（电机与电器专业论文）变压器绕组纵绝缘保护的新原理和新方法研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 ! ! 皇! 皇皇詈詈! ! 毫= = = 竺= ! ! 鼍苎竺= 寰鼍! 詈! 皇苎= ! 苎= ! b i = i i 苎! ! ! 皇! ! = = = ! ! a b s t r a c t t r a n s f o r m e rw o r k si nt h e p o w e rs y s t e m ，t h ee n v i r o n m e n t sa r es o s e v e r ef o rt h e l o n g i t u d i n a li n s u l a t i o no fw i n d i n g st ob e a rv a r i a b l ei m p u l s e s a n dt h ee x i s t i n gp r o t e c t i o n m e t h o d s i n c l u d i n g e x t e r n a l p r o t e c t i o nb ys u r g e a t t e s t e r sa n di n n e r p r o t e c t i o n 、n t l l r e f o r m i n gc o n f i g u r a t i o n ，c a n te n s u r et h et r a n s f o r m e rs a f e s om o v sp a r a l l e lt om u l t i w i n d i n g sp r o t e c t i o ni si n t r o d u c e di nt h ep a p e r , a n dt h ec a l c u t m i o np r o g r a mw i t l lc a l a h a n m e t h o da n dt h em o d e le x p e r i m e n t sa r ep r o v i d e dt oa n a l y z et h ew a v ec o u r s ei nw i n d i n g so f t r a n s f o r m e r f i r s t l y , t h ew i n d i n g sr e s p o n s et os u r g ew a v e sa n d t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h el o n g i t u d i n a l i n s u l a t i o na r e d e s c r i b e d c o m p a r i n g t h e e x i s t i n gp r o t e c t i o n m e t h o d sa n dt h e i r d e v e l o p m e n t s ，t h ep r i n c i p l e o fn e wm e t h o db ym o v sp a r a l l e lt om u l t i s e c t i o n so f c o n t i n u o u sw i n d i n gi sd i s c u s s e di nd e t a i l w i t hh i g h e rn o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c sa n dg r e a t e re n e r g ya b s o r b i n g c a p a b i l i t y , m o vi s u s e da b r o a dt or e s t r a i no v e r - v o l t a g e si ne l e c t r i c a le q u i p m e n t s a sm o vu s e dt o p m t e c t t r a n s f o r m e r si so p e r a t e di nt h eo i lw i t hh i g ht e m p e r a t u r e ，i ts h o u l dh a st h ec o n t i n u o u s p o w e rf r e q u e n c yt h e r m a ls t a b i l i t ya n dt h ep a r t i a lr e s o n a n c ec a p a b i l i t y , a n dt h ee x p e c t e d l i f c l i m eo fm o vi sl o n g e rt h a nt h et r a n s f o r m e rd i n e 【i m i t a n dt h e nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f m o vk r ee x h i