基于IEC60060-3標(biāo)準(zhǔn)的變壓器感應(yīng)式操作沖擊電壓產(chǎn)生方法研究

梁建鋒，李軍浩，侯欣宇，吳旭濤，王國利，李彥明

(1．西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西西安710049; 2．寧夏電力公司電力科學(xué)研究院，寧夏銀川750002; 3．特高壓工程技術(shù)(昆明、廣州)國家工程實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510080)

基于IEC60060-3標(biāo)準(zhǔn)的變壓器感應(yīng)式操作沖擊電壓產(chǎn)生方法研究

梁建鋒1，李軍浩1，侯欣宇1，吳旭濤2，王國利3，李彥明1

(1．西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西西安710049; 2．寧夏電力公司電力科學(xué)研究院，寧夏銀川750002; 3．特高壓工程技術(shù)(昆明、廣州)國家工程實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510080)

以IEC60060-3標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，針對(duì)變壓器感應(yīng)式振蕩型操作沖擊電壓的產(chǎn)生方法進(jìn)行研究。在理論上分析了用變壓器產(chǎn)生振蕩型操作沖擊電壓的產(chǎn)生方法，列出了回路中元件參數(shù)的計(jì)算公式。根據(jù)公式計(jì)算的波頭時(shí)間、波尾時(shí)間和頻率值得到元件參數(shù)，計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明所產(chǎn)生的波形符合IEC60060-3標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，且計(jì)算公式能夠準(zhǔn)確地反映回路元件參數(shù)值與波形參數(shù)之間的關(guān)系。在仿真的基礎(chǔ)上，在實(shí)驗(yàn)室采用哈弗萊RSG481沖擊電壓發(fā)生器對(duì)一臺(tái)單相雙繞組110kV變壓器低壓側(cè)進(jìn)行輸入，在其高壓側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)式振蕩型操作沖擊電壓，試驗(yàn)結(jié)果表明采用該方法可方便迅速、高效地在被試變壓器高壓側(cè)產(chǎn)生符合IEC60060-3標(biāo)準(zhǔn)的振蕩型操作沖擊電壓。

IEC60060-3;振蕩型操作沖擊電壓;變壓器

1 引言

隨著我國電網(wǎng)電壓等級(jí)的提高，設(shè)備現(xiàn)場僅僅進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn)已經(jīng)不能滿足電力設(shè)備的安全需要，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)還建議對(duì)高電壓等級(jí)設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場沖擊耐壓試驗(yàn)特別是操作沖擊耐壓試驗(yàn)［1］。對(duì)于電力變壓器，常采用基于MARX回路的操作沖擊產(chǎn)生方法，但該種方法對(duì)沖擊電壓產(chǎn)生設(shè)備要求較高，所需設(shè)備體積龐大，安裝復(fù)雜，不具備現(xiàn)場實(shí)用性。此外還可采用感應(yīng)式操作波試驗(yàn)方法，即采用已充電的電容器向被試變壓器低壓繞組放電，在其高壓繞組上感應(yīng)出符合要求的操作波電壓，利用該電壓波形進(jìn)行變壓器高壓側(cè)絕緣的考核。這種方法所需設(shè)備體積小，操作簡單，現(xiàn)場適用性強(qiáng)。常規(guī)的變壓器感應(yīng)式操作波試驗(yàn)方法早在1964年就由美國GE公司提出，20世紀(jì)80年代國內(nèi)也進(jìn)行了大量的相關(guān)研究和現(xiàn)場試驗(yàn)［2-10］，其采用的波形主要是雙指數(shù)全波，如圖1所示。

圖1 常規(guī)感應(yīng)式操作波試驗(yàn)波形Fig．1 Conventional inductive switching impulse

該種試驗(yàn)方法主要是在電壓等級(jí)較低的變壓器上使用，其主要目的是為了代替工頻耐壓試驗(yàn)進(jìn)行變壓器縱絕緣的考核。針對(duì)電力設(shè)備的現(xiàn)場沖擊耐壓試驗(yàn)，IEC于2006年推出了IEC60060-3標(biāo)準(zhǔn)［11］，我國也于2010年等效采用了該標(biāo)準(zhǔn)［12］，該標(biāo)準(zhǔn)推薦在現(xiàn)場采用振蕩型操作沖擊電壓作為現(xiàn)場操作沖擊耐壓的試驗(yàn)波形。振蕩型沖擊波形產(chǎn)生效率高、適合現(xiàn)場使用、接近設(shè)備實(shí)際作用波形又便于和實(shí)驗(yàn)室結(jié)果相比對(duì)［13］，由于其具有振蕩特性，更容易激發(fā)介質(zhì)產(chǎn)生局部放電，因此對(duì)絕緣的考核也更為嚴(yán)格，由于具有以上優(yōu)點(diǎn)，IEC推薦在設(shè)備交接及大修后在現(xiàn)場進(jìn)行沖擊耐壓試驗(yàn)時(shí)采用振蕩型沖擊電壓波形。

