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1、课程报告 高电压技术题目:变压器绕组中的波过程及防雷保护学 号 姓名 教 师 日 期 0摘要变压器是利用电磁感应原理来改变交流电压的装置，绕组为变压器的重要组成部分。雷电冲击下变压器绕组的波过程计算对绝缘结构的设计有着重要意义，雷电过电压是绕组的一大威胁，了解雷电波在变压器绕组中的波过程对防雷保护至关重要。本文着力分析了变压器绕组中的波过程，并由此针对性的提出了变压器的防雷保护措施,为变电站雷雨季节可靠运行提供了有力的支撑。为了简化计算过程，常常采用单绕组或双绕组等值电路进行建模，这种方法对于波过程分析有一定的局限性。同时，由于忽略了某些绕组对结果的影响，对绝缘的考核也有一定误差。关键词：变压
2、器，绕组，波过程，等值电路，防雷保护ABSTRACTThe transformer was used the principle of electromagnetic induction to change the AC voltage of the device, Windings were important components of transformers. The calculation of the transformer winding wave process under the lightning impulse had great significance for des
3、igning insulation structure. Lightning over voltage is a great threat to winding, it is essential to understand lightning wave in transformer windings for lightning Protection. The article analyzes the wave process in transformer windings, and made appropriate measures for lightning protection. So,
4、it provided a strong support for reliable operation of substation during thunderstorm season.In order to simplify calculation process, single winding and duplex winding equivalent circuit have always been used to build model. This method has some limitations for analyzing wave process. Meanwhile, as
5、sessment of insulation has certain deviation because of ignoring the influence of the result. Keywords: Transformers, Windings, Wave, process, Lightning protection, equivalent circuit目录 1 变压器绕组中的波过程11.1 单相变压器绕组内的波过程11.2. 三相变压器绕组内的波过程31.3 变压器绕组绝缘的内部保护51.4. 变压器绕组电感参数计算72 变压器防雷保护102.1 电力变压器保护102.2 配电变压