b i t e db yt e s t st of i n daf a v o r a b l em o v s e c o n d l y , t h ep r o g r a mb y c a l a h a nm e t h o di sa p p l i e dt oc a l c u l a t et h el i n e a rw a v ec o u r s e w i t h o u tm o va n dn o n l i n e a rw a v ec o u i s cw i t hm 0 v i tt u r n so u tt h a tt h es o f t w a r ec a r l m a k e s e l f - c h e c k i n ga n d i th a sf r i e n d l yi n t e r f a c e ，u s e dc o n v e n i e n ta n du n i v e r s a l l y i no r d e r t oe v a l u a t et h ep r o t e c t i o ne f f e c to fm o v ，t h em o d e le x p e r i m e n t sa r ep r e s e n t e da sw e l la s u n d e rt h es t a n d a r ds u r g e sa n dt h ep e r i o d i c a lo s c i l l a t i o nw a v e s ，t h ev o l t a g ed i s t r i b u t i o n sa r e m e a s u r e di nw i n d i n g sw i t h o u tm o va n dw i t hm o v b a s e do nt h ec a l c u l a t i o n sa n dt h ee x p e r i m e n t s ，t h er e s u l t sb yt w om e t h o d sa l e a n a l y z e dc o m p a r a t i v e l y ；i t s h o w st h a tt h ep r o t e c t i o nm e t h o di sa v a i l a b l e f i n a l l y , t h ei n v e s t i g a t i o n sa r cs u m m a r i z e d , a n dt h ef u r t h e rs t u d yi sp r o s p e c t e dt og e t i m p r o v e m e n t s k e y w o r d s ：w i n d i n g s i nt r a n s f o r m e r , l o n g i t u d i n a li n s u l a t i o n ，m e t a lo x i d e v a r i s t o r , o w e r v o l t a g e s ，c a l a h a nm e t h o d m o d e le x p e r i m e n t s 华中科技大学硕士学位论文 1绪 言 二十一世纪是一个充满希望的世纪，也是一个充满竞争的世纪，对于电力工业 的变压器行业尤其如此。变压器技术和产品行业是一个相对较老的行业，其发展已 超过了一个世纪，是成熟与完善的。在二战后，由于用电量的骤增，材料工业的 进步，变压器的容量大增，其产品的品种与技术都有了重大的变革，但因其基本原 理末变，还是没有达到革命性的变化。今后二十年内n 】，变压器类产品的技术经济 指标将愈趋先进。 变压器作为电力系统中至关重要的大型设备，不仅是电力传输连续性的可靠保 证，而且是国计民生的关键所在。我国自8 0 年代以来，电力工业取得了长足的发展， 促进了变压器制造业的发展，变压器单台容量已达到7 2 0 m v a ，电压等级高达 1 0 0 0 k v ，这样对变压器的绝缘技术也提出了更高、更新的要求。 变压器在电力系统中工作，环境较复杂，经常受到各种外界激励的作用，以及 各种开关操作等，都会使变压器绕组遭受过电压的冲击。特别是当振荡波的频率与 绕组自然频率接近时，将在绕组内部产生局部共振，使纵绝缘失效。可见，变压器 绕组的纵绝缘运行状况相当恶劣。 关于变压器绕组纵绝缘保护的实现，国内外都有不同程度的研究，也发展了不 少的保护方法。但实际的运行经验已经发现，虽然这些方法在降低和均匀纵绝缘所 承受的全波、截波过电压是很有效的，却不能避开由周期衰减振荡波产生的过电压。 这就提出了一个新的课题：开发种能够完全实现变压器绕组纵绝缘保护的新方法。 为此，本文提出了变压器绕组分段并接m o v 实现绕组内保护的新思路，并采用 c a l a h a n 算法进行软件设计，与变压器绕组冲击波的模型试验结果进行比较，为实现 变压器绕组的纵绝缘保护提供了可靠保证。 本市第一节对国内外变压器的发展进行了历史回顾，并阐述了其当前发展动态。 第二节简述了变压器绝缘的各项性能，及进行绕组绝缘保护的研究进展。