GIS中發電機變壓器縱絕緣結構分析計算

司秉娥

摘 要：針對氣體絕緣變電站（GIS）系統特點與發電機變壓器自身結構特點，本文應用波過程計算軟件及VFTO作用下沖擊電壓分布計算軟件著重對高壓線圈（不同結構）縱絕緣結構進行計算，最終確定線圈形式、匝絕緣厚度、段間油道等結構參數。

關鍵詞：氣體絕緣變電站（GIS）;波過程;VFTO;沖擊電壓分布;線圈形式;匝絕緣

1 引言

本臺變壓器為單相三柱式Ii0聯接組別的發電機變壓器，高壓500kV無載調壓。此臺產品置于水電的氣體絕緣變電站（GIS）中，電力系統運行經驗表明，電壓等級在300KV以上的GIS系統，在隔離開關例行操作時，會產生波前時間很小、振蕩頻率很高的特快速暫態過電壓VFTO（Very Fast Transient Overvoltage）。VFTO不僅可能在GIS主回路引起對地故障而且還可能造成相鄰設備如變壓器等絕緣的破壞。在眾多遭受VFTO作用的電器設備中，變壓器是VFTO的最大受害者。由特快速暫態過電壓而引起的絕緣擊穿事故已在許多國家電網中出現[1-5]。

由一些實際GIS系統產生的VFTO對變壓器絕緣產生擊穿事故的分析及試驗研究結果表明，VFTO作用下變壓器內部絕緣事故一般均發生在靠近線圈進線端的部分線匝處，即首端。研究表明，變壓器線圈在VFTO作用下，匝間梯度電壓對線圈絕緣危害最大，并且實際絕緣事故的擊穿部位及匝間梯度最大值都出現在變壓器入波繞組進線端第一線餅的入口處，即第一線餅的前若干線匝之間。

因此，在對產品全方面縱絕緣計算的基礎上，本文利用波過程計算軟件及VFTO作用下縱絕緣計算軟件著重計算高壓線圈首端位置繞組匝間、段間梯度數值，根據計算結果，對其絕緣弱點區域，采取了絕緣加強措施，保證了絕緣結構的安全可靠性。

2 變壓器基本性能參數

1.額定電壓比：550/√3-2*2.5%/24kV

2.連接組別：Ii0

3.絕緣水平：

高壓：SI/LI/LIC=1175/1550/1675kV-LI325

低壓：LI/LIC=145/160kV

4.阻抗百分比：17%±5.8%

3 變壓器線圈波過程計算初始條件

綜合考慮產品技術要求、成本核算及工藝操作難易程度等要求，本臺產品選擇為單相三柱鐵心結構，器身從內部鐵心向外以次為高壓2、低壓2、低壓1、高壓1結構，如下圖所示：

計算時輸入標準全波與截波波形，波前時間為1.2微妙;半峰值時間為50微妙;過零系數為0.3;截斷時間為3至6微妙。波過程計算時變壓器油、紙、墊塊及紙板四種不同材料的相對介電常數分別取為2.3、3.2、4.5、4.5。

4 高壓線圈縱絕緣計算

由于糾結式繞組的焊接頭多，特別是大容量的高壓繞組，隨著并繞根數的增多，將給糾結繞制帶來很大困難。因此，本文高壓選擇內屏連續式結構，采用四段跨接結構。高壓線圈中部出線，上、下并聯，繞向相反，為了降低線圈的渦流損耗，保證產品的抗短路能力，高壓線圈采用自粘性換位導線。

