環(huán)氧澆注干式變壓器雷電沖擊耐受電壓的瓶頸問題探討

引言

雷電沖擊波屬于高頻沖擊波,具有電壓高、時(shí)間短、頻率高、波頭陡度大的特點(diǎn)。繞組的等值電路為電容、電感、電阻的復(fù)雜綜合體,雷電波傳播中產(chǎn)生的電位振蕩和復(fù)雜的電磁暫態(tài)過程,會(huì)引起局部場(chǎng)強(qiáng)大為升高,并易導(dǎo)致絕緣擊穿,對(duì)變壓器的危害極大。人們發(fā)現(xiàn),即使按傳統(tǒng)試驗(yàn)方法分別校核主、從絕緣強(qiáng)度并留有足夠裕度,在雷電沖擊試驗(yàn)時(shí)也往往承受不住相應(yīng)試驗(yàn)電壓。絕緣性能的優(yōu)劣對(duì)于變壓器能否安全運(yùn)行起著決定性作用,與油浸式變壓器的"油-紙"絕緣系統(tǒng)不同的是,環(huán)氧樹脂澆注干式變壓器是由絕緣材料和空氣(固體＋空氣)組成的復(fù)合絕緣系統(tǒng)。雖然環(huán)氧樹脂的可耐受電場(chǎng)強(qiáng)度高達(dá)空氣的6倍,但是由于空氣與環(huán)氧樹脂的介電常數(shù)之比為1:4左右,因而在實(shí)際電場(chǎng)分布中作用于空氣的場(chǎng)強(qiáng)將高于環(huán)氧樹脂,這種矛盾直接影響干式變壓器的絕緣布局,在較高的雷電沖擊電壓下這一問題更加突出。國(guó)際公認(rèn)的環(huán)氧澆注干變的基準(zhǔn)沖擊水平(BlL)值為250kV,即可制造66/77kV級(jí)的干變。因此,阻礙干式變壓器電壓等級(jí)進(jìn)一步提升的技術(shù)瓶頸就包含雷電沖擊耐受電壓的提升,而人口密集的城市變電站也相當(dāng)遺憾地?zé)o緣使用難燃、環(huán)保、安全的110kV級(jí)干式變壓器產(chǎn)品。

本文針對(duì)環(huán)氧澆注干式變壓器雷電沖擊耐受電壓的提升問題進(jìn)行分析以尋求解決方法,使干式變壓器的雷電沖擊耐受電壓達(dá)到480kV(峰值),即達(dá)到110kV級(jí)油浸式變壓器的標(biāo)準(zhǔn)值。

1研究方法

進(jìn)行雷電沖擊下的電場(chǎng)仿真分析并制造實(shí)物模型進(jìn)行測(cè)試。

仿真分析方法:按1:1建立有限元分析模型,采用有限元方法計(jì)算繞組各細(xì)分單元的分布電容、電感、電阻參數(shù),相比純公式計(jì)算方法更加快速、實(shí)用、精準(zhǔn)。在MATLABsimulink中構(gòu)建繞組的等效電路模型,通過在電路中施加雷電沖擊全波進(jìn)行分析計(jì)算,再將計(jì)算出的各電路節(jié)點(diǎn)結(jié)果波形導(dǎo)入有限元分析模型中,計(jì)算不同時(shí)刻的電壓和電場(chǎng)分布狀況,即"場(chǎng)路耦合"的研究方法。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《高電壓試驗(yàn)技術(shù)第1部分:一般定義及試驗(yàn)要求》(GB/T16927.1—2011),標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊全波如圖1所示。

波前時(shí)間T1=1.2×(1±30%)μs,半峰值時(shí)間T2=50×(1±20%)μs。

2問題發(fā)現(xiàn)

2.1常用分段層式結(jié)構(gòu)的雷電沖擊試驗(yàn)

采用35kV級(jí)干式變壓器常用的分段層式結(jié)構(gòu)進(jìn)行一只繞組的試制(圖2),并借用一臺(tái)4000kVA干變的鐵芯進(jìn)行雷電沖擊試驗(yàn),結(jié)果如圖3和圖4所示。

首先,繞組在3l3kV雷電沖擊電壓下波形完好(略高于文獻(xiàn)所述250kV)。將雷電沖擊電壓抬高到350kV以上時(shí),波形出現(xiàn)畸變,且在夜晚黑暗環(huán)境測(cè)試時(shí)能看見有電火光從繞組上部透出,但間隔幾分鐘后依然能在3l0kV以下進(jìn)行雷電沖擊試驗(yàn),也就是具有可恢復(fù)性。

2.2仿真輔助分析

將該變壓器按l:l建立有限元分析模型(首端位于繞組上部,中性點(diǎn)端位于繞組下部),輸入480kV標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊全波,計(jì)算出不同時(shí)刻的電場(chǎng)分布如圖5、圖6、圖7所示。

