干式变压器线圈中冲击过电压的分析和改善

廖虹炜

（顺特电气设备有限公司，广东佛山 528300）

0 引言

变压器的过电压主要分为操作过电压和大气过电压，变压器运行时，输电线路遭受雷击或雷云放电时，电磁场的剧烈变化所引起的过电压称为大气过电压。操作过电压一般为额定电压的3～5倍，而大气过电压，可达额定过电压的8～12倍，且在绕组中分布极不均匀，进出线端部的部分线匝承受的电压很高。过电压在变压器中对绝缘的破坏主要有两种情况，一个是绕组和其他部件间的绝缘；一个是绕组内匝间和段间的绝缘击穿。

如何加强和改善变压器线圈在冲击电压作用下的绝缘强度是考核变压器性能的重要指标。

1 雷电冲击电压下的电路模型

变压器线圈中雷电冲击电压下的波过程，主要是由于线圈内过电压的自由震荡过程和线圈之间的静电电磁感应过程所引起的[1，3]。由于雷电冲击试验电压波头部分的电压上升速度极快，其傅立叶分解为一系列频率很高的正弦波，因此，雷电冲击电压下线圈中的起始电位分布主要是由杂散电容决定的。为建立合适的波过程分析的电路模型，将变压器绕组细分成若干段。每一段用集中参数的电容来表示。其中：CS为纵向等值电容，是由匝间电容等值计算的；CP是层间电容的等值电容；C0为对地电容。在忽略电感，电阻的情况下，图1给出了一个4线段、单线筒、每线段5层线圈的等值电路图，见图1雷电冲击电压下电位分布计算的等值电路。

图1 雷电冲击电压下电位分布计算的等值电路图

为了直观的理解理论分析的结果，也可以简化成类似于绝缘子链的等值电路来表示线圈，其中：Ck是图1中CS和CP的等值电容；C0为对地电容，见图2[2]。

图2 简化的等值电路图

2 雷电冲击电压下的起始电位分布

对应雷电冲击电压下的起始电位分布，根据数学推导，雷电冲击电压下线圈中的起始电位分布可以近似用下式来表达：

式（1）中：U0——入射波电压幅值；x——绕组上任意一点到入波端的长度

由公式（1）可见，α值越大，表示Co的分流作用越大，起始电位分布越不均匀；不同的α值对应的起始电位分布曲线见图3，其中，曲线1为稳态分布亦即理想的起始电位分布曲线，曲线2和曲线3为模拟实际分布的曲线。

图3 不同的α值对应的起始电位分布曲线

由公式（1）也可以导出，起始电位分布的电位梯度在首端最大，这就使首端不仅主绝缘上，尤其是纵绝缘上承受了较高的电压，因此，高电压等级的高压绕组中首端绝缘必须加强。

图4是用计算软件模拟的某产品冲击全波试验0.5～2.5 s的电位梯度曲线。

图4 冲击全波试验0.5～2.5 s的电位梯度曲线

对雷电冲击电压下的起始电位分布计算结果进行分析：

（1）从计算结果看，高压绕组的首端（进波端）承受了最大电压并靠近首端的几匝间出现最大的电压梯度;

（2）一般来说，提高绕组的冲击强度，就是尽量使起始电位分布与最终电位分布接近。为此，必须降低绕组的冲击系数α，即减小绕组的对地电容和增大绕组的纵向电容。

3 应对措施

为了防止变压器线圈绝缘在过电压，主要是雷电过电压时被击穿，必须针对过电压的特点，采取相应的保护措施，目前主要采用的措施如下。

（1）合理布局

变压器线圈内的绝缘主要包括匝间绝缘、层间绝缘和段间绝缘，设计时应重点考虑各种电压及其梯度在绝缘上的分布，对应高压线圈，采取合理的布置方式，改善电场的分布，避免局部场强过高。对应低压线圈，首尾匝采用平行绕制，减少螺旋角引起的安匝不平衡，提高变压器的抗冲击能力。

（2）加强绝缘

针对雷电冲击过电压的特点，起始电压不均匀且会出现较高的匝间电压。除了加强干式变压器高压线圈对地绝缘外，对于线圈内部，还要加强首端和末端部分线匝的绝缘。具体来说，对于电压等级≥15 kV的干式变压器高压绕组，首端（进波端）引出线所在的线段的最后一层减少相应的匝数（相对于上一层减少的匝数视具体情况而定），且最后几匝，用Nomex纸410半绕或2/3叠包绕，以加强其匝间及层间绝缘。

（3）增大匝间电容

加强匝间及层间绝缘的做法，在增大了匝间电压梯度的同时，也减少了匝间电容。而匝间电容相对于对地电容越大，则电压的起始分布越均匀，电压也梯度越小，所以对于35 kV电压等级的干式变压器多线筒高压绕组，可以合理的加大最外面一个线筒的端绝缘尺寸。

最外面一个线筒中，首层匝数多的线段优先布置于靠近端部，也可以选择两段串联以后在与里面的线段联结，以增大风道间电容。

（4）其他措施

在干式变压器的高压侧加装金属氧化物避雷器，也是目前变压器等设备应对雷击影响，保护变压器安全运行的常见的有效措施。当雷击发生时，浸入的操作过电压会使得避雷器动作，过电压波对地导通，不会浸入变压器内部，从而有效保护了变压器。

对一些电力设备还可以采取安装避雷针、架设避雷线的措施

4 结束语

干式变压器在正常运行时要承受各种过电压的作用。这些过电压对变压器的绝缘具有很大的危害，甚至会使得绝缘击穿。实践表明，在导致变压器损坏的各种过电压中，雷击所占的比重很大。所以研究雷击冲击波过电压对变压器绕组的破坏作用，计算出可能出现的过电压的幅值和发生的位置，寻找合理的绕组内部保护措施，将有利于我们对变压器的绕组结构进行更加合理的设计，从而设计出更加经济、安全的变压器，以确保变压器的安全运行。

［1］崔立君.特种变压器理论与原理［M］.北京：科学技术文献出版社，1994.

［2］尹克宁.变压器设计原理［M］.北京：中国电力出版社，2003.

［3］张嘉祥.变压器线圈的波过程［M］.北京：水利电力出版社，1982.