不同类型雷电冲击电压下变压器绕组电压分布特性研究_周丹.pdf

不同类型雷电冲击电压下变压器绕组电压分布特性研究周丹1，林春耀1，杨贤1，何宏明1，张轩瑞2，李军浩2（1.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510600；2.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，陕西 西安 710049）摘要：研究表明，变压器在运行过程中所承受的雷电冲击电压在到达线端时均呈现振荡形式。为了研究不同类型雷电冲击电压在变压器绕组中分布特性的差异，本文笔者通过仿真建立变压器绕组模型，得到了不同冲击电压下绕组内部的响应。同时利用绕组分布电压测量平台，研究和分析了其分布特性及影响规律。结果表明，相比标准雷电冲击电压波形，振荡型雷电冲击对绕组端部绝缘的考核更加严格，但其对于绕组主绝缘的考核相对宽松。关键词：变压器；标准雷电冲击电压；振荡型雷电冲击电压；绕组电压分布中图分类号：TM406文献标识码：B文章编号：10018425（2023）03004705Voltage Distribution Characteristics of Transformer Winding underDifferent Type Impulse Voltage WaveformZHOU Dan1,LIN Chun-yao1,YANG Xian1,HE Hong-ming1,ZHANG Xuan-rui2,LI Jun-hao2（1.Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co.,Ltd.,Guangzhou 510600,China;2.State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment,Xian Jiaotong University,Xian 710049,China）Abstract：Research has shown that the lightning impulse voltage suffered by the trans-former during operation all presents an oscillating type.In order to study the differencesin the distribution characteristics of different types of lightning impulse voltages in thetransformer windings,this paper establishes a transformer winding model through simu-lation,and obtains the internal responses of the windings under different impulse volt-ages.At the same time,using the winding distributed voltage measurement platform,thedistribution characteristics are analyzed.The results show that,compared with the stan-dard lightning impulse,the oscillating lightning impulse has more stringent assessmentson the insulation of the winding ends,but it has relatively loose assessments on themain insulation of the windings.Key words：Transformer;Standard lightning voltage waveform;Oscillating voltage wave-form;Voltage distribution of windings1 引言电力变压器作为电力系统的重要组成部分之一，其安全可靠运行保证了电网的正常运转。电力变压器在运行中除了要承受长期的工频电压作用之外，还会遭受由于线路上其他设备动作而产生的操作过电压以及由于雷击而产生的雷电冲击过电压的作用。由于雷电冲击过电压的幅值高，而且等值频率高、波前特别陡峭，所以作用到变压器绕组上时，变压器绕组端部会在极短的时间内经受异常高的电压。不同于工频和操作冲击电压，雷电冲击电压在变压器绕组上的分布是非线性的，会导致变压器局部电场的高度集中，这就容易导致变压器绝缘的损坏。因此，雷电过电压保护对变压器的安全TRANSFORMER第 60 卷 第 3 期2023 年 3 月Vol.60MarchNo.32023DOI:10.19487/ki.1001-8425.2023.03.007第 60 卷起着至关重要的作用，现场冲击耐受电压试验已成为电气工程的重要组成部分。目前常用1.2/50s标准雷电冲击电压（Stan-dard lightning impulse,SLI）作为变压器的雷电冲击耐压试验电压波形。但是由于产生双指数型冲击电压的设备庞大、不易移动、安装复杂，雷电冲击试验在现场的应用受到限制。研究表明，变压器在实际运行过程中受到的雷电冲击电压通常表现为振荡形式，其振荡频率约为几十千赫兹到几千赫兹。因此，IEC于2005年推出的标准，推荐采用振荡型雷电冲击电压（Oscillating Lightning Impulse,OLI）作为现场雷电冲击耐压试验波形，其具有产生效率高、适合现场使用、接近设备实际作用波形的优点。由于冲击电压在变压器绕组分布的非线性，不同类型的雷电冲击电压在变压器绕组中的电压分布特性具有明显差异。