电气工程学报, 2018, 13(10): 6-10 doi: 10.11985/2018.10.002

VFTO对电力变压器绕组暂态电压分布的影响研究

高有华1, 宋佳1, 杜翰文1, 高有锋2, 李延斌1

1. 沈阳工业大学电气工程学院 沈阳 110870

2. 国家电网本溪供电公司 本溪 117000

Study of the Transient Voltage Distribution of the Transformer Windings Caused by VFTO

Gao Youhua1, Song Jia1, Du Hanwen1, Gao Youfeng2, Li Yanbin1

1. Shenyang University of Technology Shenyang 110870 China

2. Benxi Power Supply Company Benxi 117000 China

收稿日期: 2018-03-24   网络出版日期: 2018-10-31

基金资助: 辽宁省教育厅计划项目.  L2015386

Received: 2018-03-24   Online: 2018-10-31

摘要

当气体绝缘金属封闭式开关装置（GIS）进行隔离开关分合闸操作时,产生的快速暂态过电压（VFTO）极有可能造成GIS内部设备及与之相连的电力设备发生绝缘事故,其中对电力变压器的危害更为严重。本文应用EMTP对GIS中隔离开关操作引起的各节点的VFTO进行了仿真计算,分析了VFTO的幅值特征,将VFTO作用在变压器绕组上,分析了变压器绕组的暂态电压分布、找出了变压器绕组的绝缘薄弱环节。

关键词： 快速暂态过电压 ; 气体绝缘金属封闭式开关装置 ; 暂态电压分布 ; EMTP ; 多导体传输线模型

Abstract

The very fast transient overvoltage (VFTO) generated by disconnector operation in gas insulated switchgear (GIS) can cause insulation faults of GIS equipment and electrical equipment connector to it, especially power transformer. In this paper, VFTO at representative position caused by disconnected operation in GIS is calculated and simulated with EMTP, and the characteristic amplitude values of VFTO are analyzed, the VFTO is applied to the transformer windings, and the transient voltage distribution of the transformer windings is analyzed, the potential gradient between the coils and the turns is obtained, the insulation faults of the transformer windings are found, which is in the forward end of the transformer windings.

Keywords： Very fast transient overvoltage (VFTO) ; gas insulatecl switchgear (GIS) ; transient voltage distribution ; EMTP ; multi-condultor toransmission line (MTL) model

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本文引用格式

高有华, 宋佳, 杜翰文, 高有锋, 李延斌. VFTO对电力变压器绕组暂态电压分布的影响研究. 电气工程学报[J], 2018, 13(10): 6-10 doi:10.11985/2018.10.002

Gao Youhua. Study of the Transient Voltage Distribution of the Transformer Windings Caused by VFTO. Journal of Electrical Engineering[J], 2018, 13(10): 6-10 doi:10.11985/2018.10.002

1 引言

随着电力系统电压等级的提高,气体绝缘金属封闭式开关装置（Gas Insulated Switchgear,GIS）中隔离开关操作引起的快速暂态过电压（Very Fast Transient Overvoltage,VFTO）问题愈加突出。GIS中由于隔离开关没有专门的灭弧装置,且当其进行分合闸操作时速度较慢,因此,隔离开关在分合闸操作过程中两触头间会多次发生重燃和预击穿现象,从而产生上升时间极短的冲击波,它将在GIS内经过多次反射与折射形成波头极陡、频率高达十甚至上百赫兹的特快速暂态过电压[1,2]。这种波头极陡并且伴有高频振荡的VFTO不仅影响GIS中各元件的可靠性,而且严重威胁着与之连接的电力设备的绝缘,尤其对电力变压器的危害更为严重。造成上述现象的原因主要有以下两方面：一是 VFTO 到达变压器时,由于其波头极陡,造成极不均匀的电压分布,且大部分降落在靠近入波端的一小部分绕组上,从而极有可能造成变压器的匝间绝缘事故[3];二是当VFTO 振荡波的频率与绕组自振频率接近时,可能激起绕组内部的电磁振荡,出现比雷电冲击全波和截波更高的局部共振过电压。目前,电力系统电磁暂态程序（Electromagnetic Transients Program,EMTP）在GIS内部由于隔离开关等分合闸操作产生VFTO的仿真计算中应用比较广泛[4,5,6]。本文应用EMTP对GIS中隔离开关操作引起的各节点的VFTO进行仿真,分析VFTO作用下变压器绕组暂态电压分布的关键是确定变压器绕组的暂态电路模型和参数值,本文应用EMTP建立变压器绕组的等效电路模型[7],分析计算了VFTO作用下变压器绕组中的暂态电压分布。这对改进变压器绝缘设计和提高变压器运行的稳定性有着重要的意义。

