大型油浸式隔离变压器用屏蔽层的研究

段晓军，迟主升，李林达

（广州西门子变压器有限公司，广州 510530）

0 引言

大型油浸式隔离变压器所用的屏蔽层具有一定的结构特点，这类产品均为一次绕组-金属静电屏蔽层-二次绕组的同心排布的型式，这与小型变压器的主次线圈分列结构有着根本上的区别。因此同轴屏蔽结构可以作为隔离变细分类型的特征，其原理和效果上的研究不多。

隔离变压器是一种实现一二次的完全电气隔离的变压器，在结构上，隔离变压器应使两个绕组之间不存在任何连接的可能（不论是直接连接还是通过其他金属件简介相连），以避免偶然同事触及带电梯（或因绝缘损坏而可能带电的金属部件）和地所带来的危险[1]。文献中对其主要的作用和应用场合总结如下：物理上的电气隔离[2]、削弱共模高频干扰电压[3]、限制短路电流、减小三次谐波干扰[4]、隔离雷击电磁脉冲[4]。但是大多数隔离变的研究都针对电源电压不超过1 100 V小型低电压隔离变[5-6]，几乎很少有对10.5 kV-10.5 kV油浸式电力隔离变压器的研究。

传统的同轴屏蔽层大多购置成品，但是隔离变由于没有相关的验证试验。所以变压器的出厂试验仅能验证其安全性，并不会验证其屏蔽效果。本文通过仿真分析、样品验证等方式对屏蔽真实效果进行研究。另一方面，纯金属屏蔽存在损耗偏高，成本较高等缺陷，这些缺陷会随着产品电压和容量的提高而更加明显。验证非全金属的替代屏蔽方案也是本文研究重点。为自主生产制造屏蔽层提供依据，也为电网用户选用类似产品提供参考。

1 仿真研究

从文献中指出的隔离变的5个作用出发，逐一分析如下。

（1）电气隔离是通过物理隔离实现的，其实除了自耦变压器之外，所有的变压器的一次侧和二次侧都不存在电气连接，能量转换是通过电磁感应实现的。而屏蔽层的作用是在一次侧和二次侧之间增加了地电位，进而增加一二次线圈间的物理距离，所以不易发生一二次之间的电击穿。但是线圈与屏蔽层之间有电压差，线圈到屏蔽层的击穿依然会损坏变压器。而屏蔽层一般很薄，其端部电场相对集中，端部电场将会是隔离变设计的一个主要内容，必须引起重视。

（2）削弱共模高频干扰电压[7]，该作用是通过接地屏蔽层直接实现的，因此是本文的重点研究方向。

（3）限制短路电流是通过一二次之间的阻抗实现的[8-9]，与屏蔽层无关。本文也不做展开讨论。

（4）减小三次谐波干扰[10-12]，包含电源三次电压谐波和非线性负载的电流谐波，按照文献描述该功能是通过角接绕组实现的，与屏蔽层无关，本文也不展开讨论。

（5）隔离雷击电磁脉冲[13-14]，这个也是客户最为期待的功能之一。同时该功能扩展开来还可以通过磁饱和原理消除浪涌。是本文重点研究的内容之一。

因此，重点研究屏蔽层对削弱高频干扰的效果。具体的方法将使用波过程仿真软件MWSTS，对屏蔽层进行建模，对比有无屏蔽层时的雷电冲击传递效果。

1.1 参考变压器

选用一台的SFG-63000/10.5典型隔离变压器进行研究。该变压器容量为63 MVA，一二次侧阻抗为8%，且均采用角接，额定电压均为10.5 kV。

1.2 屏蔽层的等效建模

模拟工况为一次侧的全波冲击电压105 kV和截波波冲击电压115 kV。对应的线圈排布如图1所示，重点关注的二次侧线圈中部层间电压U2(o-i)，二次侧线圈内层中部对地传递电压U2(i-G)，二次侧线圈外层中部对屏蔽层传递电压U2(o-S)，一次侧线圈中部对屏蔽层传递电压U1-S。对于无屏蔽方案，采用保持线圈间距的同时，去除屏蔽层，如图2所示。重点关注的二次侧线圈中部层间电压U2(o-i)，二次侧线圈内层中部对地传递电压U2(i-G)，二次侧线圈外层中部对一次侧中部的传递电压U2o-1。