第三节对 目前主要的m o v 在线检测技术加以综述，并指出了各种方法的特点和不足。第四 节简单而概要地说明了本文的主要工作。 华中科技大学硕士学位论文 1 1国内外变压器的发展动态 从1 8 8 5 年发明了变压器及感应电动机以来，变压器及电力工业都有了很大的发 展。由于变压器可以变换系统电压，使发电机的电压( 原本受限，最高只能到2 4 k v ) 经变压器可以随意升高( 电压愈高，传输距离愈远) ，甚至达到百万伏级，使输电距 离超过1 0 0 0 k m ，又由于终端变压器很容易地将电压降到用户电压4 0 0 v ( 可分为一级 或几级降压，视用户的电压等级定) 。这样以变压器为主导。带动了发、输、变、配 电行业乃至整个电力系统的发展。 有关国内外变压器行业的发展现状及其趋势预测的著名网址有： b 吐p ：碰邺业d e 【g ￥垃b s i l d 山e q g 姐 h t t p ：w v z w c l a r k p u b l i c u t i l i t i e s e o r n h t t p ：v x a v w e e e i a c o m h t t p ：w w w c p e i n e t c o m c n h t t p ；t w w w _ t r a n s f o r m e r n e t c n w e b p a g e d a f a u l t h t m l ，从该站点几乎可以查询到所 有关于变压器发展动态的网上资源。 1 - 1 1 田外的发展概况 目前世界范围内形成了几大变压器生产集团 3 1 ：原苏联有世界上最大的变压器 公司( 乌克兰扎布洛斯变压器厂生产能力为1 亿k v a ，俄罗斯陶里亚第变压器厂生产 能力达4 千万k v a ) ，a b b 公司2 9 个电力变压器厂生产能力总计8 千万1 亿k v a ， 英法g e c a l s h t o m 生产能力是4 千万k v a ，日本各厂( 三菱、东芝、日立、富士) 总 和达6 千5 百万k v a ，德国t u 集团生产能力有4 千万k v a 。 这些公司生产的代表性产品有电力变压器：电压等级为11 5 0 k v ，容量为 1 2 0 0 m v a 已在系统运行：电压为7 3 5 7 6 5 k v ，容量为8 0 0 m v a ：电压为4 0 0 5 0 0 k v ，3 相容量7 5 0 m v a ，l 相容量5 5 0 m v a ：电压是2 2 0 k v ，3 相容量达到 】3 0 0 m v a 。以及h v d c 型代表性产品：电压5 0 0 k v ，容量4 0 0 m v a 。 其产品结构为油浸变压器，主要有两类：芯式的结构型式为饼式线圈和筒式线 圈( 法a l s h t o m 生产) ；壳式只有三家生产，a b b 门西变压器厂( 在美国) ，日本三菱， 和法国允蒙斯耐德。其中，芯式生产量占到了9 5 ，壳式只占5 。芯式与壳式互 华中科技大学硕士学位论文 无压倒性的优点，只是芯式工艺简单一些，因而为大多数厂家采用，而壳式结构与 工艺都要复杂一些，只有传统性工厂采用，生产壳式的公司或厂家，也生产芯式。 以】2 0 m v a 为界限，大于2 2 0 k v 、1 2 0 m v a 的设计生产壳式，若小于2 2 0 k v 、1 2 0 m v a 为芯式。壳式结构适用于高电压、大容量设计，其绝缘、机械及散热都有优点，且 适宜于山区水电站的运输，因而仍有其生命力。 1 1 2 田内的现状与趋势 解放前我国只能生产配电变压器，直到5 0 年代初生产的变压器最高电压和最大 容量分别只有3 3 k v 、2 0 0 0 k v a 。随着国家经济的高速发展，建设了一批变压器专业 生产厂和大量的大、中、小型变压器骨干厂，已经逐步形成了特有的变压器行业。 建国后，电压容量的发展为1 4 】： 19 5 62 2 0 k v4 0 m v a 19 5 82 2 0 k v2 6 0 m v a 1 9 7 23 3 0 k v2 6 0 m v a3 6 0 m v a ( 自耦) 1 9 8 35 0 0 k v3 相2 5 0 m v al 相2 5 0 m v a 】9 9 85 0 0 k v7 2 0 m v a沈阳变压器厂 1 9 9 91 0 0 0 k v1 5 0 m v a 样品沈阳变压器厂 到目前为止，我国的沈变、西变、保变均能成批生产5 0 0 k v 级电力变压器，在 5 0 0 k v 系统内正常运行，其最长的运行时间已超过1 6 年。经过厂家多年的不断改进， 其运行指标与进口变压器完全相当。 1 9 9 9 年末我国装机容量已达2 9 4 亿k w ，未来经济增长速度将达每年7 ，装 机容量的增长也不会放慢，可以预测到2 0 1 5 年全国装机容量将达5 4 亿k w 。 不难预见国内变压器行业的发展趋势，其大致为：组合式变压器将会有更大量 的需求；难燃油电力变压器会有国内生产的市场；s r 电力变压器的发展在国际上未 有最终定论之前尚有疑义；5 0 0 k v 并联电抗器较过去将会有更多的需求；干式变压 器、配电变压器将继续增长。 一个多世纪以来，国内外均基于电磁感应原理进行电力变压器的生产，其以硅 钢片、电磁线和油浸纸绝缘作为主体。