变压器线圈范文

变压器线圈范文（精选6篇）

变压器线圈 第1篇

授权公告日:2016.06.15

申请号:2016200886197

申请日:2016.01.29

专利权人:湖北欢达电气股份有限公司

地址:434300湖北省荆州市公安县斗湖堤镇潺陵新区潺陵大道

发明人:张新辉;陈彬

Int.Cl.:H01F41/073(2016.01)I;?H01F41/094(2016.01)I

对变压器线圈平均温升的计算探讨 第2篇

以某结构低压线圈 (内线圈) 的平均温升计算为例, 使用传统计算方法计算与某改进计算方法计算, 得出的结论相差较大。

该线圈结构是:连续式, 单根导线绕制, 采用0.54绝缘的半硬铜自粘性换位线, 绕组内通过电流1081.1A, 平均水平油道4.8mm, 电流密度3.65A/mm2。

2 我公司传统手算公式

2.1 计算线圈的线饼表面单位热负荷:

2.2 计算饼式内绕组铜油温差

2.3 进行绝缘和油道校正, 得出铜油温差:41K。

3 另一改进计算公式

3.1 先求出线圈的线饼表面平均热负荷:

3.2 计算线圈导体对线圈内油的平均温升

其中:θ1为线圈导体对线圈内油的温升, 需要查“热负荷-油流速-温升”曲线簇, (见图1) 。

3.3 计算线圈内油与散热器内油的温差

3.4 计算铜油温差

依据此公式, 得出铜油温差:12K。该结果对标厂家提供的计算值结果基本一致。

4 偏差较大的原因分析

改进公式比传统算法得出的结论相差:29K。

对比两个公式, 引进公式强调了匝绝缘的温升修正因素是与线饼表面热负荷相关的数值, 突出了水平油道流速对温升的影响, 并且提出了线圈内油与散热器内油的温差的概念。因此造成了计算上出现较大差异。

5 结论

传统的温升公式是基于当时的不同的线圈结构、油道大小、油流阻力情况等而总结出来的, 随着变压器研究越来越深入和油路结构的不同等, 对传统公式必须在试验数据累计总结的基础上进行修正, 计算结果才能与实际温升计算值比较接近。

摘要：变压器的温升指标是重要性能之一, 影响变压器的使用寿命。GB 1094.2-1996《电力变压器第2部分温升》中4.2条:连续额定容量下正常温升限值规定为, 油浸式电力变压器线圈平均温升限值为65K。变压器的温升试验的目的是模拟变压器满容量运行, 测量发热与散热达到热平衡时的温升。经过不断试验和摸索, 变压器行业积累了能够在结构设计阶段就能够得出的温升值的计算公式。本文就某一电流密度较高的低压线圈, 用我公司传统温升手算公式与行业内某公司进行了对比。

关键词：绕组,平均,温升

参考文献

[1]尹克宁.变压器设计原理[M].北京:中国电力出版社, 2003.

[2]谢毓城.电力变压器手册[M].北京:机械工业出版社, 2005.

变压器线圈 第3篇

随着城市电网供电要求的不断提高和变压器技术的进步,干式变压器在我国的使用已经很普遍[1]。干式变压器主要包括线圈、铁芯、绝缘件和其他辅件等部分,其中线圈是变压器的核心部件。在干式变压器线圈的生产中,开裂、局部收缩过大、白斑等,一直未得到彻底地解决,使产品的电气性能、机械性能、力学性能等急剧下降。所以如何解决干式变压器固化过程中温度分布,一直是困扰干式变压器生产行业的一个难题[2,3]。现有文献的研究主要集中在干式变压器研究运行过程中温度场的研究。清华大学的郭永基等人利用传热学理论建立了计算机仿真模型对干式变压器进行了分析[4]。巫松桢,谢大荣,陈寿田等人对应用于电气绝缘的材料特性及相关理论进行了详细地研究[5]。路长柏等人对干式变压器设计和计算以及相关的绝缘理论进行了分析[6]。浙江工业大学的计伟荣等对环氧树脂浇注体系的工艺改造进行了研究[7]。公开报道线圈浇注、固化过程中温度分布研究的文献较少。顺特电气设备有限公司金涛、刘燕等人[8]建立了干式变压器线圈固化、冷却过程瞬态温度场、热应力场三维有限元模型并进行了计算,但模型中并未考虑模具和环氧树脂固化反应放热对其温度的影响。本文采用有限元方法,考虑模具和环氧树脂固化反应放热对其温度的影响,建立某型线圈固化过程温度场分布的计算模型,并采用瞬态热分析方法进行了数值模拟,获得线圈和模具不同区域温度分布规律,为改进线圈固化工艺制度提供依据。

