試驗研究VFTO作用下層式繞組暫態(tài)特性

鄭殿春， 翟修全， 趙大偉， 呂樹明

(哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150080)

0 引言

特快速暫態(tài)過電壓(very fast transient overvoltages，VFTO)是由幾納秒至幾十納秒上升沿和衰減振蕩的波尾組成，能引起與氣體絕緣變電站直接相連的變壓器繞組內(nèi)部的絕緣破壞［1］。VFTO對變壓器繞組絕緣的影響已經(jīng)引起了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，世界上一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開展了這方面的研究作。國內(nèi)的一些電力研究院、研究所和大學(xué)等相關(guān)單位也開展了這方面的理論研究，但由于GIS產(chǎn)生VFTO的多樣性，此類課題的相關(guān)研究仍是目前科技工作者關(guān)注的熱點問題［2-3］。

VFTO作用下變壓器繞組的絕緣特性、油紙絕緣配合以及沿繞組電壓波傳輸特性都是亟待解決的工程問題，由于受到檢測技術(shù)等限制，目前仍不能在實際變壓器繞組上進(jìn)行VFTO的相關(guān)研究，因此，只能采用繞組模型的實驗方法［4］。

本文設(shè)計制作了分段層式繞組實驗?zāi)Ｐ?，采用毫微秒高壓脈沖源、數(shù)字存儲示波器、高壓探頭等儀器對該層式繞組特快速暫態(tài)過電壓分布特性進(jìn)行了實驗，分別對分段層式空心繞組和分段層式有鐵心繞組模型注入特快速暫態(tài)過電壓，采集記錄繞組模型各單元節(jié)點電壓信息，得到繞組不同節(jié)點的電位分布。同時根據(jù)入波電壓和繞組模型各個單元的響應(yīng)電壓信息求出分段層式繞組傳輸函數(shù)的幅頻特性，并分析了諧振頻率。為此類變壓器繞組的絕緣設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 實驗?zāi)Ｐ?/h2>

實驗?zāi)Ｐ头譃?段每段5層，其基本參數(shù):總匝數(shù)為604匝;平均匝長為0.745 m;總長為480 m;絕緣相對介電常數(shù)為4.5;繞組高度為800 mm;繞組電抗高度為765 mm;繞組內(nèi)半徑為226 mm;繞組外半徑為248 mm;鐵心直徑為215 mm;絕緣紙厚度為0.17 mm的青殼紙加聚酯薄膜;導(dǎo)線凈尺寸厚度為1.12 mm，高度為1.45 mm;含絕緣漆的導(dǎo)線尺寸厚度為4.75 mm，高度為5.02 mm。

繞組模型如圖1所示，該分段層式繞組模型是在某變壓器廠設(shè)計制作的，專門用于層式變壓器繞組絕緣特性的基礎(chǔ)研究。繞組的每層有1根引出線作為測量線。分段層式繞組模型分為4段，每段5層，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點，以繞組的每層為1個單元，故模型共分為20個單元。

繞組模型等值電路如圖2所示，由上至下每單元節(jié)點的引線序號依次記作 1，2，3，4，…，20，21。該分段層式繞組模型的等值電路中相關(guān)參數(shù)計算見文獻(xiàn)［5］，在此不再贅述。

圖1 分段層式繞組模型Fig．1 The winding model with subsection and layer structure

圖2 分段層式繞組模型等值電路Fig．2 The winding equivalent circuit with subsection and layer structure

2 實驗過程

實驗工作是在室溫20℃、相對濕度40%的環(huán)境下進(jìn)行的。為防止高頻電磁信號的干擾，確保采集記錄的信號準(zhǔn)確可靠，實驗儀器之間的連接采用屏蔽線。

2.1 實驗儀器與實驗系統(tǒng)

實驗測量裝置由脈沖電壓發(fā)生器、示波器、高壓探頭、分段層式繞組模型及測量屏蔽線組成。具體實驗儀器如下:

1)脈沖電壓發(fā)生器選用的是GMY-1型毫微秒高壓脈沖源。

2)示波器選用的是Tektronix TPS2014數(shù)字存儲示波器。

3)高壓探頭選用的是Tektronix P5210高壓有源差分探頭。

實驗過程，VFTO脈沖電壓由GMY-1型毫微秒高壓脈沖源提供，應(yīng)用Tektronix TPS2014示波器實時采集存儲各單元節(jié)點的響應(yīng)信號，并應(yīng)用現(xiàn)代信號處理技術(shù)，由PC計算機(jī)對所采集得到的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。該分段層式繞組模型的實驗系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 分段層式繞組模型實驗系統(tǒng)Fig．3 Experimental setup of winding model