设计的基本原理未曾改变，只是在结构参数、 工艺材料上有不断的更新。随着年代推进，先进生产设备日臻完善，因而各项技术 参数愈来愈先进。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 变压器绝缘及其保护研究进展 变压器绝缘是电力变压器( 特别是超高压电力变压器) 的重要组件，它不但对变 压器的单台极限容量和运行可靠性具有决定性意义，而且对变压器的经济性指标也 有重要影响。运行经验表明，绝缘结构设计是变压器结构设计中一项重要而复杂的 技术问题，它应该建立在理论计算、试验结果的基础上。对于变压器的纵绝缘而言， 必须了解在过电压作用下沿绕组的电压梯度分布，以及其绝缘结构和相应的绝缘材 料。 为了合理可靠地确定变压器的绝缘结构，有必要对变压器绕组的电位分布进行 数值计算和试验研究，因此分析绕组波过程在变压器绝缘研究中成为十分重要的前 提。近年来，随着计算机技术应用范围的日益扩大，变压器绝缘结构的设计已采用 软件进行分析 6 l ，同时因变压器绝缘结构的复杂性，需要对不同的变压器模型进行 试验研究，其对于确定绝缘结构也具有十分重要的意义f 7 】。 运行中变压器遭受过电压作用时，绕组的起始电压分布及绕组匝间、段间的梯 度电压分布都与绕组的结构型式有关。目前我国生产的电力变压器( 包括超高压电力 变压器) ，大多采用饼式线圈( 纠结式、内屏蔽连续式和纠结连续式等) 。对于超高压 电力变压器，国外也采用高压多层层式线圈，这种线圈虽然是实现主绝缘结构的改 变，但其主要优点还在于其改善了过电压下变压器绕组的起始电压分布。 1 2 1 交压器的绝缘性能 变压器在运行过程中长期承受工作电压作用，但变压器的绝缘水平并不是由长 期工作电压决定的，因为变压器也经常遭受过电压的作用，且过电压幅值远大于工 作电压1 ”，可见过电压才是变压器绝缘结构设计依据。目前，变压器的试验电压主 要考虑非周期冲击过电压，它不仅决定了变压器的冲击试验电压值和工频试验电压 值，也决定了变压器的绝缘水平。变压器的工频试验电压和冲击试验电压按照国家 标准g b 3 1 1 1 6 - - 8 3 规定，在型式试验中进行冲击试验，在出厂试验时进行感应耐 压试验，以考察绕组匝间、层间、段间和相间的绝缘强度。 吸收比( 旯，r ，t ， ，) 、介损角正切值( t 9 8 ) 和绝缘电阻可用来表征变压器的 绝缘性能。吸收比除了可以反映绝缘受潮外，还可以表明变压器的整体和局部缺陷。 华中科技大学硕士学位论文 t 9 8 能反映变压器绝缘的运行状态，在一定的电压幅值和频率下对变压器的整体缺 陷非常灵敏，但对局部缺陷却比较迟钝。 在直流电压作用下，变压器绝缘的暂态过程可简化成如图1 1 所示的等值电路。 图中各支路：c ，表征绝缘结构的几何电容：r 、c 支路取决于绝缘的电容变化和介 质损耗c 用来表明绝缘材料的不均匀程度、分层和污秽等状况；r l 可代表线圈的 绝缘电阻，它决定了泄漏电流的大小；q 是绝缘层局部放电的等值火花间隙；而c 。一 c ，用来表征绝缘中油隙或气隙的局部放电。 等值电路中的参数表征了变压器绝缘的电气性能，当绝缘中存在某种缺陷时， 参数将发生相应的变化。绝缘电阻和吸收比就能反映出这些参数的变化，从而发现 缺陷的性质和程度。在直流电压下，变压器绝缘中通过的电流见图1 2 。 音 l 芏| 1 】变压器绝缘等值电路 i 圣l1 2 直流电压一f 绝缘中的电流 图1 1 2 中，瞬时的起始电流i 。；r c 支路中随时间衰减的吸收电流i 2 ；通过r 。 的泄漏电流i ：；总电流为i ，随时间而递减，趋于泄漏电流i ，。从图中还可以发现， 泄漏电流i 、与时间无关，而与整体受潮和贯通性的缺陷有关，因此常用r ( t 随具体 情况改变) 来诊断这种故障。同样，绝缘性能好，绝缘电阻高，泄漏电流会很小，反 之亦然，所以绝缘电阻可以用来判定绕组绝缘状况。 实践证明，测定绝缘电阻和吸收比是反映变压器绝缘性能的重要手段。但是随 着局部放电测量技术的发展和应用，这种方法已被降低到次要位置，特别是在高压 产品的绝缘测试方面，我国的2 0 0 k v 及以上电压等级的产品都需要测定其局部放电 量。 t 9 6 可以反映介质的良好状况。在变压器运行期间，绝缘由于介损的存在而发热， 华中科技大学硕士学位论文 它与水、气等其他各种因素相结合，就会引起绝缘变化。许多情况下，当辔j 很大 时，表明变压器绝缘系统已经存在重大缺陷。当变压器绝缘中通过交流电压d 时， 其等值电路和电压、电流的向量图如图1 3 。 c 吨三皇卜 r 图i 3 简化的介质等值电路和向量图 从上图可得到，介质损耗p = 甜u 2 培j ，u 为驴的幅值，可见辔占是反映绝缘 介质特性的参量。且万= 9 0 。一驴，这样测量增占不仅方便，还能消除几何尺寸差异的 影响，便于比较和判定不同结构产品的性能。，g 巧测量试验的灵敏度较高，主要用 来诊断绝缘受潮、油质劣化和绕组附着油泥等故障，所以辔d 是判定变压器绝缘性 能的重要参数。按国家标准g b 4 5 1 2 8 6 规定，容量8 0 0 0 3 1 5 0 0 k v a 、额定电压3 5 k v 及以上的变压器都须进行t 9 8 的测试。 