干式變壓器線圈中沖擊過電壓的分析和改善

廖虹煒

（順特電氣設備有限公司，廣東佛山 528300）

0 引言

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

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

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程，主要是由于線圈內過電壓的自由震蕩過程和線圈之間的靜電電磁感應過程所引起的[1，3]。由于雷電沖擊試驗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。為建立合適的波過程分析的電路模型，將變壓器繞組細分成若干段。每一段用集中參數的電容來表示。其中：CS為縱向等值電容，是由匝間電容等值計算的；CP是層間電容的等值電容；C0為對地電容。在忽略電感，電阻的情況下，圖1給出了一個4線段、單線筒、每線段5層線圈的等值電路圖，見圖1雷電沖擊電壓下電位分布計算的等值電路。

圖1 雷電沖擊電壓下電位分布計算的等值電路圖

為了直觀的理解理論分析的結果，也可以簡化成類似于絕緣子鏈的等值電路來表示線圈，其中：Ck是圖1中CS和CP的等值電容；C0為對地電容，見圖2[2]。

圖2 簡化的等值電路圖

2 雷電沖擊電壓下的起始電位分布

對應雷電沖擊電壓下的起始電位分布，根據數學推導，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表達：

式（1）中：U0——入射波電壓幅值；x——繞組上任意一點到入波端的長度

由公式（1）可見，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值對應的起始電位分布曲線見圖3，其中，曲線1為穩態分布亦即理想的起始電位分布曲線，曲線2和曲線3為模擬實際分布的曲線。

圖3 不同的α值對應的起始電位分布曲線

由公式（1）也可以導出，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，高電壓等級的高壓繞組中首端絕緣必須加強。

圖4是用計算軟件模擬的某產品沖擊全波試驗0.5～2.5 s的電位梯度曲線。

圖4 沖擊全波試驗0.5～2.5 s的電位梯度曲線

對雷電沖擊電壓下的起始電位分布計算結果進行分析：

（1）從計算結果看，高壓繞組的首端（進波端）承受了最大電壓并靠近首端的幾匝間出現最大的電壓梯度;

（2）一般來說，提高繞組的沖擊強度，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α，即減小繞組的對地電容和增大繞組的縱向電容。

3 應對措施

為了防止變壓器線圈絕緣在過電壓，主要是雷電過電壓時被擊穿，必須針對過電壓的特點，采取相應的保護措施，目前主要采用的措施如下。

（1）合理布局

變壓器線圈內的絕緣主要包括匝間絕緣、層間絕緣和段間絕緣，設計時應重點考慮各種電壓及其梯度在絕緣上的分布，對應高壓線圈，采取合理的布置方式，改善電場的分布，避免局部場強過高。對應低壓線圈，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）加強絕緣

針對雷電沖擊過電壓的特點，起始電壓不均勻且會出現較高的匝間電壓。除了加強干式變壓器高壓線圈對地絕緣外，對于線圈內部，還要加強首端和末端部分線匝的絕緣。具體來說，對于電壓等級≥15 kV的干式變壓器高壓繞組，首端（進波端）引出線所在的線段的最后一層減少相應的匝數（相對于上一層減少的匝數視具體情況而定），且最后幾匝，用Nomex紙410半繞或2/3疊包繞，以加強其匝間及層間絕緣。

（3）增大匝間電容

加強匝間及層間絕緣的做法，在增大了匝間電壓梯度的同時，也減少了匝間電容。而匝間電容相對于對地電容越大，則電壓的起始分布越均勻，電壓也梯度越小，所以對于35 kV電壓等級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線筒的端絕緣尺寸。

最外面一個線筒中，首層匝數多的線段優先布置于靠近端部，也可以選擇兩段串聯以后在與里面的線段聯結，以增大風道間電容。

（4）其他措施

在干式變壓器的高壓側加裝金屬氧化物避雷器，也是目前變壓器等設備應對雷擊影響，保護變壓器安全運行的常見的有效措施。當雷擊發生時，浸入的操作過電壓會使得避雷器動作，過電壓波對地導通，不會浸入變壓器內部，從而有效保護了變壓器。

對一些電力設備還可以采取安裝避雷針、架設避雷線的措施

4 結束語

干式變壓器在正常運行時要承受各種過電壓的作用。這些過電壓對變壓器的絕緣具有很大的危害，甚至會使得絕緣擊穿。實踐表明，在導致變壓器損壞的各種過電壓中，雷擊所占的比重很大。所以研究雷擊沖擊波過電壓對變壓器繞組的破壞作用，計算出可能出現的過電壓的幅值和發生的位置，尋找合理的繞組內部保護措施，將有利于我們對變壓器的繞組結構進行更加合理的設計，從而設計出更加經濟、安全的變壓器，以確保變壓器的安全運行。

［1］崔立君.特種變壓器理論與原理［M］.北京：科學技術文獻出版社，1994.

［2］尹克寧.變壓器設計原理［M］.北京：中國電力出版社，2003.

［3］張嘉祥.變壓器線圈的波過程［M］.北京：水利電力出版社，1982.