图1 参考用隔离变压器基本排布及工况

图2 对比用无屏蔽层变压器基本排布及工况

1.3 仿真结果的对比分析

计算基于一次侧入波全波和截波，并考虑最大（Max）、额定（Rated）和最小（Min）3个分接状态。为了方便对比，将冲击仿真结果统一折算为工频电压并取最大值。其中全波折算系数为2.7，截波折算系数为2.97。整理后得到结果如表1所示。由数值可以发现，二次侧外层对屏蔽层电位低于无屏蔽层时对一次侧的电位，但由于不是一个条件下的电压，所以并不具备对比性。因为二次侧外层到屏蔽的距离只有到一次侧的一半，采用主空道平均场强Eave=来计算，有屏蔽比无屏蔽的截波更高，全波更低。另一方面，二次侧层间及二次侧内层对地的电压，有无屏蔽差别不大，甚至无屏蔽略低一些。但是这些趋势掺杂了不同分接及不同波形的影响，需要进一步进行波形分析。

表1 折算为工频的数值结果对比

单独提取同工况（全波额定档）二次侧外层电压进行对比，如图3所示。并提取同工况（全波最小档）二次侧层间电压进行对比，如图4所示。可以看到有无屏蔽的方案之间并无明显的波形区别。而对于截波，二次侧传递电压可能略小，但波形几乎也没有明显差别。

图3 有无屏蔽条件下二次侧外层中部电压的差别

图4 有无屏蔽条件下二次侧层间电压的差别

隔离层对于降低传递电压（含高频）影响很小，这与文献中的说法差别很大。通过理论分析，可能的原因是传递电压并非完全依赖于线圈间电容分布，而电感及铁心传递也有非常大的影响。为了证实这样的观点并寻找最合理的屏蔽材料，接下来开展了一系列的样机试验。

2 样机试验研究

2.1 一号样机

2.1.1 样机目的及设定

一号样机为铜板电容试验，有两个需要验证的方向：（1）在没有电感和铁芯的影响下，隔离层的实际效果；（2）对比不同材质隔离层的效果。

具体的方案原理如图5所示，取两块铜板模拟无电感的线圈，铜板间设置1 mm层压纸板（PSP）+接地屏蔽材料+1 mm层压纸板（PSP）的结构，外侧设定防护和夹持。

图5 样品基本结构

用于对比的屏蔽样品包括，空白组（1张层压纸板），铜箔组（0.5 mm铜箔），铝箔组（0.6 mm铜箔），碳黑纸组1（1层0.145 mm后的导电碳黑纸），碳黑纸组2（3层0.435 mm后的导电碳黑纸），碳黑纸组3（6层0.87 mm后的导电碳黑纸），铜条+碳黑纸组1（铜条在碳黑纸表面均匀分布并连通，覆盖面积约占总碳黑纸面积的8%），铜条+碳黑纸组2（铜条在碳黑纸表面均匀分布并连通，覆盖面积约占总碳黑纸面积的40%），铜条+碳黑纸组1（铜条在碳黑纸表面均匀分布并连通，覆盖面积约占总碳黑纸面积的72%）。

2.1.2 试验方案的设定

具体的试验方案如下：（1）屏蔽层接地，在一次侧铜板上施加100 V标准冲击波形电压，测量二次侧铜板对地电压；（2）更换屏蔽层材料，重复上述试验并记录。

等效电路如图6所示。其中铜板对屏蔽层之间的电容为C′，铜板对地电容为C。可以看到一二次侧的电压传递是通过铜板对屏蔽之间的电容完成的。因为这个模型都只有电容，并不会有电感和电阻。因此该样机可以称为电容样机。通常，业内认为在暂态过电压冲击中（特别是雷电冲击），因为入波等效频率很高，变压器的内部电压分布将基于电容进行分布。

图6 试验等效电路

2.1.3 样机的结果与结论

试验结果如表2所示。从结果中可以得到以下结论：（1）接地的金属箔作为屏蔽层，可以完美屏蔽纯电容耦合的传递电压；（2）碳黑纸作为屏蔽层，由于电荷移动速度有限，难以做到有效屏蔽；（3）铜条覆盖一定面积的碳黑纸的效果逊于金属屏蔽，但也能做到超过90%的效果。且随着铜条覆盖占比的增加，屏蔽效果也会相应增加。

