箱式變電站及變壓器雷電沖擊試驗(yàn)淺析

冉 勇

（甘肅電器科學(xué)研究院）

1 雷電沖擊試驗(yàn)介紹

雷電是天空放電現(xiàn)象，是一種超長氣隙的火花放電，它產(chǎn)生的電流可高達(dá)數(shù)十甚至幾百千安，能使被擊物體炸毀、燃燒、使導(dǎo)體熔斷或通過電動(dòng)力引起機(jī)械損壞。雷電放電可在電力系統(tǒng)中產(chǎn)生很高的雷電過電壓，它能使電力系統(tǒng)中電氣設(shè)備產(chǎn)生絕緣故障從而影響供電質(zhì)量。雷電沖擊試驗(yàn)是利用沖擊發(fā)生器模擬真實(shí)的雷電波形對試品進(jìn)行的試驗(yàn)。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T1094.3—2017 規(guī)定，Um≤72.5kV時(shí)，線端雷電全波沖擊試驗(yàn)和線端雷電截波沖擊試驗(yàn)屬于型式試驗(yàn)。本文主要討論的是這兩個(gè)試驗(yàn)。雷電全波沖擊試驗(yàn)是用來驗(yàn)證變壓器在遭受雷電沖擊時(shí)耐受強(qiáng)度。與交流電壓不同的是，該試驗(yàn)包含有高頻電壓分量。雷電截波沖擊試驗(yàn)與雷電全波沖擊試驗(yàn)相比，電壓峰值高，頻率也更高，它既包括全波沖擊又包括利用截?cái)嗲蛳督財(cái)嗟慕夭_擊。它用來驗(yàn)證變壓器在運(yùn)行過程中耐受某一些高頻電壓的能力。

2 多級沖擊電壓發(fā)生器

由于高壓整流硅堆等因素的影響，使得單級沖擊電壓發(fā)生器的峰值電壓最多在200～300kV。而實(shí)際工作中，為了得到更高的沖擊峰值電壓，常采用多級沖擊電壓發(fā)生器。多級沖擊電壓發(fā)生器的工作原理是利用放電球隙來控制充電電容，使其并聯(lián)充電，串聯(lián)放電，從而得到更高的沖擊電壓峰值[1]，如圖1 所示。

圖1 四級沖擊電壓發(fā)生器的原理電路圖

T—充電變壓器 D—高壓硅整流器R0—保護(hù)電阻G1～G5—放電球隙C—充電電容R—充電電阻Rf—波頭電阻Rt—波尾電阻

在圖1 中，首先通過調(diào)整球隙的距離，控制各個(gè)球隙的放電電壓，控制G1的放電電壓為U0，控制G2～G4的放電電壓在U0～2U0之間，然后對充電電容充電，使得充電電壓達(dá)到U0，這時(shí)G1先被擊穿，由于并聯(lián)充電，串聯(lián)放電，從而使G2～G4依次被擊穿，這時(shí)在輸出端獲得接近4U0的沖擊電壓幅值。

3 雷電沖擊波形

3.1 雷電沖擊全波

雷電沖擊全波波形如圖2 所示，不為破壞性放電而截?cái)嗟睦纂姏_擊電壓。

圖2 雷電沖擊全波波形

T1為波前時(shí)間，指試驗(yàn)電壓曲線在峰值30%和90%的兩點(diǎn)的連線與峰值的交點(diǎn)與視在原點(diǎn)的時(shí)間間隔。T2為半峰值時(shí)間，指試驗(yàn)電壓曲線電壓下降到峰值電壓的一半50%時(shí)，與視在原點(diǎn)的時(shí)間間隔。波形參數(shù)為T1=1.2μs±30%，T2=50μs±20%。

