差别较大，目前针对配网设备在振荡型雷电冲击电压下的应用尚未有系统全面的研究。

配网设备根据结构可以分为三类，第一类为各类配电变压器；第二类为开关设备，主要有开关柜、断路器等；第三类为输电线路，主要为架空线、电缆等。由于开关设备和配电变压器在实际运行中更易出现绝缘缺陷并导致故障的问题，对这两类设备进行耐压试验可以在一定程度上避免由绝缘缺陷导致的事故发生。

因此，本文以开关及配电变压器两类配网设备作为试品进行试验，测得试品的参数，探究在不同配网设备上产生振荡型雷电冲击电压的方法并进行调波，在所有的设备上均可以得到满足标准要求的振荡型雷电冲击电压，对开展配网设备的现场雷电冲击试验具有一定的指导意义。

2 振荡型雷电冲击电压产生及调节原理

开关设备在等效时可以等效为一个纯电容，而配电变压器为绕组类设备，在等效时除了电容外，还会存在一个等效电感。为了加以区分并进行对比，下面分别对这两类设备进行分析。

2.1 开关设备振荡型雷电冲击电压的产生原理

开关设备振荡型雷电冲击电压的产生回路由三部分组成，分别为冲击电压发生器、调波电路以及被试开关，原理图如图2所示。其中被试开关等效为一电容，在图2中以入口电容C2表示。C1为冲击电压发生器主电容，调波电路由波头电阻Rf、波尾电阻Rt和调波电感La组成。波形的振荡频率f可以根据式(1)计算得到：

图2 开关设备振荡型冲击试验回路原理图

(1)

若峰值电压为up，在电压上升过程中，电压幅值达到峰值电压30%、90%的时刻t1、t2可由式(2)计算得出；在包络线上，电压幅值降为峰值电压一半的时刻为t3，则波前时间T1，半峰值时间T2可由式(3)计算得出：

(2)

(3)

2.2 配电变压器振荡型雷电冲击电压的产生原理

配电变压器振荡型雷电冲击电压的产生原理图如图3所示。与开关设备组成结构基本相同，同样由冲击电压发生器、调波电路以及试品三部分组成。与开关设备回路不同的是配电变压器等效为一电容与电感并联，在图3中以入口电容C2并联漏感Lk表示。其余组成部分均与开关设备回路相同。

图3 配电变压器振荡型冲击试验回路原理图

变压器存在铁心励磁电感等影响因素，入口电容很难通过计算精确地得出，通常入口电容实际值通过试验测量谐振频率得到。变压器的总漏感值Lk可以通过式(4)计算得到：

(4)

式中，uk为变压器阻抗电压；UN为变压器相电压；ω为工频电压角频率；SN为变压器额定容量。

变压器由于存在漏感，振荡波型会存在两个谐振频率，一是调波电感La与配电变压器入口电容C2产生谐振，这部分在波形中表现为波头处的高频振荡，持续时间很短。二是漏感Lk与电压发生器主电容C1和入口电容C2产生谐振，这部分在波形中表现为低频振荡，一般持续时间较长。而开关设备只存在高频振荡，开关设备的振荡波形与配电变压器的振荡波型如图4所示。

图4 振荡型雷电冲击波形

高频振荡频率f1也可由式(1)计算得出，低频振荡频率f2可以根据式(5)计算得出，波前时间以及半峰值时间的计算方法与前述开关类设备波形参数计算方法相同。

(5)

3 开关设备振荡型雷电冲击电压试验

3.1 试验方法

振荡型雷电冲击电压的波形主要取决于以下几个参数：波头电阻，波尾电阻，调波电感以及负载参数。根据已有在电力变压器以及GIS上进行的大量振荡型雷电冲击试验的结果，可以总结出上述参数对于波形的影响如下：波头电阻主要影响波形的振荡特性，对半峰值时间影响较大，而对波前时间以及振荡频率影响较小，这与双指数雷电冲击中波头电阻的影响不同。由于电阻增加时阻尼作用增大，因此波尾电阻对半峰值时间影响较大，而对振荡频率和波前时间影响较小，半峰值时间随着波头电阻的增大而减小，随波尾电阻的增大而增大。调波电感对于波形的影响较为复杂，调波电感同时影响振荡频率以及波头、波尾时间。随着调波电感的减小，频率增加，半峰值时间减小，波前时间减小。进行试验前，先对开关设备电容值进行测量，结果见表1。

表1 设备参数

为了获得不同振荡频率下的振荡型雷电冲击电压波形，经过初步计算后选择4 mH及1 mH两种不同大小的调波电感，通过式(1)计算得到不同开关设备的振荡频率，数值见表2。试验时，在设备相间施加振荡型雷电冲击电压。将设备分闸，进线端三相短接并与电压发生器相连，出线端三相短接并接地。开关设备振荡型冲击试验的接线原理图如图5所示。

