（高电压与绝缘技术专业论文）陡波前过电压下变压器的建模及快速仿真算法研究.pdf

华北电力大学博士学位论文摘要 摘要 由于气体绝缘变电站( g i s ) 中断路器、隔离开关以及接地开关操作或带电线路 对地闪络，甚至雷电波的入侵产生的陡波前过电压会对g i s 相连的设备造成危害， 因此，研究陡波前过电压对电力变压器的影响问题具有极为重要的理论意义和实用 价值。本文结合河北省自然科学基金项目“特快速暂态过电压对变压器的影响”( 项 目编号5 0 3 6 2 4 ) 和“气体绝缘变电站电磁环境与电磁干扰预测计算的研究”( 项目 编号：5 0 3 4 2 4 ) ，基于模型阶数缩减技术，重点研究了气体绝缘变电站中变压器高 压线圈的高频电路模型的建立方法和陡波前过电压下变压器高压线圈电位分布快 速计算的问题。论文主要包括以下的工作。 1 提出了建立变压器高频宏模型的方法。该方法分为三个步骤：( 1 ) 从测量 获得的散射参数或多导体传输线模型单位长度参数出发，求出电压传递函数并用矢 量匹配法逼近；( 2 ) 将电压传递函数转化为状态方程表示，并运用基于a m o l d i 算 法的模型阶数缩减技术对状态方程降阶，由此获得降阶状态方程以及降阶电压传递 函数表示的数学宏模型；( 3 ) 基于降阶电压传递函数运用网络综合技术实现电路宏 模型。该电路宏模型简单、通用，仅由电阻、电感、电容和理想变压器组成，其模 型参数可以根据电压传输函数的极点和留数非常方便地得出，并与国际通用软件兼 容。通过对特制的变压器线圈模型的测量和仿真计算验证了所提方法的正确性。 2 针对陡波前过电压下变压器高压线圈的频变参数多导体传输线模型，通过 将参数频变部分用无源矢量匹配逼近，并转化为状态空间描述，提出了用于频变参 数多导体传输线阶数缩减的改进积分相合变换法。 3 提出了一种计算陡波前过电压下变压器高压线圈电位分布的频域快速方法。 为了提高计算速度，根据变压器高压线圈和陡波前过电压输入信号的频率特性，提 出了有效计算频段的概念，并在求解相合变换矩阵确定初始条件时使用了精细算法 和第一类切比雪夫多项式逼近技术。通过对变压器线圈模型的测量和仿真计算验证 了所提方法的快速性和正确性。 4 作为工程应用，对7 5 0 k v 拉西瓦至西宁、拉西瓦至官亭输变电工程中拉西 瓦g i s 水电站使用的d s p - - 2 6 0 m v a 8 0 0 k v 发电主变压器高压线圈和1 0 0 0 k v 晋 东南南阳荆f - j 特高压交流试验示范工程中气体绝缘变电站使用的 o d f p s z 1 0 0 0 0 0 0 m v 1 0 0 0 k v 主变高压线圈的电位分布进行了计算和分析。 关键词：气体绝缘变电站，电力变压器，陡波前过电压，高频宏模型，模型阶数缩 减技术 华北电力大学博七学位论文摘要 a b s t r a c t i ti so fg r e a tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u et or e s e a r c ht h ee f f e c to ft b ev e r y f a s tt r a n s i e n to v e r v o l t a g e ( v f t o ) o np o w e rt r a n s f o r m e r si ng a si n s u l a t e ds u b s t a t i o n s ( g i s ) s u p p o r t e db yn a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fh e b e ip r o v i n c e ( n o 5 0 3 6 2 4a n dn o 5 0 3 4 2 4 ) ， b a s e do nm o d e lo r d e rr e d u c e d ( m o r ) t e c h n i q u e s ，t h es y s t e m a t i cm e t h o d o l o g yf o rs e t u p i n g t h eh i g l lf r e q u e n c ym a c r o m o d e lo fp o w e rt r a n s f o r m e rw i n d i n g sa n dt h ef a s ta l g o r i t h mf o r c a l c u l a t i n gt h ev o l t a g ed i s t r i b u t i o n so fp o w e rt r a n s f o r m e rw i n d i n g su n d e rv f t o sa r e e m p h a t i c a l l yr e s e a r c h e d t h ed i s s e r t a t i o nm a i nc o n t r i b u t i o n sa n dw o r k s a r ea sf o l l o w s ： 1 t h e s y s t e m a t i cm e t h o d o l o g yi sp r e s e n t e dt os e t u pt h eh i g hf r e q u e n c ym a c r o m o d e l o fp o w e rt r a n s f o r m e rw i n d i n g su n d e rv f t oi no l s t h ep r o p o s e dm e t h o d o l o g yc o u l db e d e s c r i b e di nat h r e e s t e pp r o c e s s i nt h ef i r s ts t e p ，t h ev o l t a g et r a n s f e rf u n c t i o n sa 他c a l c u l a t e d f r o mt h em e a s u r e ds c a t t e r i n gp a r a m e t e rd a t ao rt h ep e r - u n i t - l e n g t hp a r a m e t e r so ft h e m u l t i c o n d u c t o rt r a n s m i s s i o nl i n em o d e lo fp o w e rt r a n s f o r m e rw i n d i n ga tf i r s t ，t h e nt h e ya r e a p p r o x i m a t e db ym e a n so f