（1）波頭時(shí)間的近似計(jì)算

（2）半峰值時(shí)間的近似計(jì)算

式中，Tf為波頭時(shí)間常數(shù)；Tt為波尾時(shí)間常數(shù)；C1為沖擊電容；C2為負(fù)荷電容；Rt為波尾電阻；Rf為波頭電阻。

（3）過沖

指峰值電壓附近因回路引起的阻尼震蕩而產(chǎn)生的幅值增大， 過沖和剩余曲線如圖3 所示。

圖3 過沖和剩余曲線

基準(zhǔn)曲線：沒有疊加震蕩的雷電沖擊全波的估算曲線[2]，剩余曲線：記錄曲線和基準(zhǔn)曲線的差。

3.2 雷電沖擊截波

由破壞性放電導(dǎo)致的電壓突然跌落至零點(diǎn)的雷電沖擊電壓，跌落可發(fā)生在波前，波峰或波尾。波前截?cái)嗬纂姏_擊波如圖4 所示，波尾截?cái)嗬纂姏_擊波如圖5 所示。

圖4 波前截?cái)嗬纂姏_擊波

圖5 波尾截?cái)嗬纂姏_擊波

截?cái)嗨矔r(shí)：電壓曲線跌落的部分10%和70%兩點(diǎn)連接直線與電壓跌落曲線的交點(diǎn)。

截?cái)鄷r(shí)間（Tc）：截?cái)嗨矔r(shí)和視在原點(diǎn)的時(shí)間間隔。Tc=2～5μs。

過沖和峰值附近的震蕩是允許的，但最大過沖幅值不能超過10%[3]。

4 雷電沖擊波形調(diào)波

依據(jù)GB／T 1094.3—2017 要求，如果分接范圍超過±5%或變壓器額定容量大于2500kVA，則除非經(jīng)過同意，否則雷電沖擊試驗(yàn)應(yīng)在變壓器兩個(gè)極限分接和主分接進(jìn)行，如圖6 所示。由于在宇宙射線、紫外線、微量元素輻射、雷擊閃電等作用下[4]，空氣分子會失去一部分圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的外層電子，使空氣發(fā)生電離，逃逸原子核束縛后的電子稱為自由電子，帶負(fù)電荷，當(dāng)自由電子和其他中性氣體分子結(jié)合后，就會形成帶負(fù)電荷的空氣負(fù)離子[5]，故變壓器雷電沖擊試驗(yàn)通常在負(fù)極性下進(jìn)行，以防止試驗(yàn)線路中出現(xiàn)外部閃絡(luò)的情況。

圖6 雷電沖擊試驗(yàn)圖

示傷電流采用中性點(diǎn)電流法采集。

根據(jù)式（2）和式（4），在負(fù)荷電容和沖擊電容一定的情況下，波頭時(shí)間和波尾時(shí)間與波前電阻和波尾電阻大小有關(guān)，可以近似認(rèn)為波頭電阻和波尾電阻增大，波頭時(shí)間增大，半波時(shí)間增大[6]；反之亦然。

在對大型變壓器進(jìn)行雷電沖擊時(shí)，由于其繞組電感小和/或沖擊電容大，往往不可能得到滿足規(guī)定的波形，此時(shí)應(yīng)允許有較大的偏差。由于被試變壓器的沖擊電容已定，為了得到符合要求的波前時(shí)間和上升率，只能減小串聯(lián)電阻，但往往在減小后，在回路電感的影響下，又會使電壓過沖增大，以致可能超過要求值5%。此時(shí)，應(yīng)該波前電阻和峰值過沖同時(shí)兼顧。通常，應(yīng)盡量使振蕩峰值過沖不大于10%，使波前時(shí)間不大于1.56μs，對于Um≤800kV 的變壓器，波前時(shí)間不應(yīng)超過2.5μs。為克服這一矛盾 ，唯一有效的途徑是減小整個(gè)試驗(yàn)回路的電感。雷電沖擊試驗(yàn)回路的電感包括沖擊電壓發(fā)生器的電感及連接被試品的外部引線回路電感[7]。由于沖擊電壓發(fā)生器在出廠時(shí)，電容電感已定，常見的處理方法是，在弱阻尼電容分壓器引線上加負(fù)荷電容，來抵消回路電感值，而達(dá)到減小峰值過沖的問題。

