GIS中发电机变压器纵绝缘结构分析计算

司秉娥

摘 要：针对气体绝缘变电站（GIS）系统特点与发电机变压器自身结构特点，本文应用波过程计算软件及VFTO作用下冲击电压分布计算软件着重对高压线圈（不同结构）纵绝缘结构进行计算，最终确定线圈形式、匝绝缘厚度、段间油道等结构参数。

关键词：气体绝缘变电站（GIS）;波过程;VFTO;冲击电压分布;线圈形式;匝绝缘

1 引言

本台变压器为单相三柱式Ii0联接组别的发电机变压器，高压500kV无载调压。此台产品置于水电的气体绝缘变电站（GIS）中，电力系统运行经验表明，电压等级在300KV以上的GIS系统，在隔离开关例行操作时，会产生波前时间很小、振荡频率很高的特快速暂态过电压VFTO（Very Fast Transient Overvoltage）。VFTO不仅可能在GIS主回路引起对地故障而且还可能造成相邻设备如变压器等绝缘的破坏。在众多遭受VFTO作用的电器设备中，变压器是VFTO的最大受害者。由特快速暂态过电压而引起的绝缘击穿事故已在许多国家电网中出现[1-5]。

由一些实际GIS系统产生的VFTO对变压器绝缘产生击穿事故的分析及试验研究结果表明，VFTO作用下变压器内部绝缘事故一般均发生在靠近线圈进线端的部分线匝处，即首端。研究表明，变压器线圈在VFTO作用下，匝间梯度电压对线圈绝缘危害最大，并且实际绝缘事故的击穿部位及匝间梯度最大值都出现在变压器入波绕组进线端第一线饼的入口处，即第一线饼的前若干线匝之间。

因此，在对产品全方面纵绝缘计算的基础上，本文利用波过程计算软件及VFTO作用下纵绝缘计算软件着重计算高压线圈首端位置绕组匝间、段间梯度数值，根据计算结果，对其绝缘弱点区域，采取了绝缘加强措施，保证了绝缘结构的安全可靠性。

2 变压器基本性能参数

1.额定电压比：550/√3-2*2.5%/24kV

2.连接组别：Ii0

3.绝缘水平：

高压：SI/LI/LIC=1175/1550/1675kV-LI325

低压：LI/LIC=145/160kV

4.阻抗百分比：17%±5.8%

3 变压器线圈波过程计算初始条件

综合考虑产品技术要求、成本核算及工艺操作难易程度等要求，本台产品选择为单相三柱铁心结构，器身从内部铁心向外以次为高压2、低压2、低压1、高压1结构，如下图所示：

计算时输入标准全波与截波波形，波前时间为1.2微妙;半峰值时间为50微妙;过零系数为0.3;截断时间为3至6微妙。波过程计算时变压器油、纸、垫块及纸板四种不同材料的相对介电常数分别取为2.3、3.2、4.5、4.5。

4 高压线圈纵绝缘计算

由于纠结式绕组的焊接头多，特别是大容量的高压绕组，随着并绕根数的增多，将给纠结绕制带来很大困难。因此，本文高压选择内屏连续式结构，采用四段跨接结构。高压线圈中部出线，上、下并联，绕向相反，为了降低线圈的涡流损耗，保证产品的抗短路能力，高压线圈采用自粘性换位导线。

针对高压线圈的内屏连续式结构，本文主要计算高压线圈首端屏蔽段数及屏蔽匝数，最终确定高压线圈具体结构。

波过程计算时，电压的起始分布和最终分布的差值就是振荡过程的自由分量。对于中部出线，中性点接地的变压器而言，线圈电压起始分布与最终分布如下图所示：

由上图可以看出，对于中性点接地的变压器，要是能做到起始分布与最终分布完全一样，就不会产生振荡。由于线圈的稳态分布规律不会变化，因此主要靠改善起始分布来改善线圈的梯度分布。通过上述公式，可知要想改善冲起始分布就要增大纵向电容，减小对地电容。而纵向电容要均匀分布，从首端到末端应逐渐减小，如果电容突然变化，则在分接区交界处线饼间梯度会突然增大，因此本文针对DSP-375000/500高压线圈段数、匝数的结构特点及线圈实际绕制的难易程度，本文选择内屏连续式结构。针对内屏连续式的结构特点，本文给出不同屏蔽段数、不同屏蔽匝数一共7种结构。7种结构如下表所示：

经过计算波过程软件的仿真计算， 获得高压线圈所有段间油隙间梯度及安全系数的曲线图如下图所示（本文只给出第7种结构的仿真计算结果）：

由上部图可以看出高压线圈采用第7种结构时，高压线圈段间最大梯度为7.2%* U0;高压线圈最小安全系数为1.25，出现在高压首端前十段线饼之间。其余几种结构的计算方法与第7种结构计算方法类似，本课题获得以上7种结构的计算结果，如下表所示：

根据表2的计算结果，可知，当屏蔽段数超过本身总段数30%以上，屏蔽匝数超过每饼匝数58%以上时，高压线圈最大梯度值减少比较迟缓，综合考虑其设计成本与纵绝缘安全裕度，本文选择第4种方案进行高压线圈的结构设计。

5 VFTO作用下高压线圈纵绝缘

计算

在波过程计算的基础上，本文再对第四种方案进行VFTO作用下暂态电压分布计算，重点计算靠近变压器线圈首端匝间。由于当特快速暂态电压波侵入变压器时，大部分电压降落在靠近线端的一小部分线圈上。因此与变压器线圈的波过程计算不同，波过程计算采取以饼为单元建立模型，而VFTO作用下线圈则采取以单个线匝为单元建立等值电路模型，以适用更高频率的计算范围。

根据 GIS变电站系统在变压器端口处的VFTO波形（图4），本课题计算VFTO作用下，高压绕组线圈首端匝间电压分布。变压器高压线圈首端最大径向匝间电压及最大轴向匝间电压伏秒特性曲线如图5所示。首端最大径向匝间电压为0.297p.u（其中p.u是工频电源相电压幅值为基值的标么值1p.u.=                         =449kV），首端最大轴向匝间电压为0.225p.u，按此计算结果进行变压器匝绝緣裕度校核，最小径向匝间绝缘裕度为1.46，最小轴向匝间绝缘裕度为1.85。

根据上述计算结果，本台产品在给定的变压器端口VFTO波形条件下，其匝间最小安全系数为1.46，大于本公司规定的安全裕度。认为该台产品的绝缘结构在VFTO作用下完全可以满足安全运行要求。

在安全运行基础上，要想提高变压器绕组防护VFTO的能力，可采取如下措施：

① 加厚靠近变压器线端若干段的匝绝缘;

② 在特高压GIS电力系统中采取保护措施，抑制变压器线端VFTO的产生（如  GIS隔离开关加装分、合闸电阻等措施）。

6 结论

（1）针对高压线圈，本文采用内屏连续式结构增加纵向电容，最终确定高压线圈结构为：4*4P4;6*4P3;4*4P2;4*4P1。

（2）根据 GIS变电站系统在变压器端口处的VFTO波形，本课题 计 算VFTO作用下，高压绕组线圈首端匝间电压分布。获得最小径向匝间绝缘裕度为1.46，最小轴向匝间绝缘裕度为1.85;同时本文给出提高变压器绕组防护VFTO能力的措施。

参考文献：

[1] 倪光正.工程电磁场原理.北京：高等教育出版社，2002.

[2] 张嘉祥.变压器绕组波过程.北京：水利电力出版社出版，1982.

[3] 尹克宁.变压器设计原理.北京：中国电力出版社，2003.