干式變壓器線圈中沖擊過(guò)電壓的分析和改善

廖虹煒

（順特電氣設(shè)備有限公司，廣東佛山 528300）

0 引言

變壓器的過(guò)電壓主要分為操作過(guò)電壓和大氣過(guò)電壓，變壓器運(yùn)行時(shí)，輸電線路遭受雷擊或雷云放電時(shí)，電磁場(chǎng)的劇烈變化所引起的過(guò)電壓稱為大氣過(guò)電壓。操作過(guò)電壓一般為額定電壓的3～5倍，而大氣過(guò)電壓，可達(dá)額定過(guò)電壓的8～12倍，且在繞組中分布極不均勻，進(jìn)出線端部的部分線匝承受的電壓很高。過(guò)電壓在變壓器中對(duì)絕緣的破壞主要有兩種情況，一個(gè)是繞組和其他部件間的絕緣；一個(gè)是繞組內(nèi)匝間和段間的絕緣擊穿。

如何加強(qiáng)和改善變壓器線圈在沖擊電壓作用下的絕緣強(qiáng)度是考核變壓器性能的重要指標(biāo)。

1 雷電沖擊電壓下的電路模型

變壓器線圈中雷電沖擊電壓下的波過(guò)程，主要是由于線圈內(nèi)過(guò)電壓的自由震蕩過(guò)程和線圈之間的靜電電磁感應(yīng)過(guò)程所引起的[1，3]。由于雷電沖擊試驗(yàn)電壓波頭部分的電壓上升速度極快，其傅立葉分解為一系列頻率很高的正弦波，因此，雷電沖擊電壓下線圈中的起始電位分布主要是由雜散電容決定的。為建立合適的波過(guò)程分析的電路模型，將變壓器繞組細(xì)分成若干段。每一段用集中參數(shù)的電容來(lái)表示。其中：CS為縱向等值電容，是由匝間電容等值計(jì)算的；CP是層間電容的等值電容；C0為對(duì)地電容。在忽略電感，電阻的情況下，圖1給出了一個(gè)4線段、單線筒、每線段5層線圈的等值電路圖，見(jiàn)圖1雷電沖擊電壓下電位分布計(jì)算的等值電路。

圖1 雷電沖擊電壓下電位分布計(jì)算的等值電路圖

為了直觀的理解理論分析的結(jié)果，也可以簡(jiǎn)化成類似于絕緣子鏈的等值電路來(lái)表示線圈，其中：Ck是圖1中CS和CP的等值電容；C0為對(duì)地電容，見(jiàn)圖2[2]。

圖2 簡(jiǎn)化的等值電路圖

2 雷電沖擊電壓下的起始電位分布

對(duì)應(yīng)雷電沖擊電壓下的起始電位分布，根據(jù)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，雷電沖擊電壓下線圈中的起始電位分布可以近似用下式來(lái)表達(dá)：

式（1）中：U0——入射波電壓幅值；x——繞組上任意一點(diǎn)到入波端的長(zhǎng)度

由公式（1）可見(jiàn)，α值越大，表示Co的分流作用越大，起始電位分布越不均勻；不同的α值對(duì)應(yīng)的起始電位分布曲線見(jiàn)圖3，其中，曲線1為穩(wěn)態(tài)分布亦即理想的起始電位分布曲線，曲線2和曲線3為模擬實(shí)際分布的曲線。

圖3 不同的α值對(duì)應(yīng)的起始電位分布曲線

由公式（1）也可以導(dǎo)出，起始電位分布的電位梯度在首端最大，這就使首端不僅主絕緣上，尤其是縱絕緣上承受了較高的電壓，因此，高電壓等級(jí)的高壓繞組中首端絕緣必須加強(qiáng)。

圖4是用計(jì)算軟件模擬的某產(chǎn)品沖擊全波試驗(yàn)0.5～2.5 s的電位梯度曲線。

圖4 沖擊全波試驗(yàn)0.5～2.5 s的電位梯度曲線

對(duì)雷電沖擊電壓下的起始電位分布計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析：

（1）從計(jì)算結(jié)果看，高壓繞組的首端（進(jìn)波端）承受了最大電壓并靠近首端的幾匝間出現(xiàn)最大的電壓梯度;