表2 一号样机的试验结果

2.2 二号样机

2.2.1 样机目的及设定

二号样机为小型变压器模型试验，有两个需要验证的方向：（1）在存在电感和铁芯的影响下，隔离层的实际效果；（2）对比不同材质隔离层在该样机条件下的效果；（3）屏蔽对频率响应的影响。

具体的方案原理如图7所示，取现有半成品变压器铁心，绕制两个小型线圈。线圈间放置不同类型的屏蔽层。整体布置从铁芯至外依次为：1 mm层压纸筒，12 mm厚二次侧线圈（该线圈每层25匝，绕制2层），10 mm空道，2 mm层压纸筒，12 mm厚一次侧线圈（该线圈每层25匝，绕制2层），1 mm层压纸筒。无需浸油干燥等工序。

图7 样品基本结构

由于一号样机已经证明了纯碳黑纸的结构的无效性，以及铜条+碳黑纸的结构的有效性。所以二号样机对铜条+碳黑纸仅准备了8%的一组样品。用于对比的屏蔽样品包括，空白组（1张层压纸板），铜箔组（0.5 mm铜箔），铝箔组（0.6 mm铜箔），铜条组（多个铜条围成桶状，铜条间有绝缘间隔，并最终一点短接接地），铜条+碳黑纸组（铜条在碳黑纸表面均匀分布并连通，覆盖面积约占总碳黑纸面积的8%）。

2.2.2 试验方案的设定

具体的试验方案如下：（1）铁心插好上轭，使用三芯电工线绕制线圈；（2）屏蔽层接地，使用雷电冲击发生器在一次侧施加150 V标准冲击波形，测量二次侧波形并记录；（3）更换频率响应接线，在一次侧施加输入信号，测量二次侧的响应；（4）抬高一次线圈，露出二次侧外部的屏蔽层，更换屏蔽样品，重复上述试验并记录。

该样机的等效电路如图8所示。其中串联电容是相邻导线之间的电容，而串联电容与导线自感及等效电阻组成的支路并联。导线到地电位之间的电容为并联电容。并联电容是导致线圈整体电位分布不均匀的直接原因。一二次侧之间的电压由线圈到屏蔽之间的两个主电容及通过铁芯耦合的互感进行传递。

图8 试验等效电路

2.2.3 样机的结果与结论

试验结果如表3所示。

表3 一号样机的试验结果

频率响应结果对比如图9所示，其中橘色为空白组响应波形，蓝色为铜箔组响应波形。可以看出，铜箔组在0.2～0.91 MHz之间的部分不仅没有衰减，反而比空白组有更高的响应。只有0.91 MHz以上才有明显的衰减效果。类似的现象在其他屏蔽组的对比中也有体现，此处不再逐一列出其曲线。

图9 频响试验曲线对比

从结果中可以得到以下结论：（1）屏蔽对冲击波形的感应电压幅值并无明显影响，等效电路中的电感电阻结构起到了主要的能量传递作用，该结果与仿真结果能够匹配；（2）通过频率响应，可以看到屏蔽仅对0.91 MHz以上的波形才会产生相对明显的衰减效果；（3）二号样机结果与一号样机结果可以证实仿真数据，并足以验证了对该现象的假设。

3 结束语

本文针对类型变压器未表述清晰的原理出发，通过仿真的方法研究大型油浸式隔离变典型结构的屏蔽层效果，对仿真结果进行了原理上的假设。并通过设置两组样机，实测证实了之前的理论假设。在试验过程中，也得到了一些可以支撑工程实践的设计原则。综上，得到以下结论。

（1）大型隔离变压器采用的一次绕组-金属静电屏蔽层-二次绕组同轴排布的方式，可以削弱0.91 MH以上的电磁干扰。但是在电网运行中，这部分干扰因为分量小基本不会影响电能质量，同时0.2～0.91 MHz之间的干扰传递甚至比无屏蔽结构更强。所以对于电力变压器来说并没有实际意义。

（2）该结构并不能削弱雷电冲击带来的传递过电压。原因是电力变压器中的电感分量很大，足以将雷电冲击波形感应到其他侧。

（3）结合以上两点，电力变压器本身阻抗可以抗短路，连接组别可以抗谐波，一二次线圈间击穿故障很少发生等情况，屏蔽层不能起到预期效果，是完全可以不要的。

（4）另一方面，采用铜条覆盖部分碳黑纸的结构，能够接近纯金属屏蔽的效果，且可以预见到将产生更小的损耗及更优质的经济性。该结构也在后续的真机产品中得以验证。