2.2 實驗結(jié)果與分析

為探索分段層式繞組VFTO脈沖下暫態(tài)過程的電磁關(guān)系，實驗分兩種情況進(jìn)行，即分段層式繞組中有鐵心和無鐵心。通過實驗比較此繞組電位分布的異同，分析鐵心對繞組暫態(tài)過程的影響。由GMY-1型毫微秒高壓脈沖源提供的VFTO脈沖電壓波形如圖4所示。

圖4 VFTO波形Fig．4 The VFTO waveform

實驗過程將此視在波前時間為10 ns、幅值為450 V的VFTO脈沖電壓分別施加在繞組模型的首端、中部和末端，實測各個單元的電壓波形，根據(jù)各單元的電壓波形擬合沿繞組的電位分布，研究分析VFTO作用下層式繞組電位分布規(guī)律。

2.2.1 有鐵心繞組

在鐵心存在的分段層式繞組模型首端注入視在波前時間為10 ns、幅值為450 V的VFTO脈沖電壓，繞組末端經(jīng)一導(dǎo)線接地。用示波器測量各個單元的電壓波形。由于單元數(shù)目較多，本文中只列出了第1、5、10、15、20單元電壓波形，如圖5所示。

有鐵心首端入波試驗結(jié)果可以看出，首端注入該VFTO脈沖電壓，電位分布如圖6所示，從圖中可以看出，繞組段間的電壓梯度分布極不均勻，最大梯度電壓變化出現(xiàn)在首段結(jié)尾處，其最大擊穿電壓也就出現(xiàn)在靠近繞組首端的很小區(qū)域。因此，該區(qū)域繞組絕緣所受沖擊是最為嚴(yán)重的。

圖5 第1、5、10、15、20單元電壓測試波形Fig．5 Voltage waveforms at the 1st，5th，10th，15th and 20th unit

圖6 首端入波電位分布Fig．6 Potential distribution of input wave at the winding head-end

在鐵心存在的分段層式繞組模型中部注入視在波前時間為10 ns、幅值為450 V的VFTO脈沖電壓，繞組末端經(jīng)一導(dǎo)線接地。用示波器測量第1、5、10、15、20單元電壓波形，如圖7所示。

圖7 第1、5、10、15、20單元電壓測試波形Fig．7 Voltage waveforms at the 1st，5th，10th，15th and 20th unit

由鐵心中部入波的電位分布曲線圖8可以看出，最大電位梯度變化出現(xiàn)在靠近入波節(jié)點的前幾個單元，說明在這個區(qū)域的繞組絕緣所受的沖擊最為嚴(yán)重，此處絕緣易被擊穿。

圖8 中部入波電位分布Fig．8 The potential distribution of input wave at the winding middle

鐵心存在的分段層式繞組模型末端注入視在波前時間為10 ns、幅值為450 V的VFTO脈沖電壓。用示波器測量第1、5、10、15、20單元電壓波形如圖9所示。

圖9 第1、5、10、15、20單元電壓測試波形Fig．9 Voltage waveforms at the 1st，5th，10th，15th and 20th unit

鐵心下繞組末端入波試驗結(jié)果可以看出，末端注入該VFTO脈沖電壓，電位分布如圖10所示，從圖中可以看出，最大電位梯度變化出現(xiàn)在第4段，說明該區(qū)域繞組絕緣所受的電壓沖擊最為嚴(yán)重。所以，末端入波時該區(qū)域繞組的絕緣欲度要特別考慮。

圖10 末端入波電位分布Fig．10 Potential distribution of input wave at the winding tail-end

2.2．2 無鐵心繞組

在空心分段層式繞組模型首端注入視在波前時間為10ns、幅值為450V的VFTO電壓信號，繞組末端經(jīng)一導(dǎo)線接地。用示波器測量第1、5、10、15、20單元節(jié)點的電壓波形，如圖11所示。

圖11 第1、5、10、15、20單元電壓測試波形Fig．11 Voltage waveforms at the 1st，5th，10th，15th and 20th unit

空心首端入波試驗結(jié)果可以看出，該VFTO脈沖電壓，電位分布如圖12所示，從圖中可以看出。最大電位梯度變化出現(xiàn)在第5單元與第6單元之間，說明該區(qū)域的繞組絕緣所受沖擊最為嚴(yán)重。

圖12 首端入波電位分布Fig．12 Potential distribution of input wave at the winding head-end

在空心分段層式繞組模型中部注入視在波前時間為10 ns、幅值為450 V的VFTO電壓信號，繞組末端經(jīng)一導(dǎo)線接地。用示波器測量第1、5、10、15、20單元的電壓波形，如圖13所示。

圖13 第1、5、10、15、20單元電壓測試波形Fig．13 Voltage waveforms at the 1st，5th，10th，15th and 20th unit

