大型電力變壓器繞組縱絕緣波過(guò)程計(jì)算分析

劉興會(huì)，江龍華，張 鍇，劉興婷，陳 健，王海文

(1.華北電力大學(xué)，河北保定 071003;2.安徽池州供電公司，安徽池州 247000;3.首都航天機(jī)械公司 ，北京 100076)

大型電力變壓器繞組縱絕緣波過(guò)程計(jì)算分析

劉興會(huì)1，江龍華2，張 鍇3，劉興婷3，陳 健1，王海文1

(1.華北電力大學(xué)，河北保定 071003;2.安徽池州供電公司，安徽池州 247000;3.首都航天機(jī)械公司 ，北京 100076)

闡述了電力變壓器縱絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中繞組波過(guò)程計(jì)算簡(jiǎn)化等效電路模型及其計(jì)算方法，基于Matlab編寫了繞組波過(guò)程計(jì)算程序，通過(guò)實(shí)例計(jì)算得到了變壓器繞組電位及其梯度分布，將其同一種特殊移相變壓器繞組波過(guò)程實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果對(duì)比，電位梯度分布數(shù)據(jù)基本一致，由此證實(shí)該方法可行。

變壓器繞組;縱絕緣;波過(guò)程;電位及梯度分布;Matlab

0 引言

變壓器縱絕緣計(jì)算主要是計(jì)算變壓器線圈在沖擊電壓作用下的絕緣強(qiáng)度，一直以來(lái)，該計(jì)算已成為變壓器制造廠家和使用部門最關(guān)注和重視的問題［1－2］。變壓器繞組波過(guò)程的計(jì)算分析對(duì)合理確定變壓器縱絕緣結(jié)構(gòu)及防雷保護(hù)等措施有重要意義［3－4］。因此，為了分析變壓器繞組縱絕緣電場(chǎng)，本文在電力變壓器縱絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中提出了繞組波過(guò)程計(jì)算簡(jiǎn)化等效電路模型及其計(jì)算方法，分析了變壓器在沖擊波作用下線圈內(nèi)波過(guò)程中線圈各點(diǎn)對(duì)地電位，通過(guò)電力變壓器繞組波過(guò)程計(jì)算得到了變壓器繞組電位及其梯度分布情況。

1 變壓器繞組縱絕緣波過(guò)程等值電路求解

變壓器線圈在沖擊電壓作用下為分布參數(shù)電路，其中的電感、電容和電阻都是分布參數(shù)。線圈在雷電波作用下的起始電壓分布或沖擊電壓分布的計(jì)算，應(yīng)是分布參數(shù)的求解問題［5］。變壓器線圈在沖擊波開始作用的瞬間，相當(dāng)于極高頻率的電壓波作用在繞組上，由于繞組電阻與感抗和容抗之比很小，可忽略，因此繞組波過(guò)程就可以簡(jiǎn)化為由電感和電容構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。波過(guò)程計(jì)算中變壓器單繞組的等效電路如圖1所示。在圖1中，L1、L2…LN－1為繞組各個(gè)計(jì)算單元的自感和互感;C1、C2…CN－1為繞組各個(gè)計(jì)算單元的串聯(lián)電容;Cg1、Cg2…CgN－1為繞組各個(gè)計(jì)算單元的對(duì)地電容。

圖1 變壓器單繞組等效電路圖

下部網(wǎng)孔的方程表達(dá)式為

將式(1)代入式(2)，整理得二階微分方程為

代入式(4)，得

2 電力變壓器繞組波過(guò)程計(jì)算

以1臺(tái)SFPSZ10－120000/220電力變壓器為例計(jì)算繞組波過(guò)程(只給出了額定分接下高壓繞組的計(jì)算)。該變壓器的主要技術(shù)參數(shù)為額定容量為120 000/120 000/120 000 kVA;額定電壓為(2 308×1.25%)/36.75/10.5 kV;額定頻率為50 Hz;聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(hào)為Ynyn0－d。

在變壓器縱絕緣的波過(guò)程仿真計(jì)算中，由于最大分接、最小分接、額定分接時(shí)的計(jì)算相似，上、下半柱又有一定的對(duì)稱性，所以只列出額定分接時(shí)上半柱的部分結(jié)果，如表1、表2所示。

采用的變壓器計(jì)算模型是1臺(tái)120 MVA/220 kV的三相雙繞組調(diào)壓變壓器，其高壓繞組有96個(gè)線餅，上、下半柱各有48個(gè)線餅、47個(gè)油道;低壓繞組有94個(gè)線餅，高壓線圈為中部出線，繞組上半柱和下半柱電位和電位梯度都具有對(duì)稱性，這一點(diǎn)也可以從計(jì)算結(jié)果的數(shù)據(jù)中得到證明。將計(jì)算結(jié)果用曲線表示，可得到高、低壓繞組的電位和梯度分布曲線，如圖2和圖3所示。

表1 高壓繞組上半柱電位分布(額定分接) %

圖2和圖3分布給出了高壓繞組上半柱在全波和截波作用下各線餅的電位分布情況，電位分布基本均勻，由首端向末端逐漸降低，末端電位為零，在截波作用下局部出現(xiàn)震蕩。

表2 高壓繞組上半柱梯度電壓峰值(額定分接) %

從表1、表2數(shù)據(jù)可知，全波和截波時(shí)最大梯度都出現(xiàn)在19號(hào)油道，全波時(shí)電位梯度值為8.56%，該油道降落的電壓為1 050×8.56%=89.88 kV，油道大小為6.0 mm，允許的沖擊電壓為114 kV，全波裕度為114/89.88=1.26，其它油道電位梯度小，裕度應(yīng)大于1.26，滿足設(shè)計(jì)需要。

