利用MOV限制变压器绕组的特快速暂态过电压研究.pdf

利用限制变压器绕组的特快速暂态过电压研究何佳仪，杨智博（东北电力大学，吉林吉林 ）摘要：气体绝缘金属封闭式组合电器（，）中的特快速暂态过电压会对电力系统的稳定性和变压器绕组的绝缘防护造成极大的损害。变压器的绝缘设计通常只考虑雷电过电压和操作过电压，而常忽略特快速暂态过电压（，）对变压器的冲击作用，金属氧化物避雷器（，）因其良好的非线性特性而被用于改善绕组电位分布。基于此研究了变压器绕组两端并联前后电压分布和电压梯度分布来探究用于防护过电压的可行性。首先，提出了改进的时域有限元法，建立了变压器绕组并联前后的多导体传输线模型；然后，推导了基于单变量时域有限元法求解该模型的边界条件；最后，通过 仿真计算了变压器绕组并联前后的电压分布和电压梯度大小，验证了所采用的计算模型和计算方法的正确性，同时也证明了在 作用下用保护变压器绕组的可行性。关键词：特快速暂态过电压；多导体时域有限元法；变压器绕组；时域有限元法；金属氧化物避雷器中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：（）（），（）（），：；收稿日期：作者简介：何佳仪（），女，硕士研究生，研究方向为高电压与绝缘技术。引言气体绝缘金属封闭式组合电器（，）是以 为主要绝缘、将电压等级较高的设备放于接地的金属壳内的电气设备。具有占地空间小、运行维护方便可靠、无空气污染等优点 ，为人口较为密集地区以及大型电力建设工程节省占地空间提供了便利，所以在电力系统中得到越来越广泛的应用。在 变电站中，特快速暂态过电压（，）由断路器、隔离开关以及接地开关操作或带电线路对地闪络等原因造成。在一般情况下，会对电力系统的稳定运行和变压器的绝缘防护产生危害。的抑制方法主要有三大类：一是，抑制 产生根源，即通过抑制 气体放电的过程降低电压，采取的手段主要是调整隔离开关的动作速度或是在隔离开关加装阻尼电阻；二是，抑制 的传播过程，最具代表性的方法是铁氧体磁环法 ，但是无法准确得到铁氧体磁环的计算模第 卷第期（总第 期）年月 吉林电力 （）型，因为无法准确知道它的磁滞系数和磁导系数，另外一个存在的问题是它非常容易饱和，如果将它用在 中，会造成整个 占地空间变大，自身存在的占地空间小的优点就无法体现，因此对于将铁氧体磁环用于保护变压器绕组还须进一步研究；三是，可以在变压器绕组外部并接金属氧化物避雷器（，）。本文研究变压器绕组两端并联降低电压的可行性。在 中存在高频电压波，集中参数模型无法满足仿真的需要，因此，采用分布参数模型来研究变压器绕组受到 作用下的电压分布。针对现有的 计算分布参 数模型 的 时 域 有 限 元 法（，）计 算 模 型 较大，计算较为复杂，不利于方法推广的问题，本文提出采用单变量时域有限元法对该模型进行求解。仿真计算变压器绕组并联前后的电压分布和电压梯度分布，并进行比较分析，证明了降低变压器绕组过电压的可行性。单变量时域有限元法分析计算多导体传输线模型最常用的时域方法是时域有限差分法和时域有限元法。但是在使用时域有限差分法的过程中，采用了阶跃式的结构对空间变量进行了离散，会导致电压电流无法在同一点进行离散，存在半个单位的空间长度差，在求解过程中引入了更多的变量元素。于是在对单元的边界节点进行离散处理时就显得极为不方便，而且利用时域差分法对时间步长的选取要求特别严苛，步长选的偏大或者偏小就会造成结果的振荡甚至不收敛。相比较时域差分法而言，时域有限元法对边界节点的处理更为方便准确，电压电流离散点为同一点。