目前以IEC60060-3標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)的振蕩型操作沖擊電壓波形的產(chǎn)生方法多采用基于MARX回路的直接產(chǎn)生方法，以變壓器為試品條件下的感應(yīng)式產(chǎn)生方法還未進(jìn)行研究，本文針對(duì)變壓器感應(yīng)式振蕩型操作沖擊電壓的產(chǎn)生方法，基于IEC60060-3標(biāo)準(zhǔn)，通過數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了研究。

2 振蕩型操作沖擊電壓波形

按照IEC60060-3標(biāo)準(zhǔn)，振蕩型沖擊電壓定義為“電壓迅速上升到峰值，然后伴隨著一定頻率范圍的阻尼振蕩降低至零，其特性可用包絡(luò)線(波形特性)和振蕩頻率(振蕩特性)所描述”［11］。對(duì)于振蕩型操作沖擊電壓，其振蕩頻率為1～15kHz，峰值時(shí)間Tp為20～400μs，半峰時(shí)間T2為1000～4000μs，典型振蕩型操作沖擊波形如圖2所示，其波前、波長時(shí)間由包絡(luò)線決定，與雙指數(shù)沖擊電壓波相同。

圖2 振蕩型操作沖擊電壓波形Fig．2 Oscillating switching impulse voltage

3 變壓器感應(yīng)式振蕩型操作沖擊電壓產(chǎn)生方法的計(jì)算及仿真

3.1 基本原理與等值回路分析

變壓器感應(yīng)式操作沖擊電壓產(chǎn)生的基本原理為采用電容器對(duì)變壓器低壓側(cè)放電來產(chǎn)生沖擊，如圖3所示，電容器C先直流充電至一定值U1，然后通過球間隙的擊穿，使電容向變壓器低壓側(cè)繞組放電，在變壓器的高壓側(cè)產(chǎn)生振蕩操作沖擊電壓波形［14］。在圖3中波頭電阻Rf、波尾電阻Rt和調(diào)波電感La是用來調(diào)整振蕩操作沖擊電壓波形參數(shù)，以滿足IEC60060-3標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 變壓器等效電路圖Fig．3 Equivalent circuit diagram of transformer

例如一臺(tái)450kVA，10kV/750kV變壓器，其等效電路如圖 3所示。圖中，L2=1.1mH，L1= 1.3mH，分別為變壓器低壓側(cè)和高壓側(cè)的漏電感;R1=0.07086Ω，R2=0.07122Ω，分別為變壓器低壓側(cè)和高壓側(cè)的線圈電阻;R0=55Ω，L0=884.64mH，分別為變壓器的勵(lì)磁電阻和勵(lì)磁電感;C2=1.5μF，為變壓器、套管和測量儀器的等效電容。上述所有數(shù)值均已等效歸算到變壓器的低壓側(cè)。

圖3中，R1和R2因數(shù)值較小，為計(jì)算方便，可將其忽略以簡化回路，如圖4所示。

圖4 變壓器等效簡化回路Fig．4 Simplified equivalent circuit diagram of transformer

從圖4的電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，該電路存在著一個(gè)高頻振蕩分量和一個(gè)低頻振蕩分量［15］。主電容C1通過La、L1和L2向電容C2放電，構(gòu)成高頻振蕩回路，電容C1和C2共同向數(shù)值較大的勵(lì)磁電感L0和Rt放電，構(gòu)成低頻振蕩回路。如圖5所示，其中L =La+L1+L2。

根據(jù)圖5所示等效電路可知高頻振蕩頻率fe為

低頻振蕩頻率fg為

圖5 高頻和低頻振蕩等效電路圖Fig．5 Equivalent circuit diagram of high-frequency and low-frequency oscillations