圖4和圖5為高壓繞組上半柱10號(hào)單元線餅和30號(hào)單元線餅在全波作用下的電壓沖擊響應(yīng)曲線，圖6和圖7為對(duì)應(yīng)單元線餅在截波作用下的電壓沖擊響應(yīng)曲線，顯示了這2個(gè)線餅上電位隨時(shí)間變化的關(guān)系。將圖4與圖6、圖5和圖7相應(yīng)線餅單元進(jìn)行對(duì)比，可以看出在全波和截波作用下同一線餅單元的電位響應(yīng)相差較大。從圖5和圖6對(duì)比發(fā)現(xiàn)它們電位出現(xiàn)最大值的時(shí)刻不同，而從圖6和圖7對(duì)比發(fā)現(xiàn)截波截?cái)嗪蟮谝粋€(gè)波峰均出現(xiàn)在截?cái)嗪?×10－5s時(shí)刻。

3 特殊變壓器繞組波過(guò)程計(jì)算

工程上有1臺(tái)移相變壓器，額定電壓為170 kV，絕緣電壓為650 kV。該變壓器全絕緣，調(diào)壓繞組接受全部的沖擊電壓，此類型較為特殊(普通的變壓器調(diào)壓繞組只是線圈的一部分，不會(huì)受到全部的沖擊電壓)，所以，對(duì)該變壓器提出了新的計(jì)算方案，即通過(guò)建立新的計(jì)算模型解決變壓器線圈縱絕緣的設(shè)計(jì)問題。

圖7 截波時(shí)高壓繞組30號(hào)單元線餅的沖擊響應(yīng)曲線

圖8分別為實(shí)驗(yàn)用移相變壓器接線3種工況，S為輸入端，L為輸出端，一端打沖擊電壓，一端接地。其實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果(只列舉部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果)如表3所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)用移相變接線圖

表3 沖擊測(cè)量實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

由于鐵心式移相變各分接的沖擊梯度和電位無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算，為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)計(jì)算的偏差，利用在制產(chǎn)品線圈按單芯式移相變接線原理接線，形成實(shí)驗(yàn)用移相變壓器，做沖擊測(cè)量實(shí)驗(yàn)。選1臺(tái)移相變壓器的高壓線圈、調(diào)壓線圈和另1臺(tái)移相變壓器的高壓線圈，分別構(gòu)成移相變壓器的勵(lì)磁線圈、移相調(diào)壓線圈和附加電抗器，做調(diào)壓線圈極限分接和較少分接時(shí)的沖擊電位、電抗器與主線圈連接部位的沖擊電位和分接頭間的沖擊梯度。

圖9 移相變仿真電位梯度分布

用MATLAB對(duì)移相變壓器進(jìn)行波過(guò)程仿真分析，將移相變壓器調(diào)壓繞組模擬為接地阻抗，使其與高壓繞組串聯(lián)，連接在高壓繞組末端，測(cè)量出其電位分布情況，將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。圖9為移相變仿真電位梯度分布情況，將圖9與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，電位梯度分布數(shù)據(jù)基本一致，誤差相對(duì)較小，因此該方法適用于該類型變壓器繞組波過(guò)程的研究分析。

4 結(jié)論

通過(guò)上述實(shí)例計(jì)算驗(yàn)證了變壓器繞組電位及其梯度分布，計(jì)算了絕緣裕度，找出絕緣薄弱點(diǎn)。列舉了2個(gè)單元線餅沖擊響應(yīng)最大值出現(xiàn)的最大時(shí)刻，通過(guò)對(duì)比找出了相同點(diǎn)和不同點(diǎn)，為變壓器繞組縱絕緣設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。對(duì)一種特殊移相變壓器繞組縱絕緣波過(guò)程計(jì)算提出了新的計(jì)算模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真對(duì)比驗(yàn)證了該方法的可行性。

［1］劉建軍.500 kV電力變壓器繞組波過(guò)程計(jì)算與分析［J］.沈陽(yáng)工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，4(4):330 －333.

［2］葛為民.220 kV自耦有載調(diào)壓變壓器的波過(guò)程分析［J］.高電壓技術(shù)，2004，30(10):37 －38.

［3］劉傳彝.電力變壓器設(shè)計(jì)技術(shù)方法與實(shí)踐［M］.沈陽(yáng):遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2002.

［4］蔡定國(guó)，梁鴻邦，錢江.干式變壓器沖擊電壓波過(guò)程計(jì)算［J］.電機(jī)工程技術(shù)，2002，31(7):48 －50.

［5］路長(zhǎng)柏.電力變壓器理論與計(jì)算［M］.沈陽(yáng):遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

Analysis of winding vertical insulation wave calculation of large power transformer

LIU Xinghui1，JIANG Longhua2，ZHANG Kai3，LIU Xingting3，CHEN Jian1，WANG Haiwen1
(1.North China Electric Power University，Baoding 071003，China;2.Chizhou Power Supply Company，Chizhou 247000，China;3.Capital Space Machinery Corporation，Beijing 100076，China)

This paper discusses winding wave process calculation simplification，and equivalent circuit model and its calculation method in the power transformer vertical insulation structure design.Winding wave process calculation program is written based on Matlab.The example calculation shows the power transformer potential and its gradient distribution.When compared with experimental calculation result of the same transformer winding wave process with special phase－shift，the potential gradient distribution data are basically the same，which proves the method is feasible.

transformer winding;vertical insulation;wave process;potential and its gradient distribution;Matlab

TM401+.1

A

1002－1663(2012)02－0116－04

2011－08－15

劉興會(huì)(1988－)，女，現(xiàn)就讀于華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理系，研究方向?yàn)殡娏?jīng)濟(jì)與設(shè)計(jì)。

(責(zé)任編輯 侯世春)