大型電力變壓器繞組縱絕緣波過程計算分析

劉興會，江龍華，張 鍇，劉興婷，陳 健，王海文

(1.華北電力大學，河北保定 071003;2.安徽池州供電公司，安徽池州 247000;3.首都航天機械公司 ，北京 100076)

大型電力變壓器繞組縱絕緣波過程計算分析

劉興會1，江龍華2，張 鍇3，劉興婷3，陳 健1，王海文1

(1.華北電力大學，河北保定 071003;2.安徽池州供電公司，安徽池州 247000;3.首都航天機械公司 ，北京 100076)

闡述了電力變壓器縱絕緣結構設計過程中繞組波過程計算簡化等效電路模型及其計算方法，基于Matlab編寫了繞組波過程計算程序，通過實例計算得到了變壓器繞組電位及其梯度分布，將其同一種特殊移相變壓器繞組波過程實驗計算結果對比，電位梯度分布數據基本一致，由此證實該方法可行。

變壓器繞組;縱絕緣;波過程;電位及梯度分布;Matlab

0 引言

變壓器縱絕緣計算主要是計算變壓器線圈在沖擊電壓作用下的絕緣強度，一直以來，該計算已成為變壓器制造廠家和使用部門最關注和重視的問題［1－2］。變壓器繞組波過程的計算分析對合理確定變壓器縱絕緣結構及防雷保護等措施有重要意義［3－4］。因此，為了分析變壓器繞組縱絕緣電場，本文在電力變壓器縱絕緣結構設計中提出了繞組波過程計算簡化等效電路模型及其計算方法，分析了變壓器在沖擊波作用下線圈內波過程中線圈各點對地電位，通過電力變壓器繞組波過程計算得到了變壓器繞組電位及其梯度分布情況。

1 變壓器繞組縱絕緣波過程等值電路求解

變壓器線圈在沖擊電壓作用下為分布參數電路，其中的電感、電容和電阻都是分布參數。線圈在雷電波作用下的起始電壓分布或沖擊電壓分布的計算，應是分布參數的求解問題［5］。變壓器線圈在沖擊波開始作用的瞬間，相當于極高頻率的電壓波作用在繞組上，由于繞組電阻與感抗和容抗之比很小，可忽略，因此繞組波過程就可以簡化為由電感和電容構成的網絡。波過程計算中變壓器單繞組的等效電路如圖1所示。在圖1中，L1、L2…LN－1為繞組各個計算單元的自感和互感;C1、C2…CN－1為繞組各個計算單元的串聯電容;Cg1、Cg2…CgN－1為繞組各個計算單元的對地電容。

圖1 變壓器單繞組等效電路圖

下部網孔的方程表達式為

將式(1)代入式(2)，整理得二階微分方程為

代入式(4)，得

2 電力變壓器繞組波過程計算

以1臺SFPSZ10－120000/220電力變壓器為例計算繞組波過程(只給出了額定分接下高壓繞組的計算)。該變壓器的主要技術參數為額定容量為120 000/120 000/120 000 kVA;額定電壓為(2 308×1.25%)/36.75/10.5 kV;額定頻率為50 Hz;聯結組標號為Ynyn0－d。

在變壓器縱絕緣的波過程仿真計算中，由于最大分接、最小分接、額定分接時的計算相似，上、下半柱又有一定的對稱性，所以只列出額定分接時上半柱的部分結果，如表1、表2所示。

采用的變壓器計算模型是1臺120 MVA/220 kV的三相雙繞組調壓變壓器，其高壓繞組有96個線餅，上、下半柱各有48個線餅、47個油道;低壓繞組有94個線餅，高壓線圈為中部出線，繞組上半柱和下半柱電位和電位梯度都具有對稱性，這一點也可以從計算結果的數據中得到證明。將計算結果用曲線表示，可得到高、低壓繞組的電位和梯度分布曲線，如圖2和圖3所示。

表1 高壓繞組上半柱電位分布(額定分接) %

圖2和圖3分布給出了高壓繞組上半柱在全波和截波作用下各線餅的電位分布情況，電位分布基本均勻，由首端向末端逐漸降低，末端電位為零，在截波作用下局部出現震蕩。

表2 高壓繞組上半柱梯度電壓峰值(額定分接) %

從表1、表2數據可知，全波和截波時最大梯度都出現在19號油道，全波時電位梯度值為8.56%，該油道降落的電壓為1 050×8.56%=89.88 kV，油道大小為6.0 mm，允許的沖擊電壓為114 kV，全波裕度為114/89.88=1.26，其它油道電位梯度小，裕度應大于1.26，滿足設計需要。