1 2 2 绕组绝缘保护 变压器在电力系统工作时，很容易受到各种冲击波的作用，产生过电压，严重 威胁绕组纵绝缘，国内外已有不少文章阐述过这方面的问题。在1 9 6 8 到1 9 7 1 期间， 美国a e p 系统曾有四台超高压大型变压器由于绕组谐振，在空载调压绕组间放电发 生绝缘事故 9 1 ：非周期过电压波( 如陡波前长波长波) 和周期振荡波m 】，都会激发绕组 内远高于设计原则的过电压：如果侵入绕组端部的振荡波的频率与绕组自然频率接 近时，绕组会出现局部共振 l “，产生的共振过电压会使绕组与铁芯之间发生闪络， 损坏绕组绝缘1 1 3 , 1 4 】。据统计，国内外已有多台大型变压器因局部共振过电压而损坏， 引起了有关人士的极大关注，1 9 8 3 年的相关会议的议程提到了变压器绕组的绝缘事 故i 。 目前，国内外大多采用外部保护( 装避雷器) 与内部结构措施( 电容环、静电屏蔽 线匝或用纠结式绕组等) 相结合的方法，以降低和均匀绝缘所承受的全波、截波过电 压是很有效的。但变压器工作中所受到的外部激励是很复杂的，雷击多次反射、开 华中科技大学硕士学位论文 关操作等都会使变压器遭受频率范围较宽的振荡波作用。若振荡波的频率与绕组自 然频率相近时，会产生局部共振过电压，使绝缘失效。尤其是采用纠结式绕组易出 现局部共振【l “，对于大型变压器的调压绕组及其在不均匀过渡处要出现很高的共振 过电压。当调压绕组的过电压达到入波幅值的5 0 以上时，在绕组的某些连接点也 。会出现这种过电压l 】”，有的外部避雷器还未动作，中压绕组对地的过电压已经达到 入波幅值的两倍。曾经也有过依赖外接回路来改变系统频率的方法，但外接回路形 - 式多样，无法统一，实施有很多困难。 通过建立绕组的等值电路图，获得分析绕组稳态和暂态的数学模型，有人提出 在绕组两端并接非线性电阻元件z n o 可成功地抑制谐振。有将外部避雷器成功放入 变压器油箱中使用，省却了避雷器瓷套f 】“。用z n o 作绕组的内保护，进一步将m o v 浸入油中保护变压器调压绕组9 地2 ”，试验已经表明这种保护效果非常显著，可以肯 定这部分绕组已排除局部共振的可能。近年来，还有人探索用m o v 对变压器绕组 进行全保护，认为雷电波下绕组电压起始分布几乎接近电压稳态分布。事实上，振 荡过程中电压的变化将引起m o v 的动态参数变化，电压分布也不可能均匀化，况 且变压器的实际绕组结构并不均匀，因此以上观点只是一种理想化的均压看法。这 些都是基础性工作，关于全保护如何实施，还需要进行进一步和更深入的研究。 至于变压器绕组纵绝缘保护在实际的实施，国外的日本、美国、西德等国家已 成功地利用m o v 保护调压绕组。法国也提出过要发展全保护，但尚未有实施。在 我国，随着输电系统的电压等级和输电容量的提高，我国自行生产的高压、超高压 变压器都在大批量增加，变压器绕组纵绝缘保护水平也正在逐步提高。 因此，从当前的国内外形势发现，不管是从技术的角度上看，还是从经济的角 度上考虑，都可以预见：采用简单的绕组结构，用m o v 做绕组的全保护，必然是 新型变压器的发展方向之一。 13m o v 检测技术的发展 目前m o v 检测方法主要有【2 3 j ：总泄漏电流法、常规补偿法、基波法和阻性电流 三次谐波法等。研究发现，m o v 的总泄漏电流的大小不能完全反映m o v 的绝缘状 况，但其阻性泄漏电流峰值的大小可表征m o v 工作特性的优劣。 华中科技大学硕士学位论文 1 3 1 检测方法及其不足 目前我国应用较多的测试方法是用补偿法测量m o v 的阻性泄漏电流，其中日 本计测器制造所研制的l c d - 4 型口q 泄漏电流测试仪就是基波补偿法的代表作，主要 测量m o v 总泄漏电流、阻性泄漏电流及功耗。其次是用三次谐波补偿法测量阻性 泄漏电流 2 5 , 2 6 1 ，有挪威n a t i o n a lg r i l 公司的l c m 型泄漏电流测试仪，和东北电力试 验研究院开发的检测m o v 的r c d 阻性电流测量仪，后者增加了对两边相的相间耦 合补偿，通过测量两边相电流基波的相角差，对边相进行相位补偿以消除相间耦合 的影响。 l c d 4 被认为是原理严谨的测试仪，但其现场测试的结果还不能完全令人满意。 研究人员对它的现场测量误差来源进行了详细分析，并提出了改进措施。误差产生 的主要原因是：现场的电气设备布置较紧密，设备间的杂散电容较大。m o v 的泄漏 电流中存在着相间耦合的电容电流，它是通过相间杂散电容耦合过来的，从而造成 了三相阻性电流不平衡。实测数据表明，以中相b 的测量值为基准，对于1 1 0 k v 系统， 两边相偏差为1 0 ；2 2 0 k v 系统两边相偏差为2 5 ；5 0 0 k v 系统两边相偏差为 4 0 。l c m 测试仪是基于三次谐波分析法，它的诊断结果与l c d 4 基本一致。 m o v 的u i 特性存在滞洄现象，及电网电压谐波影响检测结果，导致l c d 4 测 量单相m o v 存在缺陷，造成非线性支路的阻性电流测量误差，应该利用相关软件 进行分析，才能得到正确结果。在进行三相m o v 测量时，l c d 4 不能自动抵消邻 相电压通过相间分布电容耦合到被测相的电流，这个电流在检测结果中被当作阻性 电流分量。