取主電容為10倍的負(fù)載電容，則C1=15μF。將C1、C2和L0代入式(2)可求得低頻振蕩頻率為41.7Hz，其對(duì)應(yīng)的半周期值12ms，遠(yuǎn)大于振蕩型操作波的波尾上限值4ms。由于低頻振蕩分量波形幅值低，而所需要的是幅值高的高頻振蕩分量，所以在計(jì)算調(diào)波電阻和調(diào)波電感時(shí)，可以忽略低頻振蕩分量的影響。低頻振蕩分量持續(xù)時(shí)間由波尾電阻Rt決定，由于變壓器本身的勵(lì)磁電抗已經(jīng)很大，所以實(shí)際中可不接波尾電阻。

如圖5所示的簡化電路，其電路方程是一個(gè)三階微分方程，其時(shí)域解析表達(dá)式比較復(fù)雜，不利于快速地計(jì)算出波頭電阻Rf、波尾電阻Rt和調(diào)波電感La，所以采用近似計(jì)算公式和電路仿真相結(jié)合的方法來確定。則根據(jù)等值電路可得電路各參數(shù)的計(jì)算公式如下:

(1)調(diào)波電感La

振蕩波的波頭時(shí)間為:

其中，α=L0/(L0+La);C=C1C2/(C1+C2)。

根據(jù)式(3)則得出調(diào)波電感為［16］:

(2)波頭電阻Rf

假如電路中沒有波頭電阻Rf，則此時(shí)振蕩波的效率:

又高頻振蕩分量的衰減系數(shù)為:

低頻振蕩分量的頻率近似為

高頻振蕩分量的包絡(luò)線可近似表示為:

將式(9)中的e－δTf近似等于1，求解方程，則可近似得出波頭電阻Rf的值。

3.2 波形仿真與結(jié)果分析

假定主電容充電電壓為1，以3.1節(jié)所述變壓器為例仿真250μs/2500μs的振蕩型操作沖擊波。且根據(jù)式(4)、式(9)算出調(diào)波電感La=2.3mH，波頭電阻Rf=5.9286Ω。波尾電阻Rt可以減小低頻分量的持續(xù)時(shí)間，進(jìn)而減小高頻振蕩分量的波尾時(shí)間，由于勵(lì)磁電抗本身很大，則可不接波尾電阻，由勵(lì)磁阻抗本身代替波尾電阻。

仿真得到波形如圖6和圖7所示，可知該電壓波由一個(gè)具有高頻振蕩頻率fe的高頻分量和一個(gè)具有低頻振蕩頻率fg的低頻分量疊加而成。

圖6 負(fù)載電容上的總電壓波形Fig．6 Voltage waveform on load capacitance

圖7 負(fù)載電容上的高頻振蕩電壓波形Fig．7 High-frequency oscillating voltage waveform on load capacitance

圖6波形的頻譜如圖8所示。

圖8 負(fù)載電容上電壓的頻譜Fig．8 Frequency spectrum of voltage on load capacitance

由圖6可知，仿真所得的振蕩型操作波波前時(shí)間為242μs，偏差為3.2%，波尾時(shí)間為2740μs，偏差為 9.6%。且電壓最大值為 1.68V，即 η= 1.68，乘以變比k=75變換到高壓側(cè)，可得回路效率為126倍。由圖8可知該波形高頻部分振蕩頻率為2kHz，符合IEC60060-3標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于振蕩型操作波的規(guī)定。

4 變壓器感應(yīng)式振蕩型沖擊電壓的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

利用實(shí)驗(yàn)室的一臺(tái)110kV變壓器進(jìn)行了變壓器感應(yīng)式振蕩型沖擊電壓的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。要求輸出沖擊電壓的波形參數(shù)為200μs/2000μs，2.5kHz的振蕩型操作沖擊波。

變壓器低壓繞組的輸入電壓采用哈弗萊RSG481沖擊發(fā)生器［17］，其主電容、波前電阻、波尾電阻和調(diào)波電感有多重選擇，也可外接。勵(lì)磁損耗對(duì)輸出波形影響不大，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算勵(lì)磁電阻R0=160Ω。調(diào)波電感La和波前電阻Rf可由式(4)、式(9)算出，波尾電阻由變壓器的勵(lì)磁阻抗充當(dāng)。波頭電阻的計(jì)算值比調(diào)波電感自身的電阻小很多，因此用調(diào)波電感自身電阻作為波頭電阻的仿真值。變壓器等值電路參數(shù)和哈弗萊RSG481沖擊發(fā)生器參數(shù)如表1所示。

試驗(yàn)電路如圖 3所示，輸入電壓為 200V，RSG481輸出電壓端則連接變壓器的低壓端，變壓器高壓端接1000∶1的電容分壓器，最后接入示波器觀察波形。