1 有限元模型建立

依据某型线圈的实际几何尺寸建立模具(内模、外模和底板模)、线圈(导线、层绝缘和端绝缘)的有限元模型,其中单元总数为135 153,节点总数为105 976,单元全部采用六面体单元,如图1所示。各部件材料热性能参数,如表1所示。底板模底部按固化工艺制度温度施加边界条件,外模外表面和内模内表面施加对流换热边界条件,环境温度为室温。同时,考虑环氧树脂固化反应放热,在绝缘体上部施加热源。

2 模拟结果及分析

采用瞬态热分析求解器,物理模拟时间为16 h。

2.1 线圈温度分析

线圈温度分布 图2给出线圈内层绝缘内部(底部、中间和顶部)的温度沿轴向分布和变化情况。图3出示了端绝缘的温度沿轴向分布和变化情况。从图2、图3中可以看出同一时刻,线圈不同区域的温度沿轴向随高度增加呈下降趋势,除端绝缘之外,顶部温度比底部高最大为5 ℃。线圈不同区域的温度随固化时间的增加而升高。

图4出示了导线与绝缘界面两侧温度分布和变化情况。从图4中可以看出,界面两侧温度相同。

图5出示了固化不同时刻,线圈温度分布情况。从图中可以看出同一时刻,线圈温度沿轴向随高度增加呈下降趋势,在初始阶段线圈底部与顶端温度相差最大约15 ℃。

2.2 模具温度场分析

图6出示了线圈固化过程中模具温度场分布云图,从图中可以看出模具温度沿高度分布不均匀,呈减小趋势,固化初期温度梯度较大,随着固化时间的增加温度梯度逐渐减小。

3 结论

通过线圈固化过程的数值模拟,得到以下结果:

(1) 线圈不同区域的温度沿轴向呈下降趋势,除端绝缘之外,顶部温度比底部高最大为5℃。线圈各区域的温度随固化时间的增加而升高。

(2) 模具温度沿高度分布不均匀,呈减小趋势,固化初期温度梯度较大,随着固化时间的增加温度梯度逐渐减小。

参考文献

[1]“顺特电气有限公司.”树脂浇注干式变压器和电抗器.北京:中国电力出版社,2005

[2] Grady W,Chan R,Samotyj M,et al.A PC-based computer programfor teaching the design and analysis of dry-type transformers.IEEETransactions on Power Systems,1992;7(2):709—717

[3] Linden W.Thermal considerations in specifying dry-type transform-ers.IEEE Transactions on Industry Applications,1994;30(4):1090—1098