即使对l c d - 4 加移相器，并不能保证去除相间耦合高次电容电流和得到 合理的m 0 v 阻性电流。 若三相的m o v 同步进行老化，r c d 阻性电流测量仪可以对两边相进行补偿， 其检测结果优于l c d 4 的测量结果，且三相测试结果基本相同。但动态的电网谐波 对阻性电流的峰值有影响，会引起测量结果不稳定，这时也只能给出阻性电流基波 值。 m c m 一1 阻性电流数字化测量仪，也是采用补偿法原理，结合了数字处理技术，在 测量精度方面有所提高。基于这种思想的还有冲击电流及泄漏电流联合在线监测仪， 除具备m c m 一1 的功能外，还可以记录冲击电流的峰值。另外也有集中式绝缘在线 监测系统投入电网运行，为自动监测系统的发展积累了宝贵的运行经验。 从以上分析可以看出，l c d 一4 的原理中没有考虑相间耦合电容和电网电压谐波 华中科技大学硕士学位论文 的影响、及m o v 的u - i 曲线的滞洄特性，这是产生测量误差的主要根源。常规补偿 法、基波法和三次谐波法也都不能排除谐波电压对测量的影响，从而影响正确判断 m o v 运行工况。 利用数字信号处理技术必定是未来发展的方向，它可以绘出阻性电流波形及u i 特性曲线，并且辅以数据库的支持，还可以根据其在不同时间的变化曲线正确判断 m o v 的绝缘状况，及时排除事故隐患口”。由发展趋势来看，m o v 的在线检测将成 为变电站综合自动化系统一个不可或缺的组成部分。 1 3 2 最新动态 正是因为相问耦合电容和系统电压谐波相互交织在起，使问题变得非常复杂。 如何消除耦合电容和电压谐波对阻性电流测量结果的影响，以提高测量精度，一直 是人们关注的焦点问题。 变系数补偿法1 2 8 i 和阻性电流检测的多元补偿法1 2 9 i 应用谐波分析法对补偿法进行 改进，对各次谐波电流采用不同的( 多个) 系数进行补偿，旨在消除系统电压的谐波 影响。其基本原理是对系统电压和总泄漏电流进行频域分析，然后对电压和电流各 次谐波分量进行计算和分析，求出各次容性电流谐波分量之和即为总容性电流，再 用总电流减去总容性电流，就可以得到阻性电流分量。 移相法和双c t 法也存在不足之处【3 0 l 。外加的移相器无法消除高次谐波所引起 的耦合电流，且增加了电压信号的延迟；由双c t 法所取得的两边相电流相位差为 1 2 0 。2 0 0 ，用以对基准电压校正来消除相间干扰，但其要求两边相的m o v 特性和 老化速率一致，否则不能正确求出巩。文 3 0 中将相间电容作为已知参数，用仪器测 算出来，检测时在软件中用它来消除耦合电流的影响。 1 3 3 研究方向 尽管在精确测量m o v 阻性泄漏电流方面有些进展，但要最终解决这个问题仍 然存在着一定的困难，主要表现为以下三个方面： ( 1 ) 在正常工作条件下，m o v 的总泄漏电流只有几百微安几个毫安，而阻性 泄漏电流则更小，其峰一峰值变化范围是几十微安几百微安，占总泄漏电流的 1o 2 0 。 ( 2 ) m o v 阻性泄漏电流是非线性的，其易受温度、湿度等外界环境的影晌，而且 华中科技大学硕士学位论文 阻性电流自身也含有非常丰富的高次谐波成分。 ( 3 ) 相间的耦合电容因素是测量误差的重要来源，且随着电压等级升高，测量误差 成倍增加。由于相间耦合电容是以分布参数形式存在的，受周围环境温度和系统电 压变化的影响，使得相间耦合电容测量比较困难，其测量精度也影响阻性电流的测 量准确度。另外。取自电压互感器p t 二次侧的电压信号有相移，也是测量误差的来 源。 由于被测信号( 阻性泄漏电流) 数值微小，测量误差和计算误差对测量精度影响 大；非线性特性、电压高次谐波、相间耦合电容等因素的不确定性，使得精确测量 相当困难。在诸因素中，采用软件处理基本上可以去除系统电压谐波的影响，但相 问耦合电容、u i 特性的滞洄性仍是制约阻性泄漏电流测量精度的主要因素。因此， 消除耦合电容和u i 特性的滞洄性的影响是该领域中主要的研究方向。 1 4 本文主要工作 本文的研究是在国家自然基金资助项目“分段并接m o v 整绕组全保护动态响 应机理研究”( 项目编号为5 0 0 4 7 0 0 6 ) 的基础上展开的。 本文的主要工作如下： f 1 1 绕组纵绝缘保护的新方法 利用m o v 优异的非线性特性和大的通流能力( 即能量吸收能力) ，提出采用连续 式绕组分段并接m o v 的方法来实现绕组的纵绝缘保护，从m o v 的保护原理及其保 护效果两方面进行了阐述。 f 2 1 油中m o v 的特性研究 用作变压器内保护的m o v 长期工作在高温油中，文章对m o v 的电气特征、热 稳定性和老化( 使用寿命) 特性作了较详尽的分析：在综合比较了各种检测m o v 特性 的方法后，采用数字谐波分析法进行试验研究，取得了较好的效果。 f 3 ) 绕组波过程的计算方法 计算绕组波过程有多种方法，本文采用解常微分方程初值问题的数值解法具有 显式递推、绝对稳定特点的半隐格式c a l a h a n 法，计算变压器绕组分段并接m o v 的 波过程，优势非常明显。 ( 4 ) 绕组并接m o v 的软件设计 华中科技大学硕士学位论文 利用c a l a h a n 法进行相关的软件编程，针对不同结构型式的变压器，进行了参数 计算和波过程计算，波过程包括不接m o v 和接m o v 两部分。 ( 5 ) 绕组冲击波的试验研究 在变压器绕组( 接m o v 和不接m o v ) 模型上，分别施加标准雷电冲击波( 全波和 截波) 、周期衰减振荡波进行模拟试验，较系统地了解绕组的实际波过程。 ( 6 1 结果分析及其实用价值 对数值分析和试验结果进行了详细研究和比较分析，表明m o v 很好地改善了 绕组的电位分布特征，同时也验证了程序所用计算方法的正确性和模拟试验的可靠 性。 ( 7 ) 全文总结 总结了全文的主要工作，并在此基础上，对下一步将继续进行的研究工作进行了 展望。 华中科技大学硕士学位论文 2 绕组纵绝缘保护新方法 随着电力系统的发展，变压器发生的事故率也在增加，在美国电力系统曾经 先后有四台大型超高压变压器的无载调压绕组发生绝缘事故，它是由于变压器所处 系统发生故障而引起的。据统计，国内外已经有多台大型超高压大容量有载调压变 压器因局部共振而损坏，引起了有关研究人员的极大兴趣和关注，国际大电网会议 早在1 9 7 9 年就成立了1 2 - - 0 7 工作组来研究变压器的绕组绝缘事故。 变压器的实际工作环境十分复杂它经常受到各种外界激励作用，雷击多次反 射、开关操作等都使变压器绕组遭受过电压的侵袭。若其受到与绕组自然频率相近 的周期衰减波的作用时，将激发绕组内部的电磁振荡产生局部共振，从而导致变压 器绝缘损坏。因为这种局部共振过电压而发生故障的变压器，其故障点大多位于调 压绕组及其所接的分接头绝缘上j 。研究表明变压器在这种周期衰减冲击电压的作 用下，绕组纵绝缘将遭受比雷电冲击全波和截波作用更高的梯度电压。虽然这种冲 击电压出现的机率很小，但是发生事故的都是大型变压器，对整个系统的可靠运行 是严重的威胁。所以变压器绕组过电压( 尤其是谐振过电压) 的限制及保护措施，是 关系到其设计和安全运行的重大理论与技术问题。 目前，国内外大多采用外部保护和绕组内部结构措施( 装设电容环和静电线匝、 实现串联补偿、采用内屏蔽线圈或纠结式绕组) 相结合的办法来实现变压器绕组的 纵绝缘保护。由于m o v 具有优异的非线性特性，有人提出采用m o v 来实现调压 绕组保护，还有人探索用m o v 来实现绕组全保护。本文特提出采用连续式绕组结 构分段并接m o v 的保护方式，使其具有耐雷防局部共振的功能，可以认为这是实 现绕组纵绝缘保护的一种比较理想的方式。 本章在分析绕组暂态电压响应的基础上，描述了绕组纵绝缘的基本特点，并初 步探讨了各种改善绕组电压起始分布的方法，最后系统地研究了绕组纵绝缘保护的 新原理和新方法，即绕组分段并接m 0 v 保护。 2 1 绕组的暂态电压响应 系统中产生的各种过电压，必然会沿着输电线传播到与其相连接的变压器，并 华中科技大学硕士学位论文 在其中引起复杂的电磁过程”“。尤其在雷电过电压下，沿变压器绕组的电压分布是 很不均匀的，有时甚至引起振荡过程，对绕组纵绝缘是很不利的。 为此在绕组绝缘结构设计中，必须了解绕组绝缘上的过电压，冲击电压下变压 器绕组内的波过程，及绕组各节点的对地电位，绕组中相邻两元件( 线段间、匝间) 的电位差( 即梯度电压) ，绕组中部分元件之间的电位差，如首端到某节点的电位差， 即线梯度电压等。很明显，这些对合理确定变压器的绝缘结构、进行绕组防雷保护 和抑制局部共振具有重要意义。 近年来，由于计算机技术的发展，变压器绕组的波过程的数值计算已取得了很 大的进展。但由于绕组结构的多样性，其主要方法还是建立等值电路进行单元划分， 计算电路参数，列出相关的电路方程进行波过程分析。 2 1 1 绕组等值电路 在冲击电压作用下，由于绕组中元件之间的电磁耦合，其表现为较复杂的分布 参数电路，其中电感、电容和电阻都是分布参数元件。考虑到表征变压器绕组波过 程表达式会比较复杂，一般将绕组无限细分进行处理，分布参数电路被“转换”为 集中参数电路进行处理。 图2 1 绕组等值电路 分析变压器绕组的波过程，建立反映变压器绕组在冲击电压下的电磁瞬变过程 本质的等值电路具有重要意义。当忽略电阻影响，绕组的单元等值电路可认为是由 l 、c 、k 元件组成的链路( 图2 1 ) 。在冲击波作用于绕组的瞬间( # 0 ) ，其波前较短( 相 当于频率很高) ，而且电感值比较大，可以认为电感开路，这样绕组的电压分布完全 由电容决定。 图2 】中，电感l 是绕组的等效电感。在冲击波作用时，绕组的漏电感对绕组 电压起始分布起主要作用，同时在大容量变压器中，由于结构紧凑，绕组间存在紧 密的磁耦合，所以还应该考虑绕组间的互感。横向电容c 表示绕组对绕组、铁芯及 华中科技大学硕士学位论文 油箱的电场作用，也被称作节点电容。电容k 表示相邻线匝间的电容，被称为纵向 等值电容。若绕组的结构不同、匝数不等，匝间电容的电场也会不同，这些匝间电 容即为纵向等值电容。 2 1 2 非周期冲击电压作用下的绕组渡过程 当非周期冲击波侵入变压器绕组时，绕组各节点的对地电位与波前和波长都有 关系。波前越陡，沿绕组长度分布的电位梯度愈高，电压起始分布愈差，对绕阻的 纵绝缘，特别是对绕组首端的匝间绝缘要求更高。 若冲击波的波长较短，则振荡在冲击波下降之前还来不及发展，绕组电压会比 较低。对主绝缘的要求不高：相反，如果波长很长，对主绝缘的要求就高。