特高壓變壓器典型分區(qū)絕緣結(jié)構(gòu)線圈內(nèi)匝間電壓振蕩特性分析

陳修建（哈爾濱變壓器有限責任公司，黑龍江　哈爾濱　150078）

特高壓變壓器典型分區(qū)絕緣結(jié)構(gòu)線圈內(nèi)匝間電壓振蕩特性分析

陳修建
（哈爾濱變壓器有限責任公司，黑龍江哈爾濱150078）

本文以內(nèi)屏連續(xù)式和糾結(jié)連續(xù)式這2種典型結(jié)構(gòu)為主的高壓線圈為研究對象，研究有穩(wěn)定頻率的響應(yīng)因子、振蕩的模式、正弦電壓、快速暫態(tài)過電壓即VFTO刺激下的線圈內(nèi)匝間所產(chǎn)生電壓的分布規(guī)律，對暫態(tài)電壓突然侵入后產(chǎn)生的電壓振蕩起著良好防范的作用。研究表明，較大的響應(yīng)因子所產(chǎn)生的頻率要分散一些，由于變壓器在圈內(nèi)展現(xiàn)的電壓振蕩頻率大概在＜10MHz左右，因此，糾結(jié)連續(xù)式線圈要小于內(nèi)屏連續(xù)式線圈。但是，在穩(wěn)定的電壓刺激下，低頻振蕩對大范圍的節(jié)點電壓做出的貢獻要多一些；反之，高頻的模式對首部的少數(shù)節(jié)點要有明顯貢獻。因此，糾結(jié)連續(xù)式激起的匝間電壓的范圍要小于內(nèi)屏連續(xù)式。

變壓器；匝間電壓；振蕩模式

電力系統(tǒng)中，大型的電力設(shè)備，尤其是當各種的暫態(tài)電壓流過時，有可能會對電力變壓器造成損害。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)中的快速暫態(tài)電壓變得越來越復雜難懂，這不僅對變壓器絕緣的設(shè)計結(jié)構(gòu)提出了新的要求，同樣的，這也對絕緣的材料有了新的規(guī)劃。

一、震蕩特性分析的必要性

為了了解變壓線圈的設(shè)計，研究震蕩的特性是很有必要的。目前需要了解的有以下3個難點：（1）是否存在一種辦法或者是運用某種手段，來避免或減少暫態(tài)震蕩所激起的匝間過電壓對絕緣結(jié)構(gòu)帶來的損害。（2）對于震蕩電壓沿著線圈展開來的空間分布狀況，我們不可知，同樣也不了解在線圈中的什么位置階段比較容易產(chǎn)生過電壓。（3）是否存在這一種情況：當流經(jīng)過的暫態(tài)電壓主要震蕩所產(chǎn)生的頻率與變壓器自身穩(wěn)定的頻率相接近甚至達到吻合狀態(tài)的時候，能否導致過電壓。基于以上三點，對含有穩(wěn)定的、自然的頻率下產(chǎn)生的震蕩特性的研究很有必要。目前，有的文獻已經(jīng)對震蕩模式電壓的空間分布圖、對震蕩電壓的數(shù)值進行估算、變壓器中含有穩(wěn)定的、自然地、固有的頻率的分布規(guī)律等做出了研究報告。為了提高在范圍內(nèi)的變壓器穩(wěn)定頻率的精確度，研究出了一種新型的參數(shù)電路模型；為了研究變壓器的諧振特性及定位震蕩最嚴重的部位，建立了單輸出或多輸出端口模型；為了避免變壓器絕緣的較大危害，通過研究結(jié)合變壓器線匝和匝間電壓之間不同頻率下產(chǎn)生的反應(yīng)，表明了諧振所產(chǎn)生的匝間電壓最高峰值有可能高達數(shù)倍。

二、典型高壓線圈結(jié)構(gòu)的內(nèi)容概述

眾所周知，高壓線圈有2種非常典型的絕緣線圈結(jié)構(gòu)，在這里暫且稱為一號線圈和二號線圈。相同點的是，這兩個線圈都有72個線餅，并都含有鐵芯。不同的是，一號線圈是由24餅跨4 餅插入內(nèi)屏蔽式的線圈、8 餅跨 4 餅插入內(nèi)屏蔽式線圈、40餅連續(xù)式線圈串聯(lián)組合而成的內(nèi)屏連續(xù)式線圈；而二號線圈是由12 餅普通糾結(jié)式線圈、16 餅跨 4 餅插入內(nèi)屏蔽式線圈、12 餅 2 根插花糾結(jié)式線圈、24 餅連續(xù)式線圈、8 餅跨 2 餅插入內(nèi)屏蔽式線圈串聯(lián)組合而成的糾結(jié)連續(xù)式線圈。