表2 开关设备振荡频率计算值

图5 开关设备试验接线原理图

由于在振荡型雷电冲击电压下，波头、波尾电阻均只对半峰值时间影响较大，因此将调波电感接入试验回路首先确定产生振荡型雷电波的振荡频率，再对波头电阻和波尾电阻根据其影响规律进行调节，得到可以产生符合标准要求的振荡型雷电冲击波形的发生器参数。试验时的冲击电压发生器参数见表3，在两组参数下得到的空载电压波形如图6所示。

表3 冲击电压发生器参数

图6 空载试验波形

图7 开关柜振荡型雷电冲击试验波形

图8 环网柜振荡型雷电冲击试验波形

3.2 试验结果

根据调波所得到的电压发生器参数，经过试验得到开关设备的振荡型雷电冲击波形如图7～图9所示。对试验所得到的波形经过计算即可得到试验波形参数，对其中的振荡频率与计算值经过对比可得到振荡频率的计算误差，误差可由(试验值-计算值)/试验值计算得出。

图9 柱状断路器振荡型雷电冲击试验波形

波形参数以及振荡频率的计算误差见表4。经过对照证明所得到的波形参数均符合IEC60060-3标准。

表4 试验结果波形参数

根据波形结果可知，由于一般的开关设备电容值较小，振荡型雷电冲击电压波形与典型振荡波相近，因此振荡波可以较好地应用在对开关设备进行的各种试验上。同时由于开关设备振荡型雷电冲击波形振荡频率高，波前时间半峰值时间均较短，因此进行试验时波头电阻应选择数值较小的电阻。通过对比振荡频率的计算值与实际值可以发现误差较小，说明计算可以较为准确地反映出实际的波形振荡情况，并且计算值均比实际值略小，因此通过计算设计开关类配网设备的振荡型雷电冲击回路参数时应适当向上留出一定裕度。

4 配电变压器振荡型雷电冲击电压试验

4.1 配电变压器参数计算

配电变压器的主要参数有入口电容和漏感，如前所述入口电容难以计算，一般通过实际测量得到其电容参数，因此只计算变压器漏感。在实验前通过测量得到了两台变压器的电容参数以及铭牌参数见表5。

表5 配电变压器参数

变压器内部绕组有两种接法，分别为Y型和△型接法，两种接法的漏感计算等效电路如图10所示。单相的漏感为L，根据电路原理可知，Y型接法变压器漏感为1.5L，△型接法的漏感为0.5L。根据式(4)即可计算出单相的漏感L。计算得400 kV·A变压器单相漏感为106.1 mH，200 kV·A变压器单相漏感为53.1 mH。

图10 变压器漏感等效电路

4.2 试验方法及实验结果

对配电变压器进行试验时，在相间施加振荡型雷电冲击电压，高压侧被试相接冲击电压发生器，其余两相接地，低压侧三相接地。配电变压器振荡型冲击试验的试验接线原理图如图11所示。

图11 配电变压器试验接线原理图

试验所选用的调波电感与开关设备试验时相同，分别为1 mH和4 mH，通过式(1)计算后得到的不同配电变压器的振荡频率见表6。同样先将调波电感接入试验回路，再对波头、波尾电阻进行调节，得到可以产生符合标准要求的振荡型雷电冲击波形的电压发生器参数。配电变压器试验时的电压发生器参数见表3。

表6 配电变压器振荡频率计算值

根据调波所得到的电压发生器参数，对配电变压器进行试验。得到的振荡型雷电冲击电压波形如图12所示，参数及振荡频率计算误差见表7。经过对照证明所得到的波形参数均符合IEC60060-3标准。

图12 配电变压器试验波形

表7 试验结果波形参数

根据试验结果可知，由于配电变压器电容普遍较大，因此在相同电压发生器参数的情况下，振荡频率远远低于开关设备，同时由于变压器漏感的影响，波前时间、半峰值时间均较开关设备更长，同时根据波形可知，配电变压器设备的振荡时间更短。因此，在设计配电变压器振荡型雷电冲击电压试验时，应适当减小波头电阻和波尾电阻，同时选用较小的调波电感以增加振荡部分的时间。相较于开关设备，配电变压器计算值与实际值之间的误差较大，因此在通过计算设计配电变压器振荡型雷电冲击试验时应留出较大裕度。

5 结论

本文针对开关设备和配电变压器的参数和结构特点，通过计算得到了配电变压器的漏感参数、不同参数下振荡型雷电冲击波形的频率，并与试验进行对比，研究在开关设备及配电变压器上的雷电冲击电压试验波形的产生方法并总结波形规律。结论如下：

(1)开关设备的振荡频率计算值与试验值可以较好的吻合，但是计算值偏小。

(2)相较于开关设备，配电变压器由于结构影响，在相同电压发生器参数下得到的波形振荡频率低，波前时间、半峰值时间长，并且计算值与实际值误差较大。

(3)通过改变电压发生器的参数，在不同的配网设备上均可以得到振荡型雷电冲击波形，并且波形均满足IEC60060-3标准。