圖4和圖5為高壓繞組上半柱10號單元線餅和30號單元線餅在全波作用下的電壓沖擊響應曲線，圖6和圖7為對應單元線餅在截波作用下的電壓沖擊響應曲線，顯示了這2個線餅上電位隨時間變化的關系。將圖4與圖6、圖5和圖7相應線餅單元進行對比，可以看出在全波和截波作用下同一線餅單元的電位響應相差較大。從圖5和圖6對比發現它們電位出現最大值的時刻不同，而從圖6和圖7對比發現截波截斷后第一個波峰均出現在截斷后1×10－5s時刻。

3 特殊變壓器繞組波過程計算

工程上有1臺移相變壓器，額定電壓為170 kV，絕緣電壓為650 kV。該變壓器全絕緣，調壓繞組接受全部的沖擊電壓，此類型較為特殊(普通的變壓器調壓繞組只是線圈的一部分，不會受到全部的沖擊電壓)，所以，對該變壓器提出了新的計算方案，即通過建立新的計算模型解決變壓器線圈縱絕緣的設計問題。

圖7 截波時高壓繞組30號單元線餅的沖擊響應曲線

圖8分別為實驗用移相變壓器接線3種工況，S為輸入端，L為輸出端，一端打沖擊電壓，一端接地。其實驗計算結果(只列舉部分實驗結果)如表3所示。

圖8 實驗用移相變接線圖

表3 沖擊測量實驗計算結果

由于鐵心式移相變各分接的沖擊梯度和電位無法準確計算，為了驗證設計計算的偏差，利用在制產品線圈按單芯式移相變接線原理接線，形成實驗用移相變壓器，做沖擊測量實驗。選1臺移相變壓器的高壓線圈、調壓線圈和另1臺移相變壓器的高壓線圈，分別構成移相變壓器的勵磁線圈、移相調壓線圈和附加電抗器，做調壓線圈極限分接和較少分接時的沖擊電位、電抗器與主線圈連接部位的沖擊電位和分接頭間的沖擊梯度。

圖9 移相變仿真電位梯度分布

用MATLAB對移相變壓器進行波過程仿真分析，將移相變壓器調壓繞組模擬為接地阻抗，使其與高壓繞組串聯，連接在高壓繞組末端，測量出其電位分布情況，將仿真結果與實驗數據進行對比分析。圖9為移相變仿真電位梯度分布情況，將圖9與實驗數據結果進行對比，電位梯度分布數據基本一致，誤差相對較小，因此該方法適用于該類型變壓器繞組波過程的研究分析。

4 結論

通過上述實例計算驗證了變壓器繞組電位及其梯度分布，計算了絕緣裕度，找出絕緣薄弱點。列舉了2個單元線餅沖擊響應最大值出現的最大時刻，通過對比找出了相同點和不同點，為變壓器繞組縱絕緣設計提供了依據。對一種特殊移相變壓器繞組縱絕緣波過程計算提出了新的計算模型，通過實驗和仿真對比驗證了該方法的可行性。

［1］劉建軍.500 kV電力變壓器繞組波過程計算與分析［J］.沈陽工程學院學報，2008，4(4):330 －333.

［2］葛為民.220 kV自耦有載調壓變壓器的波過程分析［J］.高電壓技術，2004，30(10):37 －38.

［3］劉傳彝.電力變壓器設計技術方法與實踐［M］.沈陽:遼寧科學技術出版社，2002.

［4］蔡定國，梁鴻邦，錢江.干式變壓器沖擊電壓波過程計算［J］.電機工程技術，2002，31(7):48 －50.

［5］路長柏.電力變壓器理論與計算［M］.沈陽:遼寧科學技術出版社，2007.

Analysis of winding vertical insulation wave calculation of large power transformer

LIU Xinghui1，JIANG Longhua2，ZHANG Kai3，LIU Xingting3，CHEN Jian1，WANG Haiwen1
(1.North China Electric Power University，Baoding 071003，China;2.Chizhou Power Supply Company，Chizhou 247000，China;3.Capital Space Machinery Corporation，Beijing 100076，China)

This paper discusses winding wave process calculation simplification，and equivalent circuit model and its calculation method in the power transformer vertical insulation structure design.Winding wave process calculation program is written based on Matlab.The example calculation shows the power transformer potential and its gradient distribution.When compared with experimental calculation result of the same transformer winding wave process with special phase－shift，the potential gradient distribution data are basically the same，which proves the method is feasible.

transformer winding;vertical insulation;wave process;potential and its gradient distribution;Matlab

TM401+.1

A

1002－1663(2012)02－0116－04

2011－08－15

劉興會(1988－)，女，現就讀于華北電力大學經濟管理系，研究方向為電力經濟與設計。

(責任編輯 侯世春)