圖1

三、震蕩電壓的分布特性

根據(jù)研究顯示，震蕩電壓的分布有以下幾個特性：（1）在低頻震蕩和高頻震蕩的模式中，就線圈首部而言，低頻震蕩模式相較于高頻震蕩模式而言，可能不會產(chǎn)生較大的匝間電壓，沒有較大的電壓梯度。對于高頻震蕩模式來說，低頻的震蕩模式中位置相近的節(jié)點電壓較小，尤其是在線圈首部的那幾個線圈中表現(xiàn)的特別明顯。雖然低頻和高頻震蕩模式的節(jié)點電壓的分布曲線都呈現(xiàn)出波動的形式，但是，高頻震蕩模式中空間分布曲線波動的最高峰之間的間距要小于低頻模式的鋒線間距。由于低頻和高頻的穩(wěn)定頻率形成的不同，簡單來說，低頻震蕩模式中的穩(wěn)定頻率是由分布電容和整個線圈的分布共同決定的，而高頻震蕩模式是由分布電容和局部線圈所決定的。換句話說，低頻是整體，高頻是局部，此為不同點。因此，低頻的震蕩模式將會出現(xiàn)較大范圍的區(qū)域性。（2）響應(yīng)因子的數(shù)值越小，相應(yīng)的自然穩(wěn)定頻率的實體部分就越大。一般來說，穩(wěn)定頻率的響應(yīng)因子＜5MHz，而具有明顯特征的響應(yīng)因子的穩(wěn)定頻率在＜10MHz左右。因此，伴隨著頻率的升高和線圈損耗率的快速增加，穩(wěn)定頻率的實體部分也越大。（3）糾結(jié)連續(xù)式和內(nèi)屏連續(xù)式線圈的匝線安排方式區(qū)別較大，線匝之間的電磁融合也差別較大，這有可能會導致兩組線圈在轉(zhuǎn)移函數(shù)中產(chǎn)生的零極點的分布空間不同。具體的來說，繞組變壓器是一個龐大復雜的系統(tǒng)，有可能在某種線圈的某個部分或者某幾個頻率范圍會出現(xiàn)一個或多個大數(shù)值的響應(yīng)因子，這些響應(yīng)因子數(shù)值不會隨著頻率的變化而變化。根據(jù)線性系統(tǒng)理論所得出結(jié)論來看，自然穩(wěn)定頻率的極點所對應(yīng)的數(shù)值會伴隨著零極點空間分布的情況發(fā)生變化而做出相應(yīng)的改變，轉(zhuǎn)移函數(shù)零極點可能會因為很相近的關(guān)系而互相抵消（如圖1所示）。

結(jié)語

（1）糾結(jié)連續(xù)式線圈中較大的響應(yīng)因子所對應(yīng)的頻率分布空間要集中些，而內(nèi)屏連續(xù)式線圈中較大的響應(yīng)因子所對應(yīng)的頻率分布空間要分散一些，且糾結(jié)連續(xù)式線圈中最大響應(yīng)因子要較小于內(nèi)屏連續(xù)式線圈。（2）糾結(jié)連續(xù)式線圈與內(nèi)屏連續(xù)式線圈的震蕩模式存在差異的原因，主要是因為在線圈的首部，其設(shè)計結(jié)構(gòu)決定了高頻震蕩模式及在高頻下的穩(wěn)定頻率的空間分布。（3）在線圈首部，高頻震蕩模式可能產(chǎn)生較大的匝間電壓；但是，在穩(wěn)定頻率的正弦電壓沖擊下，低頻震蕩模式所產(chǎn)生的震蕩量值會對大多數(shù)節(jié)點的電壓有著較大貢獻。

結(jié)語

總而言之，隨著任何事物越來越科學化、機械化，當今社會無時無刻不面臨著多種安全隱患，無論是從事業(yè)的發(fā)展，還是人身的安全，更是社會的穩(wěn)定來看，安全遠遠排在第一位。在內(nèi)屏連續(xù)式線圈中產(chǎn)生的最大匝間電壓大于糾結(jié)連續(xù)式線圈，并且所產(chǎn)生的最大匝間電壓的范圍大于糾結(jié)連續(xù)式線圈的情況下，要加強線餅的絕緣性，比如絕緣材料的采用等，預防在強大的沖擊下，匝間電壓帶來的過度損害。

[1]韓波.電力變壓器繞組波過程分析及部分縱絕緣優(yōu)化[D].哈爾濱理工大學，2011.

TM41

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