所以时域有限元法逐渐代替了时域差分法，但时域有限元法的计算规模较大，计算时间较长。因此，本文提出了基于单变量的时域有限元法。时域有限元方程见式（），为多导体传输线上的电压，的下标表示空间离散点，空间离散步长是，在传输线上进行空间离散，均匀离散为个点，对应个单元，方程中的，表示传输线上的所有离散点处的电压，的上标表示时间离散点，时间离散步长是。为多导体传输线上电压的函数，为多导体传输线上的电流。通过计算可以推导出系数阵，。熿燀燄燅熿燀燄燅熿燀燄燅熿燀燄燅熿燀燄燅（）多导体传输线及边界条件 变压器绕组与犕犗 犞并联前忽略变压器绕组线匝弯曲的影响且认为线圈的径向宽度远小于线圈的轴向长度，在各线匝的连接处将变压器绕组打开，将各线匝展成直线，这样就可以将变压器绕组看成是一个由多条传输线组成的多导体传输线系统（见图）。图中（）表示传输线首段的电压，（）表示传输线末段的电压；（）表示传输线首段的电流，（）表示传输线末段的电流。图变压器绕组多导体传输线模型边界条件如下：（）（）（）（）（）（）烅烄烆（）变压器绕组与犕犗 犞并联后本文考虑一般的情况，对连续式变压器绕组两端与并联进行建模（见图），推导了适用各种情况的边界条件，在线匝和线匝末端以及线匝和线匝末端并联。分析求得线匝与连接处与未连接处的节点边界条件。第 卷第期（总第 期）吉林电力 年月图变压器绕组多导体与 并联传输线模型在和连接的节点边界条件为：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（烅烄烆）（）式中：、分别为第匝末端与第匝末端流过的电流与电压；、分别为第匝末端与第匝末端流过的电流与电压。要想让降低过电压的侵袭，加在上的作用电压最少也需要有几百伏，那么就要求加在绕组首端的冲击电压至少要上千伏，才会对变压器绕组呈现出保护的作用。而本文仿真计算的变压器绕组只是一个 匝的研究模型，同时在本文的验证中加在绕组首端的电压幅值也只有一百伏，压敏电阻具有和相似的特性曲线，只是动作电压的数值不一样，所以拟采用压敏电阻来代替来进行研究，本文用 型压敏电阻来代替进行研究。图为 型压敏电阻的等效电路，其中是导电引线的电感，是器件封装和氧化锌材料的电容。考虑到的传导机制，电压电流特性的电阻区域可以分为以下个区域：低电流区域、中电流区域和高电流区域。在小电流下，可视为高阻值电阻（）；在大电流下，的低阻值电阻（）主导着响应。在这两者之间，具有理想的性质，从几微安到几十千安的电流范围内，可由式（）插值近似的理想压敏电阻特性：（）（）（）（）（）式中：是的电流；是的电压；、均为系数。的 类 型 决 定 参 数、，型压敏电阻所使用的参数见表。可由此得到图所示压敏电阻的伏安曲线。图犛 犓 型压敏电阻等效电路表犛 犓 型压敏电阻参数参数数值 图 的伏安曲线其中（）由的伏安特性得到：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）在没有和发生连接的线匝的节点边界条件为：（）（）（）（烅烄烆）（）传输线的首端和末端边界条件为：（）（）（）何佳仪，等：利用限制变压器绕组的特快速暂态过电压研究 仿真研究仿真计算的 匝连续式绕组模型，其分布参数可依照文献 所提及的计算公式计算得到。按照本文推导的公式对在该 作用下没有并联变压器绕组中线饼、线饼、线饼的电位分别进行仿真计算。在变压器绕组相邻线饼之间并联 型压敏电阻之后，测量在同样的 波形作用下绕组线饼、线饼、线饼末端的电压。