在沖擊波進(jìn)入后,首先是極高的電場(chǎng)強(qiáng)度集中在高壓繞組進(jìn)線端(首端)附近,依次將繞組首端的外表面的空氣和前三個(gè)氣道擊穿,且第一個(gè)氣道的上部電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)5.4kV/mm。沖擊波約12μs時(shí),高壓繞組氣道內(nèi)的最大場(chǎng)強(qiáng)已下降至3.5kV/mm以內(nèi),但是此時(shí)低壓繞組的外表面場(chǎng)強(qiáng)開始升高(最高達(dá)3.9kV/mm),且電場(chǎng)強(qiáng)度呈現(xiàn)出由主空道向高壓繞組遞減擴(kuò)散的趨勢(shì),即主空道的空氣已被擊穿。隨著沖擊波的繼續(xù)發(fā)展,最大場(chǎng)強(qiáng)的位置發(fā)生振蕩位移,振蕩過程中雖然波動(dòng)頻率減小,但高壓繞組氣道內(nèi)的最大場(chǎng)強(qiáng)卻多次超過3.0kV/mm:最后振蕩逐漸趨于穩(wěn)定,氣道內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)降到3.0kV/mm以下。

2.3問題總結(jié)

通過上述實(shí)物繞組的試驗(yàn)和仿真輔助分析,可以得出以下結(jié)論:

(1)文獻(xiàn)關(guān)于BIL值為250kV的論述有一定的事實(shí)根據(jù),即干式變壓器具有雷電沖擊耐受電壓的瓶頸限制,常規(guī)的分段層式繞組雖然層間電容大,雷電沖擊特性優(yōu)于餅式繞組,但止步于300kV左右。

(2)在350kV及以上雷電沖擊電壓時(shí),因?yàn)槔@組氣道和主空道內(nèi)的空氣被擊穿而引起波形變形,其中繞組氣道內(nèi)的空氣更是被多次擊穿,但擊穿的只是空氣,而繞組本身并沒有損壞,所以形成具有可恢復(fù)性的現(xiàn)象?！峨娏ψ儔浩鞯?1部分:干式變壓器》(GB1094.11—2007)中也指出"干式變壓器在進(jìn)行雷電沖擊試驗(yàn)時(shí),可能會(huì)出現(xiàn)空氣中的電容性局部放電……不能以示傷電流波形有輕微的畸變來作為拒絕該產(chǎn)品的理由",但是此時(shí)的放電現(xiàn)象顯然比較嚴(yán)重,已不是"輕微的畸變"現(xiàn)象,離認(rèn)定為試驗(yàn)合格或被用戶接受還有一定距離。

(3)高壓繞組靠近進(jìn)線端(首端)周圍的外表面空氣在雷電沖擊波前期的場(chǎng)強(qiáng)較高,此處可能引起空氣擊穿放電。

因此,提升110kV干式變壓器雷電沖擊耐受電壓?jiǎn)栴}的切入點(diǎn)就是在雷電沖擊過程中降低高壓繞組周圍空氣的電場(chǎng)強(qiáng)度而不被電離擊穿。

3電場(chǎng)優(yōu)化

3.1優(yōu)化原理簡(jiǎn)述

變壓器繞組可視為電容、電感、電阻的復(fù)雜電路網(wǎng)絡(luò)。在沖擊波開始作用的瞬間,由于其等值頻率極高,此時(shí)電容起主要作用,稱為起始過程:隨后沖擊波的等值頻率逐漸降低,電感、電容和電阻都起作用,呈現(xiàn)的即為振蕩過程:最后當(dāng)沖擊波的等值頻率繼續(xù)下探,由電感起主導(dǎo)作用而呈線性的穩(wěn)態(tài)分布。電阻和電感是由繞組的尺寸大小、匝數(shù)等決定,因此常常將調(diào)整電容分布作為改善沖擊波影響的重要途徑。

繞組的等值電容可分為縱向等值電容和對(duì)地等值電容。對(duì)地電容是指繞組對(duì)鐵芯(或其他繞組)、繞組對(duì)外殼或地的電容:縱向電容則包括橫向的層間電容和縱向的匝間、段間電容。文獻(xiàn)中一般引入空間因數(shù)(或稱為沖擊系數(shù)):

式中:C為繞組對(duì)地電容:K為繞組縱向電容。

a值越大,表示C的分流作用越大,起始電壓分布越不均勻。因此,希望a值小,起始電壓陡度小,能夠改善沖擊性能。

常用的改善起始分布的方法有電容補(bǔ)償法、糾結(jié)式繞組、插入電容(也叫內(nèi)屏蔽繞組)等。從分段層式繞組的結(jié)構(gòu)來看,糾結(jié)式、電容補(bǔ)償法和端部靜電環(huán)的方法均不合適,而采用插入電容的方式最易實(shí)現(xiàn)。

3.2優(yōu)化方法

分段層式繞組本身層間電容大,即縱向電容大,而繞組內(nèi)外表面具有的對(duì)地電容則要小得多,因此其a值較小,具有良好雷電沖擊特性的先天優(yōu)勢(shì),我們的優(yōu)化改進(jìn)也僅限于繞組的局部位置。