因此，掌握不同类型的雷电冲击电压在变压器绕组中的分布特性及其变化规律，对于变压器的运行和设计以及现场雷电冲击试验的开展具有重要意义。2 变压器绕组电压分布仿真研究仿真使用的变压器额定电压为220kV，其为端部出线，绕组为内屏蔽-连续式绕组，其中绕组由72个线饼构成，其首端18个线饼采用内屏蔽式绕制方法，其目的是增加该部分的纵向电容，以调节绕组的冲击电压分布；其余线饼采用均匀连续式绕法。绕组每两饼引出一个抽头便于试验研究电压分布情况。2.1绕组等效RLC网络参数计算本文作者基于绕组的几何设计参数，采用理论公式计算的方法，计算绕组的电路网络参数，进而仿真获得不同类型雷电冲击电压下的绕组电压分布情况。绕组等效电路网络由若干个相同的RLC单元级联构成，对于绕组的仿真选取每两饼为一个单元，共计36个单元，相应的网络参数主要包含纵向电容Cs、横向电容Cg、自感L、互感M和电阻R。Cs与绕组绕制方式有关，当以双饼为一个单元时，Cs的计算见式（1）（无屏线时）和式（2）（屏线跨2饼屏蔽时）。Cs=2n-2(2n)2Cw（1）Cs=n2n2-2n+12n2Cw+n-n-12n2Cw+Ct3B(b+bnn)+Ct3B(b+3b3n2+3nn+n23n2)（2）式中，Cw、Cw分别表示工作线之间、屏线与工作线间的平均匝间电容；Ct为饼间几何电容，它们均可近似等效为平行板电容求解；n、n分别表示单饼内工作线、屏线匝数；b、b分别表示单饼内工作线、屏线的总径向宽度，B为线饼径向宽度。横向电容Cg主要包括高低压绕组间电容以及绕组对铁心和外壳的电容，可以近似用同轴圆柱体电极之间的电容等效。电感L、M的计算使用椭圆积分法，将每根工作导线等效为宽度不计的圆回路，如图1所示。同轴圆回路的自感和互感计算分别见式（3）和式（4）。MAB=0RB(2k-k)K(k)-2kE(k)（3）k=4RARB(RA+RB)2+HAB2（4）式中，K(k)和E(k)分别为第一类、第二类完全椭圆积分，RA、RB为两个同轴圆回路的半径，HAB为两个回路平面之间的距离。考虑集肤效应的单位长度交流电阻RAC见式（5）。RAC=12(w+h)f（5）式中，w和h分别为导体横截面矩形的宽和高；和分别为导体磁导率和导体电导率，f为加载信号的频率。2.2标准雷电冲击下绕组电压分布仿真所使用的标准雷电冲击为理想波形，其波头时间Tf=1.2s，波尾时间Tt=50.0s。标准雷电冲击电压作用于绕组首端时，距离绕组首端由近及远第5、第15和第25节点的电压波形仿真结果如图2所示，图中将输入标准雷电冲击电压波形一并绘入。从图2可以看出，标准雷电冲击电压作用下变压器绕组上的电压分布出现了明显的畸变，其波形不再跟随输入电压的形状，而是出现振荡，且越靠近绕组末端电压幅值越低，同时绕组的固有振荡显现得越明显。2.3振荡雷电冲击下绕组电压分布图1同轴圆回路示意图48周丹、林春耀、杨贤等：不同类型雷电冲击电压下变压器绕组电压分布特性研究第 3 期仿真所使用的振荡雷电冲击的波头时间Tf=1.64s，波尾时间Tt=50.6s，振荡频率为300kHz。振荡雷电冲击电压作用于绕组首端时，距离绕组首端由近及远第5、第15和第25节点的电压波形仿真结果如图3所示，图中将输入振荡雷电冲击电压波形一并绘入。从图3可以看出，振荡雷电冲击电压作用下变压器绕组上的电压分布也出现了畸变，不同的是除了变压器的固有振荡外，电压波形还含有输入的振荡频率分量，但随节点接近绕组末端，电压波形的固有振荡分量逐渐超过输入振荡分量，这一点与标准雷电冲击下的规律相同。3 不同类型雷电冲击电压分布试验验证3.1试验平台为进一步研究不同类型冲击电压波形在实际变压器绕组中的分布特性，搭建了用于测量变压器绕组内部不同位置电压波形的试验平台，如图4所示。雷电冲击电压的产生是通过工频交流电源经过半波整流电路对主电容C0直流充电到一定电压值U，然后通过IGBT控制电路的快速导通与开断，使主电容C0上的电压经过波头电阻Rf、波尾电阻Rt、调波电感La以及调波电容C1对绕组模型的首端放电，产生符合标准要求的雷电冲击电压波形。调节电阻、电感值的大小可以产生不同波形参数的振荡型雷电冲击电压，移除调波电感则可以产生标准雷电冲击电压波形。绕组模型绕组模拟220kV变压器高压绕组实际结构，设计采用内屏连续式绕组，整体共计72线饼。其中，屏蔽段绕组共18段，前16段跨四段屏，2段跨两段屏，其余为连续式绕组。为测量每饼之间的振荡雷电冲击分布，线饼每双饼单元均引出端子，通过环氧树脂板至油箱外侧，编号为136。由于绕组模型采用空气绝缘，等效入口电容小，因此采用并联补偿电容的方法，在绕组模型入口处图2标准雷电冲击电压在绕组中的分布(a)第5节点(b)第15节点(c)第25节点(b)第15节点(a)第5节点(c)第25节点图3振荡雷电冲击电压在绕组中的分布图4试验平台49第 60 卷并联电容（0.5nF）作为调波电容，增大了绕组模型入口电容，得到满足标准要求的振荡型雷电冲击电压。绕组首端施加雷电冲击电压，绕组末端经过1示伤电阻接地，模拟绕组雷电冲击试验的实际情况。通过示波器（TEK4104，带宽1GHz，采样率可达5Gsamples/s）依次测量每个接线端子对地电压波形，即可得到不同类型冲击电压在绕组模型内部的电位分布。3.2冲击电压在绕组内部的时域、频域波形通过改变调波电路中波头、波尾电阻和调波电感值，获得了标准雷电冲击和振荡型雷电冲击电压波形，为了便于比较波形的振荡对于绕组中电压分布的影响，两种波形的波前时间和波尾时间基本保持一致，如图5所示。标准雷电冲击电压的波前时间Tf=1.32s，波尾时间Tt=52.8s；振荡型雷电冲击电压的波前时间Tf=1.3s，波尾时间Tt=54.4s，振荡频率f=280kHz。标准雷电冲击在变压器绕组内部电压时域、频域波形如图6所示。施加标准雷电冲击电压时，绕组内部电压出现畸变，表现持续的振荡，振荡频率主要为87kHz，中段绕组较两端绕组振荡剧烈，整体波形呈现振荡衰减趋势。绕组内部电压的振荡说明变压器绕组的固有频率在为87kHz，变压器绕组在此频率附近呈现阻性，低于此