[4]林兆庄,郭永基,颜寒.树脂绝缘干式变压器内部温度场分布仿真研究.清华大学学报(自然科学版),1999;39(7):1—4

[5]巫松桢,谢大荣,陈寿田,等.电气绝缘材料科学与工程.西安:西安交通大学出版社,1996

[6]路长柏,干式变压器理论与计算.沈阳:辽宁科学技术出版社,2003

[7]计伟荣,章源昶,林春棉.干式变压器环氧浇注工艺探索.浙江工业大学学报,1995;23(2):95—99

变压器线圈 第4篇

关键词：消磁线圈,穿窗电流,附加磁通

1 引言

在变压器的结构设计过程中, 必须要求绕组的首、末端均布置在铁心的同一侧。如果不在同一侧则首、末端通过用电负载后会在变压器外部闭合, 因其穿过铁心窗口在铁轭外侧闭合, 俗称穿窗电流, 其大小与绕组的线端电流相等。该穿窗电流会在变压器的铁轭回路中建立一附加磁通。根据安培环路定律, 该附加磁通与穿窗电流的安匝成正比, 因为穿过铁心窗口的是一匝线, 所以穿窗电流的大小与绕组的线端电流相等。而穿窗电流产生的附加磁通与主磁通在铁心中叠加会造成铁轭的磁通过度饱和, 从而导致空载损耗增加, 铁心因振动所产生噪声也会大幅增加;同时, 因为铁轭的磁通饱和, 使线圈组漏磁通无法进入铁轭, 线圈组漏磁通只能在油箱、夹件等结构件中形成闭合回路, 导致变压器的附加损耗大幅增加, 并可能产生局部过热。在220k V及以下等级的变压器结构设计中往往能够避免穿窗电流的出现, 但是在超特高压变压器中, 由于油箱内部的空间较小, 同时为了使引线走线更加的方便, 往往需要绕组的首末端不在同一侧出线, 这就必然会出现产生穿窗电流的问题。而消磁线圈的主要作用则是能够抵消穿窗电流产生的附加磁通对主磁通的影响, 对降低空、负载损耗和噪声有着重要意义。

2 消磁线圈的原理简述

图1是变压器产品中常用的冷轧导向硅钢片的磁化曲线, 从图中的曲线可以看出, 当硅钢片的磁通饱和前, 硅钢片的单位损耗与磁通密度基本成正比的关系, 而且磁化曲线的斜率相对较小;但是当硅钢片的磁通饱和后, 磁化曲线的斜率变大, 意味着硅钢片的单位损耗急剧增加, 这说明硅钢片的磁密饱和后, 硅钢片的损耗随磁密增加而增加的较快。因此, 在变压器设计时, 一般不允许硅钢片运行在饱和区域, 因为这会造成变压器空载损耗较大, 铁心的温升较高, 影响变压器的运行寿命。

如果变压器绕组的首、末端布置在铁心的两侧, 在负载条件下, 穿窗电流必然会在铁心的铁轭中感应出一附加磁通, 该磁通的大小与绕组的线端电流成正比。而穿窗电流产生的附加磁通会造成铁轭内的磁通饱和, 导致变压器空载损耗、负载损耗、噪声均增加, 并可能引起局部过热。

为了抵消穿窗电流带来的影响, 我们可以在铁轭上设计一组或多组消磁线圈组, 使消磁线圈产生的磁通能够平衡掉穿窗电流产生的磁通;消磁线圈使主磁通可以通过, 但附加磁通会被消磁线圈产生的反向磁通所抵消掉, 从而消除穿窗电流所带来的影响。此时, 铁心中会产生由绕组产生的主磁通、由穿窗电流产生的附加磁通和由消磁线圈产生的感应磁通, 感应磁通与附加磁通在铁心中方向一直相反, 能够有效达到了抑制穿窗电流产生的附加磁通的目的。

3 消磁线圈的应用实例

为了更加清晰的说明该问题, 以我公司2005年生产的1台500k V超高压自耦电力变压器为例, 该变压器在2012年进行了返厂大修, 大修时在旁柱增加了消磁线圈。该变压器的结构特点为:该变压器为单相三柱铁心、单柱套线圈结构, 其结构及出头布置如图2所示, 变压器的高压首头和中性点布置在高压侧, 而中压出头在低压侧。因此在中压绕组参与运行时将会有半匝线穿过铁心窗口, 穿窗电流等于中压线圈的电流, 最大达1157.0A, 而且穿窗电流形成的安匝不能参与运行线圈的安匝平衡, 势必在铁轭中励磁产生一附加磁通, 造成旁轭及上下轭局部磁通饱和, 从而造成整个变压器的损耗和噪声增加。