如果冲 击波的波前短，电压的起始分布很不均匀，绕组首端纵绝缘承受的梯度电压会很大。 由于绕组电压的起始分布与稳态分布不一致，因此必然有一个过渡过程才达到 稳态，过程因电感、电容的能量转换而具有振荡性质。如果绕组电压起始分布与稳 态分布差值较小，绕组内振荡发展平缓：反之振荡很激烈。 为了考察变压器绕组对雷电冲击波的暂态响应特性，对变压器的试验绕组施加 雷电全波和截波进行测试p ”，通过分压器测得的波形分别见图2 2 和图2 - 3 ，图中上 面的波形为入波，下面的波形是响应波形。结果表明，全波的激励在绕组的自然频率 附近是比较明显的，响应波幅值达到了输入波幅值的2 2 。而激励持续时间短的截波 响应波形频率较高，且其电压幅值比较低，只有入波幅值的5 。但是截波作用下绕 组间的梯度电比较大，因此很有必要对变压器进行截波冲击试验。 u ，u t0 0t t 03 9 d u u 。 02 2 01 5 0 帕 t ( ”s ) 图22 全波电压及绕组的响应波形 t ( hs ) 4 华中科技大学硕士学位论文 u u k l0 0 10 u 乩 00 5 0 00 5 t ( us ) 圈2 3 雷电截波及绕阻响应波形 t ( hs ) 2 1 ，3 周期衰减振荡侵入绕组的波过程 周期性衰减振荡波属于操作过电压，在瞬变过程中，绕组的电压分布由振荡波 的频率与绕组自然频率的接近程度决定。 当两者频率相近时，绕组发生局部共振，过电压会发生在中性点接地的绕组中 部或中性点绝缘的绕组末端。 若侵入波频率过低或过高，则局部共振不能发展，过电压值会比较低。当频率 很高时，电磁波不能沿绕组传播，电压分布完全由绕组电容决定，此时的电压分布 与施加无限长直角波时的电压起始分布类似。 对纵绝缘而言，当侵入波频率高或波前陡时，绕组首端的梯度电压最大；若频 率较低，在中性点接地的情况下，最大的梯度电压也可能出现在绕组末端。所以， 加强绕组端部( 首端和末端) 的纵绝缘，对于保证变压器的运行可靠性是完全必要的， 实际运行情况也证明了这一点。 对变压器的试验绕组投入周期衰减振荡波，其周期与变压器绕组的主要周期相 等( 周期7 - - 3 0 “s ，衰减因子o = 1 6 5 | 0 4 s 1 ) ，投入波形如图2 4 ( a ) 所示，其最大幅值为 u 。结果发现，变压器绕组的中部附近发生局部共振，测得波形如图2 4 ( b ) 所示， 幅值高达2 - 2 ，超过了输入波幅值的1 2 。可见周期衰减振荡波对绕组绝缘的威胁 极大，应该引起足够的重视。 华中科技大学硕士学位论文 u u 。 l0 o l ( ps ) 02 01 0 6 08 01 0 01 2 01 4 01 6 0 a 绕组首端( 投波点) b 绕组中部( 谐振点) 图2 4 周期衰减振荡波和绕组响应波形 2 1 4 梯度电压 变压器纵绝缘的选择，通常是由绕组在冲击波作用下的梯度电压决定的。所谓 梯度电压是指变压器绕组的线匝、线段、 为： g ：掣! 缸 出 线层和分接头之间的电压，其表达式可写 ( 2 1 ) 上式中，u ( x ，t ) 为沿绕组长度分布的电压特性，ax 指所求电压梯度的绕组元件 之间的距离。 当梯度电压很高时，任意两点都可能发生绝缘的局部击穿，因此进行绕组纵绝 缘结构设计时，必须保证有消除这种局部击穿的可能性。由于绕组波过程的复杂性， 目前虽然进行了许多试验研究工作，但只能定性地说明其规律性，这就使纵绝缘的 理论计算变得很困难。 而且计算也只能给出选择纵绝缘结构的近似数据，而纵绝缘的可靠性一般是在 华中科技大学硕士学位论文 变压器或绕组绝缘的模型上用试验方法( 通常以降低的冲击电压加在模型或实际变压 器上进行试验、确定和加以校核。 目前，国内外都有大量的研究以准确计算出绕组问各部分的梯度电压值，并据 此确定其纵绝缘，提高绝缘设计的技术经济效果。近年来，因计算机技术的进步， 纵绝缘的理论计算又有了很大发展。 2 , 1 5 绕组纵绝缘 油浸电力变压器的绕组，一般是采用电缆纸包扁线绕制成的。在变压器中采用 纸作为绕组匝间绝缘，是因为纸的介电常数与油的接近，因而可以使电场分布比较 均匀，但并不能按油隙完全击穿值来选择固体绝缘厚度。虽然在某些情况下，油隙 可允许在试验电压下发生局部放电，但在大多数情况下应该避免局放，因为局放可 能导致固体介质加速老化甚至击穿。 变压器绕组匝间绝缘的某些局部破坏，如匝间短路故障是运行中绝缘损坏所占 比例比较大的故障，而且目前很难通过试验来发现。由于匝问绝缘的工艺指标分散 性很大，因此在纵绝缘结构设计中通常采用较大的绝缘裕度。 绕组匝间绝缘承受的电压与匝数成正比，于是纠结式绕组上的电压远大于连续 式绕组的，冲击电压作用产生的过电压会更高耻 ，所以在纠结式绕组中，从纠结过 渡到连续部分的匝间绝缘应采用较大的裕度。为了避免因纠结连续式绕组过渡处梯 度的突然升高而造成绝缘损伤，可以采用纠结一部分纠结一连续式的绕组结构型式。 当绕组的电压分布、导线和接地部分的结构型式、及固体和油绝缘的击穿场强 已知时，虽然可以采用数值计算得出最大电压及出现部位，通过模拟试验获得的数 据，近似地计算出纵绝缘尺寸。但由于纵绝缘的多样性，和绝缘击穿机理的复杂性， 以及油击穿电压受各种因素( 杂质、水分、气泡及温度等) 影响等原因，从而使绝缘 设计比较困难，有待于更深入的研