在變壓器內部絕緣結構設計中氧化鋅避雷器的應用

張晶宇

摘要：隨著社會的發展，人們對電力能源需求量日益提高，且對供電穩定性與質量提出更高要求。基于此，為保證變壓器平穩運作，本文探討將氧化鋅避雷器安裝于變壓器內部結緣結構設計中的意義，著重分析具體應用，以供相關工作參考。

關鍵詞：變壓器;絕緣結構設計;氧化鋅避雷器

引言：作為一種過電壓保護裝置，氧化鋅避雷器的安裝能夠有效防止雷擊帶來的過電壓對變壓器設備造成損傷。為保證該避雷器的應用效果，應分析該裝置在變壓器內部絕緣結構設計應用的選用及安裝要點，做好計算工作，從而切實發揮保護作用。

1.探討將氧化鋅避雷器應用于變壓器內部絕緣結構設計中的意義

所謂氧化鋅避雷器，其核心為氧化鋅電阻片，是一種過電壓保護裝置，一旦遭受過電壓，該裝置則處于導通狀態并釋放能量，能夠對變壓器起到有效的保護作用。這是因為氧化鋅電阻片具有良好的非線性伏安特性，當變壓器處于正常運作狀態時，其通過的電流在0.001A以下，即高阻抗，但是在過電壓情況下，能夠通過幾十千安故障電流，轉變為低阻抗，而且，氧化鋅電阻片兩端具有較小殘壓，能夠為變壓器穩定運作提供有效保障[1]。一般情況下，該裝置安裝于變壓器內部，安裝后，一方面能夠減小引線和調壓繞組的絕緣厚度，另一方面還能夠降低有載開關分接選擇器絕緣水平，且成本相對較低，能夠有效降低變壓器內部結緣結構及整個設備的設計制造成本，滿足使用需求的同時提高相關企業經濟效益。

2.分析氧化鋅避雷器在變壓器內部絕緣結構設計中的應用

2.1變壓器及其絕緣結構計算

變壓器基本結構由低壓繞組、公共繞組、鐵心、調壓繞組以及串聯繞組構成，不同繞組其結構和出線方式存在差異，而且，根據不同側重點，帶氧化鋅避雷器的連接方法也存在不同，在雷電沖擊電壓作用下，采用調壓繞組級間并聯氧化鋅避雷的方法，這是因為該方法能夠有效限制該繞組沖擊電位振蕩。

第一，計算分析變壓器縱絕緣結構。當不應用氧化鋅避雷器時，串聯繞組內屏結構和連續結構的全波安全裕度分別為1.42δ和1.53δ，截波安全裕度分別為1.49δ、1.45，公共繞組結構的全波安全裕度和截波安全裕度分別為1.20δ和1.30δ。在安裝氧化鋅避雷器后，串聯繞組內屏結構和連續結構的全波安全裕度分別為1.43δ和1.56δ，截波安全裕度分別為1.51δ和1.46δ，公共繞組連續結構的全波安全裕度和截波安全裕度分別為1.22δ和1.33δ。由此可見，串聯繞組段間最小安全裕度提高0.7%，公共繞組提高1.6%，該避雷器的應用對公共、串聯繞組縱絕緣結構安全裕度影響不大。在沒有安裝氧化鋅避雷器時，調壓繞組對地電位為138.0%，調壓全范圍梯度為40.5%，而應用該避雷器裝置后，對地電位和全范圍梯度分別降至107.0%和20.1%，該裝置能夠有效改善調壓繞組沖擊電壓分布。

第二，計算分析主絕緣結構。對于變壓器絕緣結構設計要點而言，應以雷電沖擊電壓分布計算結果為基礎，進而明確掌握變壓器所承受雷電沖擊電壓作用絕緣弱點區域。在上述計算結果下，絕緣弱點區域分別在低壓繞組和調壓繞組之間（位置a）以及調壓繞組和中壓繞組之間（位置b）。對于位置a的絕緣結構安全裕度計算，在未安裝氧化鋅避雷器時，公共繞組和調壓繞組的最小安全裕度分別為1.22δ和1.09δ，運用該避雷器裝置后，公共繞組和調壓繞組最小安全裕度分別為1.22δ和1.21δ;對于位置b的絕緣結構安全裕度計算，未加氧化鋅避雷器的最小調壓繞組和低壓繞組安全裕度分別為1.06氧化鋅避雷器和1.21氧化鋅避雷器，運用該避雷器裝置的調壓繞組和低壓繞組最小安全裕度分別為1.19氧化鋅避雷器和1.21氧化鋅避雷器。由此可見，氧化鋅避雷器在變壓器內部絕緣結構中的設計應用對提高調壓繞組到公共繞組、調壓繞組到低壓繞組主絕緣結構安全裕度方面具有明顯效果[2]。

