干式變壓器雷電波沖擊響應分析

許興國

量的需求不斷上升，干式變壓器因具有眾多優點，在電力行業中應用較多，但是雷電沖擊波會對電力變壓器的絕緣結構產生較大影響，嚴重的可造成變壓器的損傷，對此需要明確干式變壓器雷電波沖擊響應。該文主要探討的是干式變壓器雷電波沖擊響應分析，全文在具體分析中主要從國內外研究現狀、干式變壓器繞組雷電波沖擊響應相關參數等方面進行了分析。

關鍵詞：干式變壓器 雷電波沖擊 響應分析

中圖分類號：TM412 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）11（a）-0040-02

干式變壓器在電力行業應用較多，在具體應用中具有安全性高、體積小、絕緣性能好、噪音小以及運行可靠等優勢，盡管如此，但是干式變壓器在正常運行過程中還是會受到較多沖擊過電壓的作用，最為常見也是最為嚴重的就是雷電沖擊波，雖然干式變壓器有避雷針保護，但是雷電沖擊波仍然會對其造成較大影響，因而明確干式變壓器雷電波沖擊響應，能夠為干式變壓器的運行提供參考，從而保證干式變壓器運行更加安全穩定。該文主要結合相關資料，就干式變壓器雷電波沖擊響應分析如下。

1 研究現狀分析

干式變壓器雷電波沖擊會對變壓器的絕緣層造成較大影響，嚴重的可造成變壓器無法正常工作，而對雷電沖擊波計算過程中主要是對電場的相關研究計算，計算機技術的發展發展為電場的計算提供了新的方法，同時還能對干式變壓器的發展奠定基礎，現階段在干式變壓器電磁場計算方面主要有有限差分法、模擬電荷法、有限元分析法以及解析計算法。其中以解析計算法和有限元法較為常用。

在雷電沖擊波研究中主要是通過較為粗略的實驗過程進行分析，從而大體掌握雷電沖擊電壓在繞組上的分布。在這方面，外國學者分別采用變壓器模型以及有限元分析了沖擊波對干式變壓器的影響。此后相繼出現了模擬電荷法、鏡像法以及多導體研究模型等方面對這一問題進行了研究。與此同時，國內在這方面要求取得了較快發展，比如對電力變壓器電磁暫態分析以及仿真分析、混合電路模型、高品測量散射參數等?？傊?，在變壓秋器繞組波研究方面取得了一定的突破，該文在眾多學者研究的基礎上提出了集中參數等值電路網絡，在此基礎上對干式變壓器繞組的雷電沖擊響應進行分析[1]。

2 干式變壓器繞組雷電波沖擊響應相關參數分析

2.1 標準雷電沖擊全波波形以及表達式分析

明確雷電波的波形參數是進行雷電沖擊波在干式變壓器繞組分布的基礎，根據我國行業的規范，標準雷電沖擊波的全波與國際電工委員會推薦的具有一致性。圖1表示的是1.2/50 us標準雷電沖擊全波，從圖中可以看出，t1表示的是雷電沖擊波處于原點，Ti=t4-t1=1.2 us，這段時間表示的是雷電沖擊波的視在波前時間，此處允許的誤差為±30.0%。T2=t6-t1=50 us，表示的是雷電沖擊波視在半峰值時間，此時允許的誤差為±20.0%，其中影響變壓器縱向繞組絕緣性的主要是雷電沖擊波的波頭陡度，繞組的主絕緣性能會受到波長的影響，繞組的梯度電壓主要受到沖擊波波前時間的影響，繞組的對地電壓則受到波長的影響。如果波前時間越短，則繞組的初始分布均勻性越差。此時線圈首端縱絕緣受到的梯度電壓越大。在波長越長的情況下，線圈中的諧波震蕩較為充分，繞組的對地電壓會增加[2]。標準雷電沖擊波對應的雙指函數可表示為：

帶入標準雷電波沖擊全波的相關參數后，可得到1.2/50 us對應的標準雷電沖擊全波電壓表達式為：

在考慮波形系數的情況下，上式可表示為：

2.2 標準雷電沖擊截波的波形及其表達式

標準雷電沖擊全波在發生過程中被突然截斷，此時得到的波形就是標準雷電沖擊截波。當然在截斷時間方面具有隨意性，可能在撥波前，也有可能在波峰或者是波尾位置。圖2所示即為標準雷電沖擊截波的波形圖，對應的標準雷電沖擊截波表達式可表示為

