雷電沖擊對變壓器過電壓特性的影響作用分析

閆雅楠

（晉能控股煤業集團挖金灣虎龍溝煤業有限公司， 山西 朔州 038300）

0 引言

變壓器是電力系統供應中重要的輸變電設備，對供電系統的穩定性具有重要的影響，且變壓器的生產成本較高，具有較高的經濟及使用價值。在變壓器的使用過程中，由于避雷器的故障或者失效引起雷電對變壓器的沖擊作用[1]，會造成變壓器內部的電磁振蕩，進而引起變壓器過電壓，甚至造成變壓器絕緣系統的損壞[2]。在使用過程中，應增強對變壓器絕緣系統的防護，同時雷電的沖擊作用還會引起變壓器繞組的變形[3]，產生扭曲、塌陷等缺陷，影響變壓器的正常使用。針對雷電沖擊作用引起的變壓器繞組變形造成過電壓特性的變化，采用電磁暫態程序仿真分析的形式對變壓器的變形及電壓變化進行分析[4]，從而為變壓器的使用維護提供參考，減少變壓器的損壞。

1 變壓器過電壓特性仿真分析模型的建立

以220 kV 變壓器高壓側在雷電沖擊作用下的表現進行分析，在電磁暫態程序中建立模型文件模擬雷電的波形作沖擊[5]，雷電的入侵波形如圖1 所示。從圖1 可以看出，波峰電壓值為9 470 kV，波頭的時間為3.4 μs，雷電的波形呈振蕩衰減的分布形式。采用220 kV 三繞組變壓器進行分析，變壓器的高壓繞組采用中部出線的連接形式[6]，中壓繞組采用端部出線的形式，變壓器為連續式分布結構。

圖1 雷電的波形變化

針對所分析的變壓器依據梯形電路建立單餅分布的多繞組變壓器集中參數，在分析過程中僅對變壓器高、中壓繞組的電壓分布進行分析[7]，忽略其他電壓變化的影響。在中壓繞組端部介入110 kV 的電纜作為負載，電纜的接地電容值為0.5 μF，從而完成對系統的加載設置。變壓器受到雷電沖擊作用時，繞組的變形主要發生在軸向及徑向上，由于繞組結構的變形，內部的電容、電感等參數發生變化，造成繞組的擴張或扭曲，使得變壓器的過電壓特性發生變化。

由于所分析的模型高壓繞組采用中部進行的方式，變壓器繞組的變形分布如圖2 所示，以52 餅為軸，將下部分繞組作為變形側，對稱的上半部分為非變形側，繞組的前、中、后段分布如圖2 中所示，對變壓器的過電壓特性進行分析[8]。

圖2 變壓器繞組變形位置分布

對變壓器的繞組進行分析中，采用EMTP 構建雷電沖擊作用的變壓器模型，并改變繞組集中參數模擬繞組在雷電沖擊下產生的變形，其中繞組的集中分布參數分別選取15%、55%、95%及100%，分別代表繞組不同變形程度[9]，對各個繞組上的過電壓特性波形進行采集，通過MATLAB 對繞組線餅上的最大電壓值進行分析，繪制繞組電壓的分布曲線，從而得到變壓器的過電壓特性。

2 變壓器沖擊變形過電壓特性的仿真分析

在變壓器受到雷電沖擊作用時，繞組會產生變形作用，可分為繞組的軸向變形和徑向變形，繞組變形會對變壓器等效電路的電容、電感等參數產生影響，從而影響變壓器的過電壓特性。繞組發生軸向變形時，繞組間的餅間電容及對地電容減小[10]；而繞組發生徑向變形時，則只改變對地電容的大小，餅間電容不發生變化；徑向變形對變壓器繞組最大電壓的影響作用更大[11]。在分析過程中，僅針對雷電沖擊作用造成的繞組徑向變形進行分析。

2.1 高壓繞組徑向變形模擬分析

在受到雷電沖擊作用時，高壓繞組的前、中、后各段均會產生不同程度的徑向變形，其中高壓繞組前段線餅的徑向變形會造成繞組空間因數的減小，使得前段線餅的最大電壓值減小，造成中、后段最大電壓值也隨之減小，高壓繞組前段電壓的分布如圖3 所示。從圖3 中可以看出，在高壓繞組前段產生徑向變形時，不同高壓及中壓變形時的變化分布趨勢一致，其中不同高壓值作用時變壓器的最大電壓變化相差較大[12]，隨著高壓值的增加，產生的最大電壓值也逐漸增加；不同中壓值作用時變壓器的最大電壓也存在一定的變化，但差值相差不大，這說明高壓繞組在雷電沖擊下產生徑向變形作用時，對中壓繞組的電壓影響作用較小。在圖3 中還可以看到，電壓波動在前段時的曲率要大于中后段的曲率，這是由于電壓波形在傳遞過程中存在著一定的能量損耗，在傳遞到中后段時造成最大電壓的曲率下降，使得中后段線餅的空間因數及最大電壓的分布變化與繞組的變形之間呈非線性關系，存在一定的復合變化作用。

圖3 高壓繞組前段徑向變形最大電壓分布曲線

2.2 中壓繞組徑向變形模擬分析

在受到雷電沖擊作用時，中壓繞組的前、中、后各段均會產生不同程度的徑向變形，中壓繞組產生的徑向變形，會降低變壓器高、中壓繞組間的電壓傳遞比，使得中壓繞組變形位置的最大電壓值降低，從而降低高壓繞組相對位置的最大電壓。以中壓繞組的中段變形時電壓分布為例進行分析，中壓繞組中段電壓的分布如圖4 所示。從圖4 中可以看出，在中壓繞組中段產生不同的變形作用時，不同高壓及中壓值的變化分布趨勢一致，其中不同高壓值作用時變壓器的最大電壓變化的差值要小于中壓值的變化；中壓值變化時，隨著中壓值的增加，不同位置的最大電壓逐漸減小，這是由于變壓器發生中段繞組的徑向變形時，中壓繞組的對地電容增加產生的能量損失要小，從而造成較小的電壓值作用時產生的能耗占比要大，從而變壓器的最大電壓增加，變形程度越大，則電壓的變化越大。

圖4 中壓繞組中段徑向變形最大電壓分布曲線

3 結論

1）變壓器在使用過程中受到雷電的沖擊作用，會造成繞組的變形，從而對變壓器的過電壓特性產生影響，并影響變壓器的使用。采用EMTP 針對雷電沖擊造成的繞組變形進行模擬分析，建立了變壓器集中參數的等值電路，通過參數的調整模擬不同的變形作用，對繞組變形引起的變壓器過電壓特性進行分析。

2）變壓器高壓繞組徑向變形對電壓分布的影響作用較大，高壓繞組徑向變形對高壓繞組的影響作用較大，對中壓繞組的電壓影響作用較??；變壓器徑向中壓繞組中段變形對高壓繞組的電壓變化影響較小，可減小中壓繞組的最大電壓，提高高壓繞組相對位置的電壓。

3）變壓器的繞組變形對變壓器的過電壓特性具有較大的影響作用，在使用過程中，應提高變壓器繞組的絕緣性保護，特別是徑向的絕緣保護，避免雷電沖擊作用時的變形引起的電壓變化。