2 GIS中VFTO的仿真分析

2.1 实验电路的建立

图1是依据IEC标准进行的GIS分合母线充电电流实验电路示意图,B1端接电源变压器,B2接直流电压发生器,首先闭合D1,D1与D2间的负荷母线被充电,经过至少1min后断开D1,进行隔离开关分合负荷母线实验。实验要求负荷侧母线长与电源侧母线长之比为0.36,封闭母线内部充有SF6气体,压强为0.4MPa。测量结果见表1。

图1

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图1   试验装置示意图

Fig.1   GIS simulation model


表1   试验电压测量结果

Tab.1  Masurement results of the test voltage

平均值(pu)最大值(pu)峰值电压发生时间/μs
电源侧1.561.913.3
负载侧1.872.414.4

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由表1可知,VFTO的幅值并不是很高,且负载母线侧的过电压明显大于电源侧的过电压。与雷电冲击电压不同,当断口处发生预、重击穿时,在每一个电压跃变处都会产生波前很陡的阶跃电压波,从断口处向两端传递,由于GIS体积较小,相邻电气设备间的距离和母线长度都比同类型的空气绝缘变电站（Air Insulated Substation,AIS）小得多,阶跃电压波会在GIS内不断地产生,反复传递,并且发生复杂的折射、反射和叠加,最终暂态振荡频率急剧增加,危及绝缘。

图2为该试验电路的等效电路图,电源侧加电容C,其目的是获得较明显的快速暂态过程,取C = 400pF。C1、C2、DSM用来测量电源变压器的工频电压。

图2

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图2   试验电路图

Fig.2   Experimental circuit diagram


2.2 仿真电路的建立

对充电母线的模拟,主要考虑到残余电荷对快速暂态过电压仿真有着密切的关系,在隔离开关操作过程中,电弧会发生多次重燃,使隔离开关与断路器之间的母线残留一定量电荷,且母线内残余电荷仍随电弧的重燃进行叠加。在实际仿真过程中,空载母线对外壳等效为一个定值电容,为得到最大过电压的波形,计算时假设电源电压与负荷母线的残余电压反向时,隔离开关重燃。

在ATP-Draw中建立过电压仿真模型,如图3所示,其元件模型的参数见表2。

图3

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图3   ATP-Draw仿真电路图

Fig.3   Artificial circuit


表2   暂态计算中各元件模型及参数

Tab.2  Component models and parameters

元 件模型说明参 数
变压器入口电容C = 5 000pF
套管对地电容CB = 300pF
断路器n个等效串联电容;端口集中电容Cn = 30pF
C0 = 250pF
封闭母线分布参数传输线（单位长度的电感、电容）L0 = 0.25μH
C0 = 44.5pF

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2.3 数学模型的建立

对于GIS暂态过程计算,其特征是用电流源、电阻和电容替换网络元件,以建立其等价的网络节点方程,对其建立的节点导纳矩阵进行求解,形成节点电位方程为

式中,Y为节点导纳矩阵,是一个n×n的方阵,矩阵中的每个元素都与元件本身参数和时间步长有关;U(t)是随时间变化的节点电位列向量,是一个n×1矩阵;IS(t - Δt)为节点电流列向量,也是一个n×1矩阵。