6、器保护143 结论15参考文献151 变压器绕组中的波过程1.1 单相变压器绕组内的波过程由于变压器绕组的结构特点，在冲击电压作用下，电磁祸合尤为复杂。单相变压器绕组等值电路如图l所示1，图1中L为沿绕组高度方向单位长度的电感，C、K分别表示沿绕组高度方向单位长度的对地电容与匝间电容图1 变压器绕组等值电路在冲击电压作用的波前部分等值频率较高,容抗比感抗小得多，故等值电路只包含C、K的电容链,即冲击波作用起始阶段由C、戈决定电位的起始分布；而在冲击波尾部分,等值频率下降，相当于短路，C、K相当于开路，等值电路可视为一直流电阻,即稳态阶段由绕组直流电阻决定其稳态电压分布；由于电感和电容之间能量的
7、转换,使起始阶段向稳态阶段过渡时存在振荡过程。1.1.1 起始电压分布与入口电容经分析可知绕组末端绝缘或末端接地的起始电压分布表达式为 （1-1） 式中 由（1-1）式可知，越大，起始电压分布曲线下降速度越快。 此外，越大，绕组首端附近的压降越大，即绕组首端的电位梯度最大，值为 （1-2） 式（1-2）表明, 在时，绕组首端()的电位梯度比平均值()大倍, 因此, 对绕组首端的绝缘应采取保护措施。 分析变电站防雷保护时，因等值频率很高, 可以忽略电感的影响,变压器可用归算至首端的对地电容来代替，通常叫做人口电容。它的数值为 （1-3）式中C变压器绕组总的对地电容（F）K变压器绕组总的匝间电容（
8、F） 即入口电容为变压器绕组全部对地电容与匝间电容的几何均值。 变压器绕组入口电容与其容量、电压等级和结构等有关。通常变压器绕组入口电容冲可参见表1，对于纠结式绕组,因匝间电容较大，其入口电容比表1的数值大。表1 变压器高压绕组入口电容额定电压/kV35110220330500入口电容/pF5001000100020001500300020005000400050001.1.2 过渡过程中绕组各点最大对地电位包络线 由于沿绕组的起始电压分布与稳态电压分布不同，加之绕组是分布参数的振荡回路，故由初始状态过渡到稳态分布必有一个振荡过程。显然，振荡过程的剧烈程度由绕组电压起始分布和稳态分布的差决定。
9、把记录的各个时刻振荡过程中绕组各点出现的最大电位连成曲线，可得到绕组中各点的最大电位包络 （a）中性点接地 (b) 中性点绝缘图2 最大对地电位包络线1初始电压分布；2稳态电压分布；3最大对地电位包络线4稳态电压与初始电压的差值分布曲线由图2可知：末端接地的绕组中，在绕组首端附近将出现最大电位，其值可达1.4左右;末端不接地的绕组中，在中性点附近将出现最大电位，其值可达1.9左右。但在实际中，由于绕组内存在损耗，最大值将低于上述值。这时绕组的设计与纵绝缘保护是非常重要的参数。1.2. 三相变压器绕组内的波过程三相绕组中波过程的基本规律与单相绕组相同，当变压器高压绕组星形连接且中性点接地时，无论
10、是一相、两相或三相进波,都可以按二个独立绕组波过程分析。当变压器高压侧星形接线且中性点不接地时，设A相进波，如图3所示，由于线路的波阻抗远小于绕组对冲击波的阻抗；故在冲击电压作用下可近似认为B、C两相绕组的线路侧是接地的，可等效为B、C两相绕组并联与A相绕组串联，长度增加一倍。绕组中电压的起始分布与稳态分布如图3(b)所示。稳态电压是按绕组的电阻分布，故中性点O的稳态分布电压为；因而在振荡过程中中性点O的最大对地电位可达。如果两相、三相同时进波，可用叠加法来估算中性点对地电位。显然，中性点最高电位分别可达和。（a）等值接线图 （b）起始及稳态电位分布图3 单相进波时星形接线绕组电位分布图若变压
11、器绕组是三角形接线，任一相进波时, 同样可认为未受冲击的两相线路侧相当于接地，此时与末端接地绕组相同。两相进波和三相进波可以用叠加法处理。图4(b)曲线为三相进波时沿绕组的初始电压分布(曲线l)、稳态电压分布(曲线2)和绕组各点对地最大电位包络线(曲线3)。此时变压器绕组对地最大电位处于中部高达2。三相来波几率比较小, 大致10%,基本15年一遇。 （a）接线图 （b）三相进波电压分布图4 三角形接线三相进波绕组电位分布1.3 变压器绕组绝缘的内部保护由变压器绕组波过程过程分析可知：改善起始电压分布使之接近稳态电压分布，可以降低绕组各点在振荡过程中的最大对地电位和最大电位梯度。通常采用横向或纵