解决该问题的方案一是将同一个线圈的出头都设计在同一侧, 或将在不同侧的出头由窗内引回至同一侧, 如图3所示。

此方案理论上可以完全消除中压穿窗电流及由此带来的损耗和噪音问题。但由于中压线圈首端出头和高压线圈末端出头都为220k V等级, 穿窗引至高压侧的难度非常大, 因此, 我们决定采用在铁轭上增加消磁线圈的方法来抵消穿窗电流产生的附加磁通。

在返修过程中, 我们在两个旁柱上各绕了1组消磁线圈, 示意图如图4。

根据变压器的参数来选取合适的导线绕制消磁线圈。

返修后的试验结果表明:该方案有效地解决了损耗和噪音问题。返修后的变压器负载损耗降低了约100k W, 降低了约30%;空载损耗降低了约15k W, 降低了约15%;变压器噪声也有了较大的改善, 大约降低了10d B左右。

在我公司近几年的500k V自耦变压器的设计中, 为了提高产品的抗短路能力及控制极限分接阻抗偏差等原因, 大多数500k V单相自耦变压器采用了旁柱调压的结构, 其主柱的出头布置根据用户的要求不同而有各种方式, 往往会出现高压线圈或中压线圈穿窗电流的问题, 但旁柱调压结构中, 旁柱上都有一个与主柱低压或中压线圈并联的励磁绕组, 形成了一个平衡电流的流通通路, 因而消除了铁心的附加磁通, 不会引起损耗和噪音的增加, 这一点通过我公司近几年的500k V自耦变压器产品的试验数据已经证明。

4 结论

根据我公司500k V单相自耦变压器产品出现的问题及消磁线圈在特高压自耦变产品中的应用成果, 我们对变压器因出头布置而产生的损耗和噪音问题有了一定的认识。目前得出的主要结论为:

(1) 半匝线穿窗电流问题一般在采用单柱套线圈结构时容易发生, 且线圈电流越大, 电流穿窗的影响越严重。

(2) 对多柱套线圈的结构, 且在各柱间有连成环行回路的线圈, 也就是有平衡电流回路时, 电流穿窗问题的影响较小。

(3) 在今后的大容量产品设计中, 原则上规定尽可能使同一个线圈的出头在铁心同一侧。特别要注意大电流线圈的出头布置。

(4) 三相一体的变压器如果三相线圈组的线圈出头位置均一致, 即便存在穿窗电流的问题, 但穿窗电流引起的磁通因为相位角的因素可以在铁轭中相互抵消, 因此三相变压器的线圈首尾端出头可以不在一侧, 但三相必须在同一侧。

变压器线圈 第5篇

变压器的实际运行经验表明, 暂态电压使变压器绝缘损坏的比例占60%以上, 其根本原因是暂态电压侵入线圈, 沿线圈形成极不均匀的电位分布。虽然它的幅值可能不大, 以至变压器的过电压保护装置并没有阻挡其进入变压器线圈, 但是由于这种陡波电压几乎全部降落在靠近首端的一小部分线圈上, 从而造成匝间或层间过电压而引起绝缘击穿, 雷电冲击电压、特快速暂态电压均属于此类。所以, 在绝缘结构设计中, 必须了解作用于线圈绝缘上的过电压, 了解在冲击电压作用下变压器线圈的电位分布。这对合理确定变压器绝缘结构, 保证变压器安全可靠运行具有非常重要的意义。因此, 提出了暂态电压作用下适合层式干式变压器线圈实际结构的物理模型和数学表达式。应用与传统计算方法不同的SIMULINK方法仿真出了层式干式变压器线圈在暂态电压下的电位分布和梯度分布。