空心中部試驗結(jié)果可以看出，中部注入該VFTO脈沖電壓，電位分布如圖14所示，從圖中可以看出，最大電位梯度變化出現(xiàn)在第15單元與第16單元之間，說明該區(qū)域的繞組絕緣所受沖擊最為嚴(yán)重。

圖14 中部入波電位分布Fig．14 The potential distribution of input wave at the winding middle

在空心分段層式繞組模型末端注入視在波前時間為10 ns、幅值為450 V的VFTO電壓信號。用示波器測量第 1、5、10、15、20單元的電壓波形，如圖15所示。

圖15 第1、5、10、15、20單元電壓測試波形Fig．15 Voltage waveforms at the 1st，5th，10th，15th and 20th unit

空心末端入波試驗結(jié)果可以看出，末端注入VFTO脈沖電壓，電位分布如圖16所示，從圖中可以看出，最大電位梯度變化出現(xiàn)在末端的最小區(qū)域內(nèi)，說明該區(qū)域的繞組絕緣所受沖擊最為嚴(yán)重。

圖16 末端入波電位分布Fig．16 Potential distribution of input wave at the winding tail-end

2.2.3 結(jié)果分析

由圖5～圖16中的每個單元電壓波形可以看出，同一端點入波時，對應(yīng)測試的鐵心和空心各單元電壓波形明顯不同。有鐵心時，測試的每個單元波形隨時間在繞組傳播過程中，振蕩的幅度比空心時大，并且離入波端點越遠(yuǎn)的單元波形振蕩越明顯，但波形第一個峰值變化較小。圖17是首端和中部入波，在視在波前時間為10 ns、幅值為450 V的VFTO脈沖電壓作用下，分段層式繞組模型有鐵心和無鐵心時的電位分布。發(fā)現(xiàn)繞組中有鐵心時，同一單元的電壓幅值相比于空心時的電壓幅值較大，尤其是波形的第一個峰值最為明顯。而空心時，繞組每經(jīng)過一段，測試的波形最大幅值都有一個明顯降低。主要原因:(1)電壓在傳播過程中出現(xiàn)了復(fù)雜的折反射，電磁波在物體表面繞射，隨測試點遠(yuǎn)離入波信號源，使脈沖電壓信號的幅值逐漸減小。另外，鐵心存在時每個單元測試信號波形隨時間的推移發(fā)生較大振蕩，這是由于遠(yuǎn)離入波信號源的各個測試點信號在鐵心表面折反射不同所引起的;(2)鐵心存在時，繞組中注入脈沖電壓后，它瞬間產(chǎn)生一個外磁場B0，在外磁場B0的力矩作用下，鐵心中各磁分子環(huán)流的磁矩在一定程度上沿著場的方向排列起來。這時鐵心磁棒被磁化了。磁化了的鐵心就像一個由磁化電流組成的“螺線管”。這個螺線管產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B1，B1與B0在鐵心內(nèi)部的方向一致，因而鐵心內(nèi)總的磁通量增加了。磁通量增加磁場強(qiáng)度也隨之增加。所以，同一測量點上鐵心時的磁場強(qiáng)度都比空心時的磁場強(qiáng)度大。磁場強(qiáng)度的表達(dá)式為H=Iω/L，I、ω、L 分別為電流強(qiáng)度、繞組匝數(shù)、磁路長度，后兩個變量相同的情況下，磁場強(qiáng)度越大則電流強(qiáng)度越大，單位繞組長度上的電壓也越大［6］。所以，該層式繞組同一節(jié)點時有鐵心電壓幅值要比空心時電壓幅值大。

圖17 有鐵心和無鐵心下繞組的電位分布Fig．17 The winding potential distributions with and without core，respectively

3 幅頻特性分析

變壓器繞組中的幅頻特性分析主要是通過建立變壓器繞組的單輸入多輸出的多端口模型進(jìn)行分析。VFTO中含有的震蕩諧振頻率與變壓器繞組中的若干固有頻率匹配，可能引起諧振過電壓，從而破壞繞組的層間匝間絕緣。所以，根據(jù)得到的多端口模型求出傳輸函數(shù)，通過對傳輸函數(shù)進(jìn)行分析獲得變壓器繞組中的諧振相關(guān)信息，從而確定諧振頻率寬度，對諧振可能發(fā)生的位置進(jìn)行定位［7-8］。

VFTO脈沖電壓信號在該繞組模型傳播過程中，可以認(rèn)為整個傳輸系統(tǒng)是由多個單元多個子傳輸系統(tǒng)構(gòu)成的一個復(fù)雜的傳輸函數(shù)系統(tǒng)，如圖18給予了描述。由傳輸函數(shù)理論可知，一般用h(n)表示傳輸函數(shù)，即