12、向电容补偿来改善绕组起始电压分布的方法。1.3.1横向电容补偿在变压器绕组首端增设电容环或采用屏蔽线匝，利用绕组各点与电容环间的电容藕合向对地电容提供充电电荷，使所有纵向电容上的电荷都相等或接近相等，如图5所示。 图5 电容环补偿对地电容电流是意图1.3.2 纵向电容补偿尽量增大纵向电容的值，以消弱对地电容电流的影响，工程上常采用纠结式绕组，如图6所示。（a） 纠结式绕组电气接线方式 （b） 绕组等值匝间电容结构图图6 纠结式绕组匝间电容分布结构图1.4. 变压器绕组电感参数计算电力变压器在运行过程中，低压部分通常与小电阻负载相连；在做冲击试验时，受冲击绕组的非入波端通常是接地的，其余绕组通常
13、是端部全部接地的。在上述条件下，可以认为在铁心中各次谐波的总匝数等于零，即不存在穿过全部绕组的公共磁通。建立在这点假设的基础上，推导出各种计算电感参数的模型和方法。电感计算时，以确定漏磁通产生的磁感应系数为目的。另外，因为漏磁场不贯穿铁心和绕组，认为漏磁通矢量的大小和路径受频率和电压变化的影响很小，可以忽略不计。所以，低频条件时计算所得的电感参数可以做为高频冲击下等值电路的电感参数。目前，常用的电感计算模型有空心电感计算模型和有限长铁心、考虑铁轭电感计算模型。但是这两种模型都有一定的局限性，本文采用无穷长铁心、无铁轭模型，与空心电感计算模型相比，它不仅适用于大型变压器的计算，而且适用于中小型变
14、压器，它比有限长铁心柱、有铁轭模型具有更好的电感参数矩阵正定性质。采用无限长铁心、无铁轭电感计算模型(因冲击试验时铁心中没有主磁通，故可以忽略铁轭的影响)，用降低铁心导磁率的方式来等效铁心中涡流部分的影响。冲击条件下的铁心磁导率是难以确定的，把铁心对漏磁通矢量的影响用较小的铁心导磁率来代替，即把非线性的铁心导磁率取一个有限值，这种方法是建立在漏磁场意义上的。1.4.1 铁心影响的电感分量计算漏磁场主要分布在空气中，认为漏磁通的大小和路径基本不随频率和电压变化。在高频范围内，当只考虑漏电感时，可以认为铁心的磁导率与电源频率无关。因此，计算电感时可以采用一个不变的磁导率。电感模型的求解包括铁心影响
15、的电感分量和空心电感分量两部分，计算公式由矢量磁位推导确定。通过求解不同铁心相对磁导率下铁心影响的电感分量，可以求得铁心相对磁导率的最佳值。下面针对一台型号为SFP-400MVA/500kV 的三相双绕组无载调压电力变压器进行计算。铁心影响的电感分量的计算， （1-4）式中 ，可取；，分别为第一类零阶、一阶贝塞尔函数和第二类零阶贝塞尔函数；为铁心半径；与 为导线的匝数；i=j 时计算的是自感分量，ij 时计算的是互感分量。1.4.2 有限元法计算线圈电感利用 MagNet 软件对变压器线圈电感进行有限元分析，能够更真实的模拟出实际线圈的磁场分布情况，避免了解析公式等效方法的计算误差。用有限元法
16、对解析公式进行修正后能够得到更准确的波过程计算结果。变压器绕组电感模型如图7所示。图7 变压器绕组电感模型根据变压器绕组的实际结构尺寸，建立油道和线饼的精确三维模型，将线饼设定为简单线圈，并设定每个线圈的匝数，然后建立略大于实际高度的铁心三维模型，远场区域距绕组的距离应为模型尺寸的 45 倍。对所有的线饼，根据绕组结构形式按顺序编号，使得系统识别不同的线饼和位置。模型建模完毕后，进入材料管理器，指定几何模型中所有对象的材料属性，把铁心的非线性磁导率设置为线性，数值设为 60，这样就可以得到铁心对漏电感的影响。设置铁心上下两个端面为垂直边界，模拟无穷长铁心模型。由于线饼和油道的尺寸较小，所以在求
17、解前，对于线饼部分进行手动网格剖分，这样可以得到更精确的计算结果，最后用 extensions 里的 RLC 矩阵求解器进行三维电感求解。依照SFP-400MVA/500kV 三相双绕组无载调压电力变压器的结构数据建立模型，因为是高压中部进线，以高压下半部分为例，进线端第一饼为起点，列出前十个饼与第一饼的互感值，将解析法与有限元法的结果进行对比。从表2中可以看出，解析法计算的结果略小于有限元方法计算的电感值。两种方法的误差，自感小于 2%，互感在 3%6%之间。因此，在编写变压器绕组电感参数公式时，单元线饼的自感乘以 1.02 左右的系数，线饼之间的互感乘以1.031.06大小的系数即可表2