2 变压器线圈的等值电路

采用等值电路可以将变压器复杂的电磁关系转化为简单的数值关系。在工频电压作用下, 变压器线圈的等值电路很简单, 只包括集中电感和电阻, 而线圈匝间、层间及线圈对地部分存在的电容可以忽略不计。而暂态电压起始时刻波形的等效频率可达数百兆赫兹, 属于高频冲击, 因此在变压器线圈波过程的仿真中, 线圈匝间、层间电容和线圈对地电容的影响不能忽略, 线圈的电感能量和电容能量发生交换而形成振荡过程, 使线圈匝间、层间电位差和线圈各层对地电位比工频电压作用下增大许多倍, 所以暂态电压下变压器线圈等值电路与工频电压作用时不同, 必须考虑匝间、层间电容和各匝、各层的对地电容。

变压器出厂前必须进行冲击试验来检验其承受暂态电压的能力, 通常被试线圈的首端入波, 末端接地, 而非被试线圈两端短路接地。为了分析方便, 常用集中参数的链型网络作为暂态电压下变压器线圈的等值电路 。用于计算目的的层式干式变压器线圈的等值电路既要与冲击条件下的电路尽可能等效, 又不可能太复杂以至于无法计算。当然, 线圈划分越细与实际的电路等价性越好, 但是单元太多, 独立节点数随之增加, 数值计算的误差可能会很大;另一方面, 单元数目不能太少, 这样不能充分表达沿线圈的电位分布, 又会影响电路模型的准确性, 从而影响计算精度。在精确计算电感、电容、电阻参数的基础上, 以每一层为1个线圈计算单元。

暂态电压下层式干式变压器线圈的等值电路如图1所示, 其中L为线圈单元的自感, M为线圈单元之间的互感, R为线匝电阻, Ck为纵向等值电容, Cg为对地电容, n为线圈单元数。

2 变压器线圈的参数计算

2.1 电感参数计算

在暂态电压作用下, 计算变压器线圈电感时, 采用无铁轭磁导率为有限值的模型较为合理。这是由于一方面对于这部分需要着重分析的出线及相邻的线匝而言, 铁心柱可以近似看做无穷长;另一方面由于线圈受冲击时, 非受冲击线圈通常是两端短接并接地的, 使得铁心中的主磁通几乎为零, 铁轭存在与否的影响不大。线圈的电感模型如图2所示, 中间为铁心, 阴影部分为激励线匝和感应线匝, 具体尺寸标于图上。其主要特点是没有铁轭, 铁心柱为无穷长, 铁心磁导率为有限值。

线匝i与线匝j的电感可用表达式为:Mij= (Mij) 1+ (Mij) 0, 式中, i、j为线匝编号, 当i=j时, 式中计算的是线匝j的自感;当i≠j时, 计算式的是线匝i与j之间的互感。 (Mij) 1表示铁心电感分量, (Mij) 0表示空心电感分量。铁心电感包括铁心自感和铁心互感, 空心电感包括空心自感和空心互感。

2.2 电容参数计算

电容参数分为纵向电容和幅向电容, 幅向电容包括对地电容和线圈之间的电容。纵向电容沿线圈方向与电感并联, 它由匝间几何电容、层间几何电容等值折算得到。纵向等值电容是根据电场能量等效原理来计算的, 即储存在几何分布电容里的静电能量等于等值电容中所储存的静电能量。

对地电容为线圈对铁心的电容, 可用同轴圆柱电容计算式。

当线圈均匀时, 常用系数αl表征线圈在暂态电压下的分布特性。

undefined

式中, Cg为线圈总的对地电容;Ck为线圈总的纵向等值电容。距离变压器线圈起始端为x处的电位分布如图3所示, 可见, αl越大电位分布越不均匀。当总的纵向等值电容远大于总的对地电容时, 电位呈线性分布。可以看出, 改善电位分布的方法之一就是增大纵向等值电容。