式中:h(n)為傳輸函數(shù);Y(n)為系統(tǒng)輸出響應(yīng);X(n)為系統(tǒng)輸入信號。通過傅里葉變換，可以把式(1)轉(zhuǎn)變到頻率域，即

式中:h(ejω)為頻率域下傳輸函數(shù);Y(ejω)為頻率域下系統(tǒng)輸出響應(yīng);X(ejω)為頻率域下系統(tǒng)輸入信號［9］。

圖18 復(fù)雜傳輸系統(tǒng)Fig．18 Transmission system of transformer winding

整個系統(tǒng)的傳輸函數(shù)為

式中:H(ejω)為整個系統(tǒng)頻率域下的傳輸函數(shù);hi(ejω)為第i個單元測試的VFTO脈沖響應(yīng)與注入VFTO脈沖信號相比所求出的頻率域下子傳輸函數(shù)。

本文采用矢量匹配法對所得的傳輸函數(shù)進(jìn)行了擬合，得到了繞組各個單元的電壓傳輸函數(shù)的幅頻特性曲線。并對幅頻特性曲線進(jìn)行分析，即可確定該層式繞組試驗?zāi)Ｐ偷闹C振頻率。

在分段層式繞組模型首端施加VFTO脈沖電壓，實測繞組各單元的響應(yīng)電壓，根據(jù)入波電壓和響應(yīng)電壓求出分段層式繞組電壓傳輸函數(shù)的幅頻特性。為了更加清楚地描述鐵心對幅頻特性曲線的影響，實驗分兩種情況進(jìn)行，即繞組中有鐵心和無鐵心，比較諧振頻率范圍的異同。

3.1 有鐵心

在有鐵心的分段層式繞組模型首端施加VFTO脈沖電壓信號，測得繞組各端響應(yīng)電壓，根據(jù)實測數(shù)據(jù)由式(3)求得繞組各單元的傳輸函數(shù)。圖19給出了繞組第3、4、5、8單元末端電壓傳輸函數(shù)幅頻特性。

圖19 第3、4、5、8單元幅頻特性Fig．19 The amplitude and frequency characteristics of the 3th，4th，5th，8th unit

從圖19中可以看出，繞組的主要諧振頻率集中在0.5～3 MHz之間，說明此頻段的信號最易引起繞組的電磁諧振。當(dāng)頻率小于0.5 MHz或者大于3 MHz時，幅值迅速降低，此頻段的信號對該繞組的絕緣危害性不大。

3.2 無鐵心

在無鐵心的分段層式繞組模型首端施加VFTO脈沖電壓信號，測得繞組各端響應(yīng)電壓，根據(jù)實測數(shù)據(jù)由式(3)求得繞組各單元的傳輸函數(shù)。圖20給出了繞組第3、4、5、8單元末端電壓傳輸函數(shù)幅頻特性。

圖20 第3、4、5、8單元幅頻特性Fig．20 The amplitude and frequency characteristics of the 3th，4th，5th，8th unit

從圖20中可以看出:1)繞組的主要諧振頻率集中在1.5～3 MHz之間，說明此頻段的信號最易引起繞組的電磁諧振，當(dāng)頻率小于1.5 MHz或者大于3 MHz時，幅值迅速降低，此頻段的信號對該繞組的絕緣危害性不大;2)空心繞組與有鐵心繞組諧振頻率范圍有較大差別，主要原因是空心繞組電感、電容等參數(shù)比有鐵心電感、電容等參數(shù)小的多，所以入波電壓相同的情況下響應(yīng)電壓、傳輸函數(shù)幅頻特性都會發(fā)生變化。這造成空心繞組諧振頻率寬度小于有鐵心繞組時的諧振頻率寬度。

4 結(jié)語

根據(jù)以往VFTO對變壓器餅式繞組絕緣性能影響的研究，本文針對VFTO作用于分段層式繞組絕緣特性進(jìn)行分析。通過實驗對分段層式繞組模型注入VFTO信號，并測試了各單元節(jié)點電壓波形。分析了VFTO信號作用于有鐵心和空心繞組模型時各單元的電位分布規(guī)律和諧振頻率響應(yīng)特性。實驗結(jié)果表明，最大梯度電壓出現(xiàn)在入波端點相鄰的單元附近。有鐵心時，單元的電壓幅值相比于空心時的單元電壓幅值較大，說明鐵心存在時的層間梯度電壓較空心時小，這為分段層式繞組絕緣結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計提供了依據(jù)。鐵心存在時的諧振頻率寬度要比空心時寬，說明空心時VFTO的諧振頻率與分段層式變壓器繞組的固有頻率相匹配概率較小，不容易造成絕緣擊穿。目前，世界上還沒有VFTO脈沖電壓作用于分段層式繞組模型的實驗研究。本文可為VFTO作用于分段層式繞組的絕緣性能的研究提供實驗依據(jù)。

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