18、电感结果编号电感名称解析法/有限元法/相对误差/%1M1,11154.91177.71.942M1,21087.11146.45.173M1,31052.91101.44.404M1,41022.41071.54.585M1,51003.21038.83.426M1,6981.11051.93.437M1,71023.51073.74.688M1,81021.71053.53.029M1,9998.81030.93.1110M1,10976.91013.93.652 变压器防雷保护2.1 电力变压器保护当雷电波侵人变压器时，会对变压器绕组主绝缘、匝间绝缘和中性点绝缘构成威胁,依据变压器的结构的
19、不同，采取保护的方式也不同。2.1.1 三绕组变压器保护当雷电波由变压器高压侧入侵时，通过绕组间静电、电磁耦合，在低压侧绕组也将出现过电压。三绕组变压器在正常运行时，可能有高、中压绕组运行，低压绕组开路的情况。此时，若线路有入侵雷电波作用在高压侧或中压侧时，由于低压绕组的对地电容很小，开路的低压绕组上的静电藕合分量可能达到很高的数值，危及低压绕组的安全。限制这种过电压，只要在每一相低压绕组出线端对地加装一台避雷器即可。如果低压绕组连接有25m及以上的金属外皮电缆时，则相应的增加了低压侧的对地电容，限制了过电压，此时低压侧可不装避雷器。三绕组变压器中压绕组相对来说，绝缘水平比低压绕组要高，当其开
20、路运行时，一般静电藕合分量不会损坏中压绕组，没有特殊情况，不必加装上述要求的避雷器。双绕组变压器在正常运行时，高压与低压侧断路器都是闭合的，两侧都有避雷器。2.1.2 自耦变压器保护自耦变压器一般除有高、中压自耦绕组外，还带有三角形接线的低压绕组，以减少零序电抗和改善波形。因此，它有可能只有两个绕组运行而另一个绕组开断的情况。当高压端线路袭来雷电侵入波时，设端电压为U0，其初始和稳态分布及最大电位包络线都和中性点接地的绕组相同，如图7(a)所示，在开路的中压端上可能出现的最大电位为高压侧电压的(为高压侧与中压侧绕组的变比),这样可能造成开路的中压端套管闪络。因此在中压端与断路器之间应装设一组避
21、雷器，以便在中压端断路器开路时，保护中压端绕组的绝缘。当高压侧开路，中压侧有一雷电波侵入时，初始和稳态分布如图7(b)所示，由中压端到开路的高压端A的稳态分布，是由中压端到中性点O稳态分布的电磁感应形成的，高压端稳态电压为。在振荡过程中，A端的电位可达2，这将危及开路的高压绕组。因此，在高压侧与断路器之间也应装一组避雷器。当中压侧有出线(相当于经线路波阻抗接地)，高压侧有雷电波人侵时，雷电波电压将大部分加在绕组上，可能使绕组损坏。同样，中压侧进波，高压侧有出线时，情况与上述类似。这种情况，显然绕组越短(即变比越小)时，越危险。为此, 当变比小于1.25时,在之间应装设一组避雷器。 （a）高压端
22、A进波 （b）中压端A进波图7 自耦变压器电位分布1初始电压分布；2稳态电压分布；3最大电位包络线自耦变压器的防雷接线如图8(a)，也可以采用图8(b)所示的避雷器保护方式。与8(a)相比，它可以节省避雷器原件，但引线比较麻烦，还需验算自桐绕组任一侧接地短路条件下，避雷器所承受的最高工频电压不应超过其灭弧电压。 （a）一般避雷器配置 （b）自耦避雷器配置图8 自耦变压器避雷器保护装置2.1.3 变压器中性点保护在中性点直接接地的系统中，为了减少单相接地的短路电流，有部分变压器的中性点采取不接地运行。此时，变压器的中性点需要保护。110kV以下电力网，中性点是非直接接地的。中性点雷害较少，一般不