仿真参数仿真计算使用的变压器绕组基本参数见表。表实验变压器基本参数参数数值线饼数量个 每饼线匝数量匝 绕组内径 绕组外径 导线规格 导线宽度 导体高度 相对介电常数 匝绝缘厚度 绝缘纸厚度 信号为冲击触发信号，其上升时间为，最大幅值为 。图为仿真计算所采用加在变压器绕组首端的冲击波形。仿真结果将由单变量时域有限元法仿真计算得到的线饼末端电压与文献 实验实测结果对比分析，可以发现波形较为吻合，从而证明了采用单变量时域有限元法计算 作用下变压器绕组电压分布的可行性。将并联前后的变压器线饼、电压仿真结果进行对比分析，结果见图。从图（）中可以得 出 并 联前 线 饼最 大 电 压 幅 值 达 到 ，并联后线饼最大电压幅值达到 ；从图（）中可以得出并联前线饼最大电压幅值达到 ，并联后线饼最大电压幅值达到 ；从图（）中可以得出并联前线饼最大电压幅值达到 ，并联后线饼最大电压幅值达到 。图 激励波形图线饼、绕组末端并联 前后电压波形对于变压器绕组，不仅关注各线饼末端的电压，饼间的最大电压梯度同样不可忽略。并联前后对比见图。电压梯度是指线饼之间的电位差，它是一个随时间和距离变化的量。定义参数表示电压梯度，即：（）（）式中：为相邻线饼内部电压最大值；为相邻线饼 内 部 电 压 最 小 值；为 绕 组 入 波 的 电 压幅值。从图（）中可以看出变压器绕组在并联之后，各线饼末端电压幅值有较大地下降，证明对降低变压器绕组两端的电压有较好的效第 卷第期（总第 期）吉林电力 年月图并联 前后对比果。不难发现并联之后线饼的电压梯度均下降，证明 作用下使用保护变压器绕组是可行的，同时也发现并联之后各线饼之间的电压梯度近似相等，有效改善了绕组的电压分布。变压器绕组并联之后，线圈的最大电位梯度会显著降低，使线圈电势分布趋于理想状态，减小了初始电压和稳态分布之间的差值。具有优良的非线性特性，因此，在变压器绕组间采用并联，可以有效地防止由于 对绕组绝缘造成的危险，只要选择适当的参数，合理配置，就能使变压器的线圈振幅大大减小。结论本文仅针对一个变压器绕组模型进行仿真计算，对其并联前后的电压分布进行研究分析，仿真分析结果可以用于变压器绕组的绝缘防护设计以及的选型。）变压器绕组线饼的首端相比较线饼的其他部分更容易发生绝缘击穿，对电力系统的稳定运行和变压器的绝缘防护非常不利，应该着重关注变压器绕组线饼的首端，加强该部分的绝缘强度。）在单变量时域有限元法的基础上，仿真计算变压器绕组在 作用下的电压分布，与已有文献数据比较，证明了该方法计算绕组电压的正确性和可行性。）通过对变压器绕组并联前后电压幅值大小和电压梯度大小的分析比较可以得出，在变压器绕组内部并联是保护绕组，降低过电压影响的好方法。参考文献：刘蕾，李华良，谢瑞涛隔离开关开合小电流仿真研究中电弧电阻模型探讨电工技术，（）：，赵琳，叶丽雅，詹花茂，等 隔离开关特快速瞬态过电压试验重复击 穿 全 过 程 仿 真 模 型 研 究 高 压 电 器，（）：，（）：刘凯，李锐海，佘争富，等隔离开关优化操作对 抑制效果的研究高压电器，（）：，张倩，李壮优 变电站 抑制措施研究电工技术，（）：贺天任，高宇，刘晓航，等 变电站中 仿真计算及抑制措施电力系统及其自动化学报 ，（）：，李宜，张彼德 中金属氧化物避雷器对 抑制研究电瓷避雷器，（）：张喜乐，梁贵书，孙海峰，等 作用下变压器绕组的过电压计算高电压技术，（）：张喜乐 对电力变压器影响的时域仿真计算及实验研究保定：华北电力大学，何佳仪，等：利用限制变压器绕组的特快速暂态过电压研究