針對高壓線圈的內屏連續式結構，本文主要計算高壓線圈首端屏蔽段數及屏蔽匝數，最終確定高壓線圈具體結構。

波過程計算時，電壓的起始分布和最終分布的差值就是振蕩過程的自由分量。對于中部出線，中性點接地的變壓器而言，線圈電壓起始分布與最終分布如下圖所示：

由上圖可以看出，對于中性點接地的變壓器，要是能做到起始分布與最終分布完全一樣，就不會產生振蕩。由于線圈的穩態分布規律不會變化，因此主要靠改善起始分布來改善線圈的梯度分布。通過上述公式，可知要想改善沖起始分布就要增大縱向電容，減小對地電容。而縱向電容要均勻分布，從首端到末端應逐漸減小，如果電容突然變化，則在分接區交界處線餅間梯度會突然增大，因此本文針對DSP-375000/500高壓線圈段數、匝數的結構特點及線圈實際繞制的難易程度，本文選擇內屏連續式結構。針對內屏連續式的結構特點，本文給出不同屏蔽段數、不同屏蔽匝數一共7種結構。7種結構如下表所示：

經過計算波過程軟件的仿真計算， 獲得高壓線圈所有段間油隙間梯度及安全系數的曲線圖如下圖所示（本文只給出第7種結構的仿真計算結果）：

由上部圖可以看出高壓線圈采用第7種結構時，高壓線圈段間最大梯度為7.2%* U0;高壓線圈最小安全系數為1.25，出現在高壓首端前十段線餅之間。其余幾種結構的計算方法與第7種結構計算方法類似，本課題獲得以上7種結構的計算結果，如下表所示：

根據表2的計算結果，可知，當屏蔽段數超過本身總段數30%以上，屏蔽匝數超過每餅匝數58%以上時，高壓線圈最大梯度值減少比較遲緩，綜合考慮其設計成本與縱絕緣安全裕度，本文選擇第4種方案進行高壓線圈的結構設計。

5 VFTO作用下高壓線圈縱絕緣

計算

在波過程計算的基礎上，本文再對第四種方案進行VFTO作用下暫態電壓分布計算，重點計算靠近變壓器線圈首端匝間。由于當特快速暫態電壓波侵入變壓器時，大部分電壓降落在靠近線端的一小部分線圈上。因此與變壓器線圈的波過程計算不同，波過程計算采取以餅為單元建立模型，而VFTO作用下線圈則采取以單個線匝為單元建立等值電路模型，以適用更高頻率的計算范圍。

根據 GIS變電站系統在變壓器端口處的VFTO波形（圖4），本課題計算VFTO作用下，高壓繞組線圈首端匝間電壓分布。變壓器高壓線圈首端最大徑向匝間電壓及最大軸向匝間電壓伏秒特性曲線如圖5所示。首端最大徑向匝間電壓為0.297p.u（其中p.u是工頻電源相電壓幅值為基值的標么值1p.u.=? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?=449kV），首端最大軸向匝間電壓為0.225p.u，按此計算結果進行變壓器匝絕緣裕度校核，最小徑向匝間絕緣裕度為1.46，最小軸向匝間絕緣裕度為1.85。

根據上述計算結果，本臺產品在給定的變壓器端口VFTO波形條件下，其匝間最小安全系數為1.46，大于本公司規定的安全裕度。認為該臺產品的絕緣結構在VFTO作用下完全可以滿足安全運行要求。

在安全運行基礎上，要想提高變壓器繞組防護VFTO的能力，可采取如下措施：

① 加厚靠近變壓器線端若干段的匝絕緣;

② 在特高壓GIS電力系統中采取保護措施，抑制變壓器線端VFTO的產生（如? GIS隔離開關加裝分、合閘電阻等措施）。

6 結論

（1）針對高壓線圈，本文采用內屏連續式結構增加縱向電容，最終確定高壓線圈結構為：4*4P4;6*4P3;4*4P2;4*4P1。

（2）根據 GIS變電站系統在變壓器端口處的VFTO波形，本課題 計 算VFTO作用下，高壓繞組線圈首端匝間電壓分布。獲得最小徑向匝間絕緣裕度為1.46，最小軸向匝間絕緣裕度為1.85;同時本文給出提高變壓器繞組防護VFTO能力的措施。

參考文獻：

[1] 倪光正.工程電磁場原理.北京：高等教育出版社，2002.

[2] 張嘉祥.變壓器繞組波過程.北京：水利電力出版社出版，1982.

[3] 尹克寧.變壓器設計原理.北京：中國電力出版社，2003.