2.3 干式變壓器雷電沖擊試驗

通過對干式變壓器雷電沖擊試驗能夠進一步對干式變壓器的主絕緣以及縱絕緣沖擊強度要求進行檢測。在具體的試驗中，主要是在變壓器的繞組端子上通過施加模擬真實雷電沖擊波，進而對干式變壓器的絕緣性能進行分析。在干式變壓器雷電沖擊試驗過程中需要用到單級雷電沖擊發生器，從而模擬真實的雷電沖擊。圖3表示的就是單級雷電沖擊發生器的電路示意圖，其中T1表示調壓器，T2表示高壓試驗變壓器，VD表示高壓硅整流器、G表示球間隙、R0表示限流電阻，具體工作中，有直流電源對電容C1充電，在C1達到電壓要求后，G球間隙觸發點火，G擊穿，此時C1向C2充電，可模型雷電沖擊電壓波的波頭，此時C1的放電量就是C2的充電量，當C1、C2同時放電時，會經過電阻R2，此時可模擬雷電沖擊波的尾波。根據試驗的要求，在需要更高電壓的雷電沖擊波，可使用多級雷電沖擊發生器[3]。

具體的試驗操作中需要逐級升壓，確定額試驗電壓分別為沖擊電壓的50.0%、75.0%以及100.0%。在每個電壓條件下需要沖擊3次。在試驗過程中，如果繞組波形出現了畸變，表明變壓器的絕緣有損壞，整個試驗中可通過對試驗電壓波形、低壓側電容電流波形變化以及繞組中性點電流波形等對干式變壓器的絕緣層進行分析。

2.4 雷電沖擊電感參數的計算

電感有阻高頻通低頻的特性，因而鐵心繞組的電感和頻率之間是反比例的，整個計算過程是十分復雜。根據國內有關學者的研究，變壓器繞組在雷電沖擊波作用下產生的電感是變壓器空載繞組電感的1/15，這個過程中導體電感具有動態特點，在繞組空載條件下的變壓器電感計算公式為：

其中ur表示變壓器繞組貼心的相對磁導率，也就是ur=u/u0，A表示變企業你繞組鐵芯截面積，w表示變壓器繞組匝數，lc表示變壓器鐵心長度，u0=4π×10-7。在雷電沖擊作用下的變壓器繞組電感為

假設繞組總單元數為n，每個單元電感值為L1，繞組互感耦合系數為q，則此時總的電感L可表示為：

）

將上述兩個式子合并后可得到變壓器繞組單元電感L1，可表示為：

變壓器的漏磁場分布主要在空氣中，如果漏磁通的大小以及路徑保持恒定，雷電沖擊波作用下，考慮到沖擊電壓的高頻率性，在計算電感過程中鐵芯磁導率也保持不變。經過計算最終得到的干式變壓器繞組鐵心電感分量可采用下面的積分表示：

其中，ur在30～100中間取值，v=1/u0，ur常規取值為60，Io是第一類零階貝賽爾函數，I1表示一階貝塞爾函數，k0表示第二類零階貝塞爾函數。Wi、wk表示繞組到校匝數。整個積分的區間為[0，∞]，在實際計算過程中可根據實際情況縮小區間[4]。

2.5 干式變壓器雷電沖擊電容參數計算

干式變壓器雷電沖擊響應過程中，繞組等值電容的計算結果對于電壓分布有一定影響。線圈中起始電位分布由繞組電容決定，在干式變壓器中，絕緣結構主要采用的是環氧樹脂絕緣以及空氣絕緣，在計算過程中需要明確絕緣介質等值介電常數，計算過程中需要同時考慮軸向幾何電容、徑向幾何電容、縱向等值電容等。

3 結語

雷電波沖擊會對干式變壓器的正常使用造成較大影響，對此需要明確雷電波沖擊過程中電場以及電容的相關參數，通過對相關參數的計算，可明確雷電沖擊波對干式變壓器的具體影響，從而采取措施進行預防。

參考文獻

[1] 劉清萍，肖勛，唐文俊.風電機艙用干式變壓器設計[J].變壓器，2010（9）：1-3，8.

[2] 韋文君，鄭靜.大壩纜索起重機高原應對措施[J].水電站機電技術，2012（1）：45.

[3] 劉興會，江龍華，張鍇，等.大型電力變壓器繞組縱絕緣波過程計算分析[J].黑龍江電力，2012（2）：116.