v e c t o rf i t t i n g i nt h es e c o n ds t e p ，t h ev o l t a g et r a n s f e rf u n c t i o n s 舢孵 c o n v e r t e di n t oc o r r e s p o n d i n gs t a t ee q u a t i o n sa n do u t p u te q u a t i o n s ，a n dt h r o u g hr e d u c i n gt h e o r d e ro ft h es t a t ee q u a t i o n sb yt h ea m o l d i b a s e dm o rt e c h n i q u e ，t h em a t h e m a t i cf o r m m a c r o m o d e l sa r eo b t a i n e di nr e d u c e d o r d e rs t a t ee q u a t i o n sa n dt r a n s f e rf u n c t i o n s t h e s e r e s u l t i n gt r a n s f e rf u n c t i o n s i st h e nu s e di nt h et h i r ds t e pt os y n t h e s i z ec i r c u i tm a c r o m o d e lb y n e t w o r ks y n t h e s i st e c h n i q u e s t h ec i r c u i tm o d e li sc o m p o s e do fr e s i s t o r s ，i n d u c t o r s ，c a p a c i t o r s a n di d e a lt r a n s f o r m e r s ，a n dt h ep a r a m e t e r so ft h ee l e m e n t sc a r lb ee a s i l yc a l c u l a t e db yt h e p o l e sa n dr e s i d u e so ft h ev o l t a g et r a n s f e rf u n c t i o n t h ec i r c u i tm o d e li ss i m p l ea n d r o b u s t t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dm e a s u r e dr e s u l t sa r ep r e s e n t e d ，c o n f i r m i n gt h ev a l i d i t yo ft h e p r o p o s e dm e t h o d o l o g y 2 c o n s i d e r i n g t h ef r e q u e n c y d e p e n d e n tp a r a m e t e r so fp o w e rt r a n s f o r m e rw i n d i n g m u l t i c o n d u c t o rt r a n s m i s s i o nl i n em o d e l ，t h r o u g ha p p r o x i m a t i n gt h ef r e q u e n c y d e p e n d e n t p a r t sb yp a s s i v i t y e n f o r c e dv e c t o rf i r i n gc o d e sa n dc o n v e r t i n gt h e mi n t oc o m p l e x f r e q u e n c y f o r mo fs t a t ee q u a t i o n s ，am o d i f i e di n t e g r a t e dc o n g r u e n c et r a n s f o r ma p p r o a c hi sp r o p o s e df o r f r e q u e n c yd e p e n d e n t m u l t i c o n d u c t o rt r a n s m i s s i o nl i n e s 2 af a s tf r e q u e n c y d o m a i na l g o r i t h m i s p r e s e n t e dt o c a l c u l a t et h e o v e r v o l t a g e d i s t r i b u t i o n si np o w e rt r a n s f o r m e rw i n d i n g su n d e rv f t o i no r d e rt oi m p r o v ec o m p u t a t i o n e f f i c i e n c y , t h ec o n c e p to fe f f e c t i v ec o m p u t a t i o nf r e q u e n c y b a n di si n t r o d u c e d ，a n dt h ep r e c i s e i n t e g r a t i o nm e t h o da n dt h ec h e b y s h e vp o l y n o m i a la p p r o x i m a t i o nt e c h n i q u ea r eu s e di n t h e 华北电力大学博士学位论文摘要 p r o p o s e da l g o r i t h m t h e r ei sag o o da g r e m e n tb e t w e e nt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dm e a s u r e d r e s u l t s ，w h i c hc o n f i r mt h ev a l i d i t yo ft h ep r o p o s e da l g o r i t h m 4 t h eo v e r v o l t a g ed i s t r i b u t i o n sa r ec a l c u l a t e da n da n a l y s i z e di nh i g h - v o l t a g