3 SIMULINK仿真分析线圈电位分布

SIMULINK是MATLAB提供的主要工具箱之一, 是一个功能强大的科学计算工具, 具有良好的开发性、高效的数据仿真分析等特点。可以用来对动态系统进行建模、仿真和分析, 特别是在信号处理和直观的图形显示方面具有其它仿真软件无可比拟的优点 。与MATLAB语言编写的M文件相比, SIMULINK不仅界面友好, 而且还提供了丰富的模型库。每个模型库中包含有相应的功能模块, 用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能, 而不必考察模块内部是如何实现的, 通过对这些基本模块的调用, 再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型 (以mdl文件进行存取) , 进而进行仿真与分析, 用户也可以定制和创建自己的模块。

采用SIMULINK中的power system工具箱可以搭建电气产品或电力系统模型, 快速而准确地对电路及更复杂的电气系统进行仿真、计算。因此, SIMULINK具有模块化、可重载、可封装、面向结构图编程和可视化等特点, 大大提高了系统仿真的效率和可靠性。它已成为电力科研工作者和工程技术人员进行电力系统有关问题的仿真分析和辅助设计的理想工具。

现设计制作1台160 kVA/10 kV的分段层式干式变压器实体模型, 如图4所示。

该模型高压线圈分为4段, 每段5层, 共20层, 具体参数见表1, 每一层为1个单元。根据实体模型计算等值电路中的电感、电容、电阻等参数。暂态电压下干式变压器线圈的仿真电路应用SIMULINK工具箱中的相关模块搭建, 基本结构如图5所示。

在仿真电路首端注入视在波前时间为100 ns的快速暂态电压信号, 表达式为:

图6给出了入波信号与变压器高压线圈第一段各单元的电压仿真波形。可以看出, 在特快速暂态电压作用下各单元的电位响应相差较大, 越靠近首端的单元振幅越大。最大电压值出现的时刻也不尽相同, 越靠近首端的单元其峰值电压与入波峰值电压出现的时刻越接近, 这一规律可以应用到变压器线圈的局部放电与故障定位的研究中。

为了验证仿真电路与仿真结果的正确性, 采用精度颇高的Runge-Kutta数值求解的方法计算出了高压线圈第一段各单元的电位分布情况, 如图7所示。图8为由线圈各单元中最大电位值拟合成的电位分布与梯度分布曲线。可以很清楚地看出, 计算与仿真得出的电位分布和梯度分布几乎是一致的, 从而验证了SIMULINK仿真方法的正确性和可行性。

从图8可看出, 暂态电压在分段层式干式变压器线圈上的分布是近似线性的, 首端电位变化较快, 梯度较大, 电位变化和梯度由首端向末端逐渐变小。从仿真、计算的数据和图8可知, 最大梯度电压出现在1号梯度, 幅值是首端注入电压的10%。变压器线圈的纵绝缘裕度要根据本层的电压值设计。

4 结论

通过对160 kVA/10 kV型干式变压器高压线圈在冲击电压作用下的电位分布及梯度分布的仿真和计算, 可以得出如下结论:

a.应用SIMULINK包含的工具箱搭建首尾相连并相互耦合的干式变压器线圈模型, 并对其进行暂态电位分布仿真研究的方法, 避免了复杂程序的编写过程, 特别适合于工程技术人员。仿真结果与计算结果对比表明, 应用SIMULINK直接进行仿真是可行的, 该方法有效地提高了计算效率, 节省了计算时间, 满足工程计算的需要, 便于工程技术人员掌握。

b.在变压器设计阶段, 通过改变变压器线圈的结构形式、导线的尺寸、绝缘厚度等, 可以得到不同的电感、电容、电阻参数数值。从而得到在暂态电压作用下, 线圈中不同的电位分布。基于这个特点, 可以合理的确定变压器线圈结构。