（2）一般來(lái)說(shuō)，提高繞組的沖擊強(qiáng)度，就是盡量使起始電位分布與最終電位分布接近。為此，必須降低繞組的沖擊系數(shù)α，即減小繞組的對(duì)地電容和增大繞組的縱向電容。

3 應(yīng)對(duì)措施

為了防止變壓器線圈絕緣在過(guò)電壓，主要是雷電過(guò)電壓時(shí)被擊穿，必須針對(duì)過(guò)電壓的特點(diǎn)，采取相應(yīng)的保護(hù)措施，目前主要采用的措施如下。

（1）合理布局

變壓器線圈內(nèi)的絕緣主要包括匝間絕緣、層間絕緣和段間絕緣，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮各種電壓及其梯度在絕緣上的分布，對(duì)應(yīng)高壓線圈，采取合理的布置方式，改善電場(chǎng)的分布，避免局部場(chǎng)強(qiáng)過(guò)高。對(duì)應(yīng)低壓線圈，首尾匝采用平行繞制，減少螺旋角引起的安匝不平衡，提高變壓器的抗沖擊能力。

（2）加強(qiáng)絕緣

針對(duì)雷電沖擊過(guò)電壓的特點(diǎn)，起始電壓不均勻且會(huì)出現(xiàn)較高的匝間電壓。除了加強(qiáng)干式變壓器高壓線圈對(duì)地絕緣外，對(duì)于線圈內(nèi)部，還要加強(qiáng)首端和末端部分線匝的絕緣。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)于電壓等級(jí)≥15 kV的干式變壓器高壓繞組，首端（進(jìn)波端）引出線所在的線段的最后一層減少相應(yīng)的匝數(shù)（相對(duì)于上一層減少的匝數(shù)視具體情況而定），且最后幾匝，用Nomex紙410半繞或2/3疊包繞，以加強(qiáng)其匝間及層間絕緣。

（3）增大匝間電容

加強(qiáng)匝間及層間絕緣的做法，在增大了匝間電壓梯度的同時(shí)，也減少了匝間電容。而匝間電容相對(duì)于對(duì)地電容越大，則電壓的起始分布越均勻，電壓也梯度越小，所以對(duì)于35 kV電壓等級(jí)的干式變壓器多線筒高壓繞組，可以合理的加大最外面一個(gè)線筒的端絕緣尺寸。

最外面一個(gè)線筒中，首層匝數(shù)多的線段優(yōu)先布置于靠近端部，也可以選擇兩段串聯(lián)以后在與里面的線段聯(lián)結(jié)，以增大風(fēng)道間電容。

（4）其他措施

在干式變壓器的高壓側(cè)加裝金屬氧化物避雷器，也是目前變壓器等設(shè)備應(yīng)對(duì)雷擊影響，保護(hù)變壓器安全運(yùn)行的常見(jiàn)的有效措施。當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí)，浸入的操作過(guò)電壓會(huì)使得避雷器動(dòng)作，過(guò)電壓波對(duì)地導(dǎo)通，不會(huì)浸入變壓器內(nèi)部，從而有效保護(hù)了變壓器。

對(duì)一些電力設(shè)備還可以采取安裝避雷針、架設(shè)避雷線的措施

4 結(jié)束語(yǔ)

干式變壓器在正常運(yùn)行時(shí)要承受各種過(guò)電壓的作用。這些過(guò)電壓對(duì)變壓器的絕緣具有很大的危害，甚至?xí)沟媒^緣擊穿。實(shí)踐表明，在導(dǎo)致變壓器損壞的各種過(guò)電壓中，雷擊所占的比重很大。所以研究雷擊沖擊波過(guò)電壓對(duì)變壓器繞組的破壞作用，計(jì)算出可能出現(xiàn)的過(guò)電壓的幅值和發(fā)生的位置，尋找合理的繞組內(nèi)部保護(hù)措施，將有利于我們對(duì)變壓器的繞組結(jié)構(gòu)進(jìn)行更加合理的設(shè)計(jì)，從而設(shè)計(jì)出更加經(jīng)濟(jì)、安全的變壓器，以確保變壓器的安全運(yùn)行。

［1］崔立君.特種變壓器理論與原理［M］.北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1994.

［2］尹克寧.變壓器設(shè)計(jì)原理［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2003.

［3］張嘉祥.變壓器線圈的波過(guò)程［M］.北京：水利電力出版社，1982.