23、需保护。对于中性点非直接接地的个别110kV的电网，变压器中性点是全绝缘的；此时由于线路上装有避雷线而线路的绝缘较高，中性点也不需要保护。表2 避雷器典型配置（变压器中性点非直接接地电网中）额定电压35kV66kV110kV避雷器型号Y1.5W-60/144Y1.5W-72/186Y1.5W-60/144Y1.5W-72/186Y1.5W-144/320但在多雷区单路进线的中性点非直接接地的35-110kV变电站，宜在中性点加装避雷器保护。装有消弧线圈的变压器且有单路进线的可能性时，也应在中性点上加装避雷器，并且后者在非雷雨季节也不许退出运行，以限制操作过电压。所有这些避雷器的额定电压都可按线
24、电压选择，至少不应低于相电压，具体按表选用。110kV及以上电网，电网中性点一般是直接接地的，但为了限制单相短路电流并满足继电保护需要, 部分变压器中性点是不接地的，如果中性点是半绝缘的，就要进行保护。这是因为对于中性点不接地的变压器，当雷电波从线路侵入变电站到达变压器中性点时，对于三相同时进波，雷电波在中性点全反射，产生近2倍入射波过电压，幅值很高，将危及变压器中性点绝缘。这种情况虽属少见，但在单台变压器的变电站中，如果变压器中性点绝缘损坏，损失惨重，故需在中性点加装一个与首端有同等电压等级的避雷器。避雷器选择方法是，灭弧电压高于单相接地时中性点电位升高，残压低于中性点冲击耐压值。为可靠灭弧
25、，中性点避雷器至少采用灭弧电压为35%（位系统最高运行线电压）的避雷器，一般用40%避雷器。对于220kV变压器的半绝缘中性点，则用Y1.5W96/260避雷器保护即可。变压器中性点使用金属氧化锌避雷器保护时，应符合下列要求：（1）避雷器的持续运行电压和额定应不低于DL/T6201997标准。（2）避雷器能承受所在系统的暂时过电压和操作过电压能量。110-220kV系统中部分变压器中性点不接地，只需在部分变压器中性点上加装对地的间隙，其间隙距离的选择应保证只在内部过电压下动作，而在雷电过电压时不动作。500kV变压器的中性点直接接地或经小电抗接地，其绝缘水平为35kV级，并用相应等级的避雷器保
26、护。2.2 配电变压器保护配电线路绝缘水平低，直击雷常使线路绝缘闪络，但大部分雷电流流人大地，限制了侵人波以及通过避雷器的雷电流幅值；加之避雷器与变压器靠的很近，两者之间电位差很小，因此可以不设进线保护。考虑变压器的正反变换过电压，在高低压侧应安装避雷器，保护接线如图9所示，避雷器的接地线应与变压器金属外壳，以及低压侧中性点连在一起三点联合接地，降低高压绕组上的电压。图9 配电变压器的保护接线3 结论本文详细分析了变压器绕组中的波过程，并针对雷电波在变压器绕组的规律及发展过程，提出了具体的变压器防雷保护措施。此对变电站变压器的防雷保护具有一定的指导意义。参考文献1 曾令全，等. 电机学. 北京
27、：中国电力出版社，2007.2 张一尘，等. 高电压技术，2版. 北京：中国电力出版社，2007.3 杨方衡. 变压器绕组波过程计算中冲击电压函数的确定. 变压器，1983(12).53-58.4 韩波. 电力变压器绕组波过程分析及部分纵绝缘优化，哈尔滨：哈尔滨理工大学，2011.5 李洪涛. 500kV变电站雷电侵人波保护研究. 重庆：重庆大学,2006.6 GB/11032-20，交流无间隙金属氧化物避雷器.7 张保会，尹项根. 电力系统继电保护. 北京：中国电力出版社，2004.8 DL/T620-1997，交流电气装置的过电压保护和绝缘配合.9 林耀洲，陈秀娟，等. 110kV、220kV不接地运行变压器中性点保护方式. 电网技术，2012(4): 256-259.10 王伟平，刘源，等. 配电变压器的防雷保护. 电瓷避雷器，2010(5): 70-75.11 李众祥. 变压器线圈冲击分布测量的研究：(硕士学位论文). 保定：华北电力大学，2001.12 阳冠欧，刘志刚等. 波过程中单相变压器分布电感参数的计算.电力机车技术，1994(4)：5-9.