c.层式线圈的层间电容很大, 各线圈的节点电位大致呈线性分布, 改善了在冲击电压作用下沿层式线圈的电位分布, 因而消除了个别梯度电压过大对线圈绝缘的危害。

d.冲击电压作用于变压器线圈瞬间, 电压主要降落在线圈的首端。因此, 这部分电压梯度最大, 在设计变压器绝缘时, 尤其要考虑线圈首端的绝缘裕度。

摘要：提出了一种暂态电压下分段层式干式变压器线圈的等值电路。采用SIMULINK软件仿真出了分段层式干式变压器线圈在暂态电压作用下的电位分布和梯度分布。该方法大大简化了计算过程, 仿真结果与计算结果一致, 表明了该方法的可行性。

关键词：暂态电压,变压器线圈,SIMULINK仿真,电位分布,梯度分布

参考文献

[1]杨珏, 王赞基.电力变压器的宽频带建模与阻抗分析[J].电工电能新技术, 2009, 28 (1) :11-15.

[2]刘华伟, 张尔昱, 孙学勇, 等.压力空气绝缘起始局部放电电压特性的模拟实验研究[J].黑龙江电力, 2004, 26 (5) :342-345.

[3]刘亚茹, 廖继宏.变压器匝间绝缘故障的分析[J].黑龙江电力, 2009, 31 (2) :123-125.

[4]路长柏.电力变压器绝缘[J].黑龙江电力, 2003, 25 (1) :8-15.

[5]Z.D.Wang.Partial discharge location in power transformers usingthe spectra of the terminal current signals[C].Proc.of the 11thIntern Symp.on H.V.Eng.1999, S10-5:58?61.

[6]张志涌.精通MATLAB 6.5版[M].北京:北京航空航天大学, 2003.

变压器线圈 第6篇

关键词：干式变压器,雷电波,波过程,Matlab

引言

变压器在实际运行过程中要承受各种过电压的作用,雷电波就是其中的一种。变压器一旦遭受到雷击作用,将影响电力系统的稳定运行。变压器线圈在冲击电压作用下产生的过电压,主要是由线圈内部的自由振荡过程和线圈之间的静电或电磁感应过程所引起的。这两个过程,统称为变压器线圈中的波过程。在波过程中,变压器内部的匝间、段间、饼间及变压器线圈的对地部件将产生振荡过电压,这种过电压可能超过线圈上的电气设备的绝缘水平,造成绝缘击穿事故。因此,分析变压器线圈的波过程就很必要。

国内的学者对变压器线圈的波过程进行过系统的研究,提出了可以用计算机解算变压器波过程的理论算法和波形拟合。但是对干式变压器的波过程没有涉及,主要从干式变压器波过程的暂态模型、参数计算及电路仿真进行研究。

当雷电波作用于变压器线圈时,沿线圈的起始分布主要由线圈中的电容来决定。当时间足够长时,沿线圈的最终电压分布主要由线圈的电感来决定。研究结果表明,线圈中冲击电压分布出现振荡的原因是起始分布与最终分布之差造成的。

1 干式变压器线圈的结构尺寸和缠绕方式

干式变压器线圈结构尺寸和缠绕方式如图1。

2计算模型

2.1 干式变压器波过程的等值电路。

根据传统的变压器绕组中波过程计算理论,变压器高低压绕组要细分为若干单元,每一单元用一个集中参数单元来表示。结合图1干式变压器线圈结构特点,可按以下几点说明划分单元:

(1)以每一段中的每一层线圈为一个单元线圈。(2)对带风道的高压线圈,如果风道内线圈部分为一段一层,则可将这一部分划分成两个单元或三个单元。(3)在分接区部分,一般是两个分接头之间为一个单元线圈。若分接头不在每层端部引出,而是在层中间引出,这时仍以每层线圈为一个单元线圈。等值电路模型如图2所示:

2.2 干式变压器线圈参数计算

(1)电感参数的计算。干式变压器在实际冲击电压作用下,变压器线圈或者受冲击绕组末端接地,或者非受冲击绕组两端接地或通过负载短路。在这种条件下,各种计算模型通常假设铁芯中没有主磁通。该结论已经得到验证。采用无限长铁芯柱电感计算模型。在这一模型中,每一个自感或互感可分成两个部分,一部分表示成空心电感分量,另一部分表示成铁芯影响的分量。因而,第i线匝与第k线匝之间的互感由下式计算:

式中:M'ik表示空心电感分量;M"ik表示铁芯影响的分量。

空心矩形截面圆线圈的自感解析用下面公式计算。即自感为:

(2)电容参数的计算。等值电路中的电容包括纵向等值电容和对地电容。纵向等值电容表示匝间和层间的电容。对地电容表示绕组对地的电容。

匝间电容的计算公式,采用平板电容计算公式计算。

εp、ap为匝绝缘的介电常数和两边厚度。

线圈对铁心的几何电容计算公式,按同轴圆柱电容计算公式计算。

3 干式变压器绕组波过程的计算

3.1 变压器绕组的等效电路。

在对变压器绕组等效时,做如下假设:(1)雷电冲击的高次谐波振荡频率很高,因此铁芯中的涡流现象很严重,以至铁芯中无磁通存在。高压线圈的震荡电流所产生的磁通只存在于高低压线圈之间,低压线圈可看做一磁屏蔽,磁的零位面与低压线圈重合。(2)低压线圈纵绝缘距离小,匝间电容较大,在高频冲击电压作用下匝间容抗很小,因此可以认为低压线圈各点的电位是相等的。如果低压线圈两端接地,则低压线圈即与电的零位面重合。(3)这样,对于冲击电压而言,低压线圈既是磁的,又是电的零位面,故冲击电压在高压线圈中传播,于是变压器高压绕组的等效电路如图3所示。

3.2 方程组的推导

对于下部网孔有如下方程:

可改写为:

将式(7)代入式(5)整理得:

令pΦJ=ΨJ,则得:

为了计算方便,使方程组(9)中的二阶导数化去。

令YJ=ΦJ-GJV(t)

式中VIJ=OIJ-TIJGJ,NIJ=WJ-FIJGJ

利用方程组(10),在确定了外施电压参数及初始条件和边界条件以后,可以求出等值回路中各网孔的ΦJ,进而求出各个节点上的电位:

4 等值电路的仿真结果

为了验证上述理论,挑选了160KVA容量的干式变压器线圈进行仿真,利用计算数据绘制波形如下图所示:

分析结果:(1)冲击电压作用于变压器绕组的瞬间,电压大部分降落在线圈的首端,这部分电压梯度最大,因此对线圈首端的匝间绝缘就要求最高。

(2)理论分析和仿真结果对照表明,计算结果具有更大的梯度,这是因为理论分析将绕组的电容平均分布到绕组上,而仿真计算时将单元线圈为单位计算电容参数的。最终分布的结果接近情况较好。

(3)在冲击电压作用时,绕组中会出现余弦性质的过电压,考虑损耗后,雷电过电压大约在100ms后消失。

结束语

研究计算干式变压器冲击电压暂态过程可以计算出冲击电压在线圈内部各点的波过程,通过调整线圈结构可以改变波过程的分布,这对于我们确定更经济合理的干式变压器绝缘结构、提高产品的可靠性、延长产品使用寿命、降低成本具有重要的意义。

参考文献

[1]张嘉祥.变压器线圈波过程[M].北京:水利电力出版社,1982.

[2]王赞基.多绕组变压器线圈波过程计算[D].北京:清华大学电机工程与应用电子技术系,1985.

[3]靳海军.基于波反射的防雷变压器内部过电压分布的计算与仿真[D].新疆:电力系统及其自动化专业,2005.