(1)從仿真分析可以看出,沖擊波首先對(duì)進(jìn)線端(首端)的線匝、外表面及外側(cè)的氣道起到破壞作用,其次是中性點(diǎn)側(cè)(末端),因此首先就是對(duì)首、末端線匝的改善。將首、末端插入電容屏線,因?yàn)殡娙萜辆€是斷開懸空的,變壓器運(yùn)行時(shí)并不通過電流,但在沖擊波的高頻特性下以電容的方式發(fā)生作用。首端的電容屏線可有3~6層,以增加等值電容:末端可比首端小一些。不采用電容屏線時(shí)也需其他方式增加入口電容,如選用寬電磁線,增加首段線匝的匝數(shù)和層數(shù):首端采用雙并聯(lián)線段也是有效措施。

(2)對(duì)于氣道內(nèi)空氣的擊穿問題,文獻(xiàn)采用了在氣道周邊設(shè)置屏蔽的方法。通過仿真發(fā)現(xiàn),經(jīng)過對(duì)首、末端增加電容屏線的處理后,外側(cè)氣道內(nèi)的最高場(chǎng)強(qiáng)值已有下降:只需再提高一下氣道兩側(cè)對(duì)應(yīng)線匝層之間的互電容,因?yàn)闅獾来嬖诙惯@個(gè)互電容減小,從而起到均壓、均場(chǎng)的作用,就基本可以抑制氣道內(nèi)的空氣被擊穿。

(3)高壓繞組進(jìn)線端周圍的外表面,有可能是界面極化效應(yīng)引起樹脂與空氣交界面產(chǎn)生較高的電場(chǎng)強(qiáng)度。改善方法主要是增大曲率半徑改善端部場(chǎng)強(qiáng)分布。一是對(duì)進(jìn)線端的這一段線匝選用厚度較大、棱邊圓弧增大的電磁線,同時(shí)首端承受電壓最高,對(duì)電磁線加強(qiáng)絕緣處理:二是保證整個(gè)線段在繞制時(shí)端部平整:三是對(duì)裸露的出線端子設(shè)置均壓環(huán)(罩)進(jìn)行入口端的電場(chǎng)改善。

(4)分區(qū)補(bǔ)償:將繞組沿軸向分成4個(gè)區(qū)域,結(jié)合有限元方法的電容參數(shù)計(jì)算,合理配置每區(qū)的電容,實(shí)際上就是調(diào)整每層匝數(shù)使電容最佳分布,使沖擊電壓的分布更均勻。

(5)高壓繞組中部進(jìn)線,繞組軸向?qū)ΨQ布置,此結(jié)構(gòu)電場(chǎng)分布更優(yōu),可減小鐵輒絕緣尺寸,同時(shí)對(duì)提升雷電沖擊水平有幫助。但考慮運(yùn)輸高度限制,對(duì)30MVA以上容量采用端部進(jìn)線的繞組結(jié)構(gòu)時(shí),須加大鐵輒絕緣距離,同時(shí)在繞組端部與鐵輒之間增設(shè)隔離角環(huán)。

通過上述優(yōu)化方法,高壓繞組周圍的空氣電場(chǎng)有明顯改善,在仿真輔助分析下可以看出,除前15μs時(shí)略高外(最高3.4kV/mm),其余時(shí)刻氣道內(nèi)最大場(chǎng)強(qiáng)均降到2.8kV/mm以下,主空道內(nèi)最大場(chǎng)強(qiáng)在2.5kV/mm以下,如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后氣道最大電場(chǎng)強(qiáng)度變化圖

用以上優(yōu)化方法制造的繞組一次性先后通過了432kV和477kV的雷電沖擊試驗(yàn),完成既定目標(biāo)。

4結(jié)語

通過對(duì)實(shí)物繞組的測(cè)試和仿真輔助分析,發(fā)現(xiàn)環(huán)氧澆注干式變壓器雷電沖擊耐受電壓不能進(jìn)一步突破的原因不是環(huán)氧樹脂本身的性能受限,痛點(diǎn)在于常用的分段層式高壓繞組氣道內(nèi)、首端外表面和主空道內(nèi)的空氣因電場(chǎng)強(qiáng)度過高而被擊穿。本文提出對(duì)高壓繞組的首、末端設(shè)置電容屏線,改善繞組首端線段的電場(chǎng)分布,對(duì)氣道兩側(cè)對(duì)應(yīng)線匝層之間增大互電容等主要優(yōu)化方法,使環(huán)氧澆注干式變壓器雷電沖擊耐受電壓達(dá)到480kV油浸式變壓器標(biāo)準(zhǔn)值。事實(shí)上,由于干式變壓器是戶內(nèi)安裝使用的裝置,其雷電沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)要低于480kV。同時(shí),筆者也認(rèn)為110kV是干式變壓器制造的電壓等級(jí)極限。