2.2應用避雷器結構電場分析計算

雖然氧化鋅避雷器安裝于變壓器內部，但是為了保證該裝置作用的發揮，應針對該裝置結緣結構開展電場分析計算。一般情況下，調壓繞組電壓等級為220kV，若是氧化鋅避雷器選用規格不合理，可能出現金屬部件局部放電和擊穿事故，因此，應分布計算氧化鋅避雷器端部金屬部件電場。

當氧化鋅避雷器裝置調壓引出線距油箱較近時，由于該裝置與調壓引出線存在較小電位差，所以具有相對大的絕緣安全裕度，為此，在變壓器內部絕緣結構設計中應用氧化鋅避雷器裝置時，應分析裝置與油箱之間的絕緣安全裕度。一般情況下，氧化鋅避雷器在油箱中的內部結構從上至下分別是絕緣墊圈、均壓球、壓片彈簧、閥片、連接件以及絕緣紙板。開展電場計算分析時，主要對油箱蓋、避雷器均勻球、絕緣墊圈、油箱側壁、壓力彈簧以及避雷器閥片進行模型計算，相較于其他部件，氧化鋅避雷器均壓球表面具有較大電場強度。因此，在設計均壓球結構時，應重點考慮其電場分布控制，通常狀況下，當其表面金屬半徑尺寸以及直徑尺寸變大時，能夠有效降低電場強度最大值。為此，可選擇均壓球直徑和表面金屬半徑分別為180mm和25mm的部件，進而使工頻電場安全裕度在1.20以上，滿足使用需求。

2.3氧化鋅避雷器選用計算

在應用氧化鋅避雷器時，應根據變壓器運行條件以及調壓繞組的最高電圧確定氧化鋅避閥片使用數量，保證最高電圧在氧化鋅閥片許用值以下。以明電舍為例，氧化鋅閥片最大連續運行電壓、最大鉗制電壓、感應試驗峰值動作電壓分別為2.4kV、7.6kV、6kV，最大施加電壓率為80%，耐受沖擊電流標準試驗和特殊試驗下的技術參數為0.8kA和100kA，閥片直徑和高度分別為64.5mm和22.5mm。需要開展的計算工作如下：①由于每個分接級間并聯該閥片，在計算元件數量時，應先確定分接級之間最大的工作電壓，公式為：UT=ET×WT，即2.76kV，其中ET和WT分別為每匝電壓和調壓繞組每級匝數。在長期工作電壓下，調壓繞組需要使用的氧化鋅閥片總數量為，即2片。②在LTAC試驗電壓下，每分接之間的感應試驗電壓為ULTAC=ET×WT×K，即5.73kV，其中，K為線端交流耐壓試驗感應倍數。那么在該電壓下，所需要的元件數量為，即2片。③在IVPD試驗電壓下計算元件數量，每分接之間的感應試驗電壓為UIVPD=ET×WT×K’，即4.75kV，那么元件數量為，即2片。如上可知，在調壓繞組每個分接級間使用2片元件即可。④在發生雷電沖擊時，氧化鋅避雷器需要保護變壓器安全運作，所以，還需要開展雷電沖擊電壓試驗下的前置電壓計算，鉗制的調壓繞組每分接級間最高沖擊電壓UL1和鉗制的調壓繞組首末端最高沖擊電壓UL1M分別為15.2kV和121.6kV，由此可見，鉗制電壓小于沖擊過電壓，氧化鋅避雷器能夠充分發揮作用。

2.4安裝氧化鋅避雷器

在將氧化鋅避雷器安裝在變壓器內部絕緣結構中時，應以并聯的方式安裝在變壓器調壓繞組每個分接頭之間，其中，氧化鋅閥片安裝在絕緣紙筒中，保證其垂直狀態，使用彈簧將兩個端部壓緊固定，并在中間引出接線端子。之后，使用導線夾對絕緣紙筒進行固定，使其牢固裝置在有載開關附近，最后與調壓繞組分接引線并聯連接。

結論：綜上所述，氧化鋅避雷器的應用對變壓器運作安全、穩定性的提高具有極強現實意義。因此，應深入研究氧化鋅避雷器及變壓器結構，根據實際使用條件和需求計算分析電場和元件數量，并合理安裝該裝置，從而降低變壓器設計制造成本的同時，優化其絕緣結構。

參考文獻：

[1]王仁，孫優良，程偉，等.換流變壓器內置氧化鋅避雷器選擇及動作累計能量仿真分析[J].變壓器，2020，57（12）：14-17+21.

[2]梁海生，趙宏成，張旭航，等.特高壓主變中性點間隙保護與氧化鋅避雷器保護配合分析[J].電力與能源，2019，40（05）：510-513.