2.4 仿真结果

变压器入口处的VFTO仿真波形如图4所示。

图4

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图4   变压器入口处的VFTO仿真波形

Fig.4   Simulation waveforms of VFTO at transformer


由图4可知,变压器入口处VFTO幅值达1.3pu,其值虽然不高,甚至不会使保护变压器的避雷器动作。但其电压上升陡度大,因此会对变压器的匝间绝缘造成威胁。

3 VFTO作用下变压器绕组电压分布的仿真和分析

研究变压器绕组中的暂态电压分布,首先要弄清在暂态过电压作用下变压器绕组的等效电路。实际的变压器绕组中线匝间对地存在电容,但在工频电压作用下,其值很小可以忽略不计,此时可以认为变压器绕组的等效电路只包括集中电感和电阻。但在高频暂态电压VFTO作用下,则必须考虑变压器绕组中各元件间的耦合电容,电路变得十分复杂。因此,分析VFTO作用下变压器绕组暂态电压分布的关键是确定高频下变压器绕组的暂态电路模型。文献[8,9,10]中变压器绕组的多导体传输线模型最贴近真实模型,计算结果也比较令人满意。因此,本文采用多导体传输线模型来分析VFTO作用下变压器绕组中的暂态电压分布。针对变压器线圈的特殊结构,将绕组导线的每匝看作一根传输线[11],则整个变压器绕组构成了一个多导传输线模型。将线圈在线端处沿轴向面剖开,将线匝展成直线,并将这些“传输线”按电气联结顺序编号。线匝的边界条件为第i根线末端的电压、电流分别等于第i + 1根线首端的电压、电流（i = 1, 2, …, n - 1）;第一根线首端接电压源,第n根线末端或接地或接负载阻抗或悬空,则相应的多导体传输线模型可以看作一个2n端口网络,边界条件总数为2n个[12,13,14]。其数学方程可以表示为

式中,U(x,t)、I(x,t)分别为n×1的电压和电流列向量;R、L、G、C分别为n×n的单位长度的电阻矩阵、电感矩阵、电导矩阵和电容矩阵。

变压器多导体传输线模型的仿真计算利用Simulink中的多导体传输线模型[15]进行搭建,如图5所示。

图5

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图5   变压器绕组多导体传输线仿真模型

Fig.5   Simulation model of MTL for transformer windings


其中,本文选用的变压器高压绕组含有68个线饼,每个线饼包含12~14匝,绕组的截面积为3.15×11.8mm2,绕组匝间和线饼间的距离分别为0.9mm和3.9mm。变压器入口处的VFTO幅值为1.3pu（见图4）,将其作为变压器绕组的激励,对变压器绕组中过电压分布进行分析。图6、图7分别给出了第2、4、6、8线饼（变压器绕组前部）和第34、36、64、66线饼（变压器绕组中、后部）的暂态电压分布波形。

图6

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图6   变压器绕组前部的电压分布波形

Fig.6   Curves of voltage to transformer winding


图7

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图7   变压器绕组中、后部的电压波形

Fig.7   Curves of voltage to transformer winding


由图6可以看出,幅值分别为546kV、536kV、538kV和536kV。即变压器绕组的第2线饼振荡的幅度和频率是最高的。

从图6、图7可以看出,靠近变压器绕组入口处的第2、4、6线饼和第8线饼幅值相对较高,振荡频率也较高,绕组的中间部位第34线饼和第36线饼以及绕组尾部第64线饼和第68线饼的VFTO幅值依次呈下降趋势,振荡频率也有所降低。因此,由仿真波形可以看出,在VFTO作用下变压器绕组线饼电压的最大值发生在靠近绕组首端区域,即绕组线饼间的电压分布极不均匀,其最大值发生在靠近绕组首端的很小区域,这与各种冲击电压引起的变压器绕组绝缘故障往往发生在绕组首端的现象是一致的。

4 结论

（1）本文通过EMTP建立了气体绝缘金属封闭式开关装置的仿真模型,对GIS中隔离开关操作引起的各节点的VFTO进行仿真分析,得出了变压器入口处的VFTO的幅值最大。

（2）基于变压器绕组的多导体传输线模型,以匝为单位进行分析,通过Simulink进行建模仿真,仿真结果表明靠近变压器绕组前部的线饼（第2、4线饼和第6线饼）VFTO幅值相对较高,振荡频率也较高;绕组的中间部位（第34线饼和第36线饼）及绕组的尾部（第64线饼和第66线饼）的VFTO幅值依次呈下降趋势,振荡频率也有所降低。

（3）通过仿真结果分析得到,VFTO最容易损害变压器绕组的前几线饼。虽然幅值不是很高,甚至不会使保护变压器的避雷器动作,但电压上升陡度大,振荡频率分量高,因此会对变压器的绝缘造成影响。

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