此時(shí)仿真得到波形如圖9所示，波形幅值為換算到高壓側(cè)時(shí)的幅值。試驗(yàn)測得波形如圖10所示。仿真和試驗(yàn)所得波形參數(shù)對(duì)比如表2所示。

表1 變壓器等值電路和沖擊發(fā)生器參數(shù)Tab．1 Parameters of transformer and impulse generator

圖9 仿真波形Fig．9 Simulation waveform

圖10 變壓器高壓側(cè)波形Fig．10 Impulse on transformer secondary side

由表2可以看出，實(shí)測波形與仿真波形的波頭時(shí)間吻合較好，說明根據(jù)公式得到的調(diào)波電感和波頭電阻的選擇是合理的。而波尾時(shí)間則差別較大，主要原因在于變壓器的勵(lì)磁電感是通過銘牌近似計(jì)算得到，實(shí)際的勵(lì)磁電感大于計(jì)算得到的值，導(dǎo)致實(shí)際產(chǎn)生的波形波尾時(shí)間較大，但總的來說仿真和實(shí)際產(chǎn)生的波形參數(shù)均在IEC60060-3的允許范圍內(nèi)。

表2 仿真與實(shí)測波形參數(shù)對(duì)比Tab．2 Parameters comparison of simulation and measured waveforms

5 結(jié)論

(1)根據(jù)IEC60060-3標(biāo)準(zhǔn)，研究了變壓器感應(yīng)式振蕩型操作沖擊電壓的產(chǎn)生方法，給出了波形振蕩頻率及回路參數(shù)的計(jì)算公式，仿真結(jié)果表明計(jì)算公式能夠準(zhǔn)確地反映回路元件參數(shù)值與波形參數(shù)之間的關(guān)系。

(2)在實(shí)驗(yàn)室中利用低幅值沖擊電壓發(fā)生器和一臺(tái)110kV變壓器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，結(jié)果表明通過調(diào)節(jié)回路的主電容、調(diào)波電感和波前電阻，可方便迅速高效地在被試變壓器高壓側(cè)產(chǎn)生符合IEC60060-3標(biāo)準(zhǔn)的振蕩型操作沖擊電壓。

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關(guān)于《電工電能新技術(shù)》變更為月刊的重要啟事

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《電工電能新技術(shù)》編輯部

Study of transformer inductive oscillating switching impulse voltage generation method based on IEC60060-3 standard

LIANG Jian-feng1，LI Jun-hao1，HOU Xin-yu1，WU Xu-tao2，WANG Guo-li3，LI Yan-ming1
(1．School of Electrical Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China; 2．Electric Power Research Institute of Ningxia Grid Corporation，Yinchuan 750002，China; 3．National Engineering Laboratory for Ultra High Voltage Engineering Technology(Kunming，Guangzhou)，Guangzhou 510080，China)

The generation method of the transformer inductive oscillating switching impulse voltage based on the IEC60060-3 standard is investigated in this paper．The circuit of the oscillating switching impulse voltage generated through transformer induction is analyzed in theory and the formulas of generation circuit parameters are presented．The generation circuit parameters can be evaluated by the time to peak，time to half-value and oscillating frequency of the oscillating switching impulse voltage waveform．The computer simulation results show that the generated waveforms meet the requirements of IEC60060-3 standard，and the formulas can accurately calculate generation circuit parameters by the oscillating switching impulse voltage waveform parameters．The experimental researches are carried out in an 110kV power transformer with a single phase and two windings by the Haefely RSG 481，and the experimental results reveal that the high voltage terminal of the power transformer can effectively generate the oscillating switching impulse voltage which satisfies the requirements of IEC60060-3 standard by the Haefely RSG 481 input to the low voltage terminal of the power transformer．

IEC60060-3;oscillating switching impulse voltage;power transformer

TM855

A

1003-3076(2014)06-0075-06

2013-03-09

國家自然科學(xué)基金(51207124)、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)、特高壓工程技術(shù)(昆明、廣州)國家工程實(shí)驗(yàn)室開放基金、電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中青年基礎(chǔ)研究創(chuàng)新基金(EIPE13309)資助項(xiàng)目

梁建鋒(1980-)，男，陜西籍，博士研究生，主要從事變壓器沖擊電壓試驗(yàn)及局部放電測量方面的研究;李軍浩(1980-)，男，河南籍，副教授，從事電力設(shè)備在線監(jiān)測、故障診斷與狀態(tài)評(píng)估，電力設(shè)備新型試驗(yàn)技術(shù)等方向的研究。