箱式變電站及變壓器雷電沖擊試驗淺析

冉 勇

（甘肅電器科學研究院）

1 雷電沖擊試驗介紹

雷電是天空放電現象，是一種超長氣隙的火花放電，它產生的電流可高達數十甚至幾百千安，能使被擊物體炸毀、燃燒、使導體熔斷或通過電動力引起機械損壞。雷電放電可在電力系統中產生很高的雷電過電壓，它能使電力系統中電氣設備產生絕緣故障從而影響供電質量。雷電沖擊試驗是利用沖擊發生器模擬真實的雷電波形對試品進行的試驗。

根據標準GB/T1094.3—2017 規定，Um≤72.5kV時，線端雷電全波沖擊試驗和線端雷電截波沖擊試驗屬于型式試驗。本文主要討論的是這兩個試驗。雷電全波沖擊試驗是用來驗證變壓器在遭受雷電沖擊時耐受強度。與交流電壓不同的是，該試驗包含有高頻電壓分量。雷電截波沖擊試驗與雷電全波沖擊試驗相比，電壓峰值高，頻率也更高，它既包括全波沖擊又包括利用截斷球隙截斷的截波沖擊。它用來驗證變壓器在運行過程中耐受某一些高頻電壓的能力。

2 多級沖擊電壓發生器

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

圖1 四級沖擊電壓發生器的原理電路圖

T—充電變壓器 D—高壓硅整流器R0—保護電阻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，首先通過調整球隙的距離，控制各個球隙的放電電壓，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，使得充電電壓達到U0，這時G1先被擊穿，由于并聯充電，串聯放電，從而使G2～G4依次被擊穿，這時在輸出端獲得接近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斷的雷電沖擊電壓。

圖2 雷電沖擊全波波形

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

（1）波頭時間的近似計算

（2）半峰值時間的近似計算

式中，Tf為波頭時間常數；Tt為波尾時間常數；C1為沖擊電容；C2為負荷電容；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：記錄曲線和基準曲線的差。

3.2 雷電沖擊截波

由破壞性放電導致的電壓突然跌落至零點的雷電沖擊電壓，跌落可發生在波前，波峰或波尾。波前截斷雷電沖擊波如圖4 所示，波尾截斷雷電沖擊波如圖5 所示。

圖4 波前截斷雷電沖擊波

圖5 波尾截斷雷電沖擊波

截斷瞬時：電壓曲線跌落的部分10%和70%兩點連接直線與電壓跌落曲線的交點。

截斷時間（Tc）：截斷瞬時和視在原點的時間間隔。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 雷電沖擊波形調波

依據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，則除非經過同意，否則雷電沖擊試驗應在變壓器兩個極限分接和主分接進行，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的外層電子，使空氣發生電離，逃逸原子核束縛后的電子稱為自由電子，帶負電荷，當自由電子和其他中性氣體分子結合后，就會形成帶負電荷的空氣負離子[5]，故變壓器雷電沖擊試驗通常在負極性下進行，以防止試驗線路中出現外部閃絡的情況。

圖6 雷電沖擊試驗圖

示傷電流采用中性點電流法采集。

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

在對大型變壓器進行雷電沖擊時，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定的波形，此時應允許有較大的偏差。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間和上升率，只能減小串聯電阻，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，應該波前電阻和峰值過沖同時兼顧。通常，應盡量使振蕩峰值過沖不大于10%，使波前時間不大于1.56μs，對于Um≤800kV 的變壓器，波前時間不應超過2.5μs。為克服這一矛盾 ，唯一有效的途徑是減小整個試驗回路的電感。雷電沖擊試驗回路的電感包括沖擊電壓發生器的電感及連接被試品的外部引線回路電感[7]。由于沖擊電壓發生器在出廠時，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荷電容，來抵消回路電感值，而達到減小峰值過沖的問題。

對于截波試驗，截斷時各種規定參數，如波前時間、半峰值時間、截斷時間、反極性過沖幅值等與截斷電路的布置，截斷電路的阻抗和試品的阻抗有關。對截斷瞬時時間不作為規定的試驗參數，只要求截斷時間符合規定要求2～6μs 的范圍。但是，在對波形進行比較和判斷時，必須是在截斷瞬時時間幾乎相同的情況下才可以進行[8]。如統一是波尾截斷。依據GB 1094.3 中規定，反極性過沖應不大于30%，但當反極性過沖應不大于30%時，可以在截斷電路中接入阻抗使反極性過沖控制在30%以內。接入阻抗可以加在弱阻尼電容分壓器引線處和截斷球隙引線之間[9]。并且盡可能地縮短截斷裝置和分壓器之間接線的長度，以便得到更短的截斷持續時間，增大電壓驟降陡度。為防止截波試驗時，截斷裝置發生自截現象，可以適當地減小截斷球隙球距電壓比，而增大截斷球隙球距，使截斷球距明顯地大于沖擊發生器球距，而避免自截現象。

對于大型變壓器進行雷電沖擊時，由于其繞組電感小和/或沖擊電容大，雷電沖擊截波調波試驗往往很困難，首先調節全波的波頭時間，過沖是否超過限值，待調整完后再調節截斷時間，調整截斷球隙，防止自截的同時，要控制截斷時間在規定的范圍內。如圖7、圖8 在調節全波波形符合要求的情況下，截波反極性過沖超過30%，由于截斷時間不太穩定，增加截斷球隙的級數，對于反極性過沖問題，在增大波頭電阻的同時，在試品和分壓器之間增加串聯電阻，發現反極性過沖變化很小，調節電阻阻值后發現還是沒有降到要求值，這時可以在充電電阻兩側并聯電容器，來減小整個試驗回路的電感，經過調節發現反極性過沖減小到要求值，如圖9、圖10 所示。

圖7 截波302kV 反極性過沖試驗圖1

圖8 截波605kV 反極性過沖試驗圖1

圖9 截波302kV 反極性過沖試驗圖2

圖10 截波605kV 反極性過沖試驗圖2

5 結束語

本文主要對變壓器的雷電沖擊試驗進行簡析，通過波前時間和波尾時間計算公式，結合自身工作經驗和所學知識，聯系標準，通過探討增加附加阻抗，并聯負荷電容等方式，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的波形調試有一定的借鑒作用。