對于截波試驗(yàn)，截?cái)鄷r(shí)各種規(guī)定參數(shù)，如波前時(shí)間、半峰值時(shí)間、截?cái)鄷r(shí)間、反極性過沖幅值等與截?cái)嚯娐返牟贾?，截?cái)嚯娐返淖杩购驮嚻返淖杩褂嘘P(guān)。對截?cái)嗨矔r(shí)時(shí)間不作為規(guī)定的試驗(yàn)參數(shù)，只要求截?cái)鄷r(shí)間符合規(guī)定要求2～6μs 的范圍。但是，在對波形進(jìn)行比較和判斷時(shí)，必須是在截?cái)嗨矔r(shí)時(shí)間幾乎相同的情況下才可以進(jìn)行[8]。如統(tǒng)一是波尾截?cái)?。依?jù)GB 1094.3 中規(guī)定，反極性過沖應(yīng)不大于30%，但當(dāng)反極性過沖應(yīng)不大于30%時(shí)，可以在截?cái)嚯娐分薪尤胱杩故狗礃O性過沖控制在30%以內(nèi)。接入阻抗可以加在弱阻尼電容分壓器引線處和截?cái)嗲蛳兑€之間[9]。并且盡可能地縮短截?cái)嘌b置和分壓器之間接線的長度，以便得到更短的截?cái)喑掷m(xù)時(shí)間，增大電壓驟降陡度。為防止截波試驗(yàn)時(shí)，截?cái)嘌b置發(fā)生自截現(xiàn)象，可以適當(dāng)?shù)販p小截?cái)嗲蛳肚蚓嚯妷罕?，而增大截?cái)嗲蛳肚蚓啵菇財(cái)嗲蚓嗝黠@地大于沖擊發(fā)生器球距，而避免自截現(xiàn)象。

對于大型變壓器進(jìn)行雷電沖擊時(shí)，由于其繞組電感小和/或沖擊電容大，雷電沖擊截波調(diào)波試驗(yàn)往往很困難，首先調(diào)節(jié)全波的波頭時(shí)間，過沖是否超過限值，待調(diào)整完后再調(diào)節(jié)截?cái)鄷r(shí)間，調(diào)整截?cái)嗲蛳叮乐棺越氐耐瑫r(shí)，要控制截?cái)鄷r(shí)間在規(guī)定的范圍內(nèi)。如圖7、圖8 在調(diào)節(jié)全波波形符合要求的情況下，截波反極性過沖超過30%，由于截?cái)鄷r(shí)間不太穩(wěn)定，增加截?cái)嗲蛳兜募墧?shù)，對于反極性過沖問題，在增大波頭電阻的同時(shí)，在試品和分壓器之間增加串聯(lián)電阻，發(fā)現(xiàn)反極性過沖變化很小，調(diào)節(jié)電阻阻值后發(fā)現(xiàn)還是沒有降到要求值，這時(shí)可以在充電電阻兩側(cè)并聯(lián)電容器，來減小整個(gè)試驗(yàn)回路的電感，經(jīng)過調(diào)節(jié)發(fā)現(xiàn)反極性過沖減小到要求值，如圖9、圖10 所示。

圖7 截波302kV 反極性過沖試驗(yàn)圖1

圖8 截波605kV 反極性過沖試驗(yàn)圖1

圖9 截波302kV 反極性過沖試驗(yàn)圖2

圖10 截波605kV 反極性過沖試驗(yàn)圖2

5 結(jié)束語

本文主要對變壓器的雷電沖擊試驗(yàn)進(jìn)行簡析，通過波前時(shí)間和波尾時(shí)間計(jì)算公式，結(jié)合自身工作經(jīng)驗(yàn)和所學(xué)知識，聯(lián)系標(biāo)準(zhǔn)，通過探討增加附加阻抗，并聯(lián)負(fù)荷電容等方式，來抵消電感，減小過沖幅值。對大型變壓器的沖擊全波和截波試驗(yàn)的波形調(diào)試有一定的借鑒作用。