ew i n d i n g s o f8 0 0 k vt r a n s f o r m e ru s e di n7 5 0 k vl a x i w at ox i n i n ga n dl a x i w at og u a n t i n gp o w e r t r a n s m i s s i o ns y s t e ma n d10 0 0 k vp o w e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m k e yw o r d s ：g a si n s u l a t e ds u b s t a t i o n ，p o w e rt r a n s f o r m e r , v e r yf a s tt r a n s i e n to v e r v o l t a g e ， h i g hf r e q u e n c ym a c r o m o d e l ，m o d e lo r d e rr e d u c e dt e c h n i q u e 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文陡波前过电压下变压器的建模及快速 ， 仿真算法研究，是本人在华北电力大学攻读博士学位期间，在导师指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究 成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。 期：塑矿! 兰，d 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其他复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：翌生蒸 日期：鎏星! ；：坦 导师签名： 日期： 辽舢p 3 d 华北电力大学博士学位论文 第一章引言 1 1 课题研究背景 1 1 1 陡波前过电压( v f t o ) 的产生 气体绝缘变电站( g a si n s u l a t e ds u b s t a t i o n ，g i s ) ，又称为全封闭组合电器或气 体绝缘金属封闭配电装置，是将变电站的电气元件( 变压器除外) 如母线、断路器、 隔离开关、母线接地开关、电流互感器、电压互感器、避雷器等全部( 或大部分) 封闭在充有压力高于大气压的绝缘气体六氟化硫( s f 6 ) 的接地金属压力密闭容器 内的成套装置。若将母线配置在密闭容器之外( 节约造价) ，则称为h g i s ( h y b r i dg a s i n s u l a t e ds u b s t a t i o n ) 。与传统敞开式变电站，即空气绝缘变电站( a i ri n s u l a t e d s u b s t a t i o n ) 相比，具有占地面积小、运行安全、维护方便以及与周围环境隔绝等诸 多优点【1 1 。自从1 9 6 5 年首次投入运行以来，g i s 在世界各地的应用越来越广泛，尤 其在大都市的配电站更是如此。 目前，世界上g i s 的电压等级己达到l1 0 0 k v 。上世纪8 0 年代东京电力公司采用三 菱电气公司生产的高性能1 0 0 0 k vg i s 建立了s h i n h a m n a 特高压变电站，带电运行考核 长达8 年；1 9 9 5 年意大利建立了1 0 5 0 k vs u v e r e t o 试验站，采用一套l1 0 0 k vg i s ，至 1 9 9 7 年1 2 月在系统额定电压下运行2 年多。 随着我国国民经济的飞速发展，能源的需求量也在不断增长。为了满足经济增 长对电力资源的需求，近年来各种大型的火力、水利甚至核能电厂相继建成投产。 由于电力走廊的限制等因素，相继有大批g i s 投入运行。 目前，我国g i s 的最高运行电压为7 5 0 k v ，分别在我国西北电网7 5 0 k v 示范工程 的官厅和兰州东变电站，于2 0 0 5 年底正式并网投入商业运行。我国拟建的1 0 0 0 k v 特高 压电网将主要采用g i s 。另外，我国也已有相当多的大型水电站、火电站采用g i s 作为 出线变电站，例如，我国西电东送工程中位于黄河上游的拉西瓦水电站，出线平台受该 电站所处高山峡谷区地理位置的限制，为了减少洞室开挖的工程量，采用了g i s 。目前， 随着g i s 额定电压等级的提高，土地资源、环境保护和人才费用的上扬，其应用优势更 趋明显，g i s 的发展和应用前景可观。 在g i s 中，由于断路器隔离开关以及接地开关操作或带电线路对地闪络，甚 至雷电波的入侵，都可能会在g i s 内部产生一个上升速度极快( 一般为几到几十纳 秒) 的电压陡波。由于s f 6 气体的特殊性质和g i s 的特殊结构，这个电压陡波沿着 g i s 管道传播，遇到波阻抗发生改变就会发生反射和折射，通常反射波和折射波会 产生畸变。所有在g i s 中产生的多次反射和折射的各行波分量叠加在一起，就会形 成波头很陡、频率高达几到几十m h z 甚至上百m h z 数量级的陡波前过电压( v e r yf a s t f r o n to v e r v o l t a g e ) ，又称为特快速暂态过电压l z j j ( v e r yf a s tt r a n s i e n to v e r v o l t a g e ， 第一章引言 v f t o ) 。 1 1 2v f t 0 的波形特点 g i s 中陡波前过电压可分为内部暂态过电压和外部暂态过电压两种，具体分类 情况如图1 - 1 。内部暂态是指在g i s 内部的暂态过程，所形成的过电压作用于g i s 内部导体与壳体之间，危及g i s 内部的设备。外部暂态是由g i s 内部暂态过电压波 传播到g i s 外部引起的，它可以危及g i s 外的一次设备或使g i s 的壳体电位升高， 也可形成向外辐射的电磁波，危及敏感的二次设备。由于g i s 内、外的布局及阻尼 效应( 如传输损失，集肤效应等) 不同，冲击陡波的折射、反射也不同，所以这些 瞬变过程具有不同的波形。 g i s 中快速暂态过程的起源： 1 、隔离开关、断路器和接地刀闸的操作 2 、现场实验或运行过程中的接地故障 t d 二j 7 特快速暂态过程 之多之乡 内部v f t外部v f t g i s 内的行波g i s 多 b 部的行波和辐射 之乡 外壳电压电磁场快速暂态 特快速暂态过电压 暂态过程暂态过程 过电压 v f t o t e vt e m ff t o 存在于壳由壳体向在架空线 存在于内部导体和外壳之间 和大地间四周辐射和设备上 之乡之多之乡之多 危害相邻 危害g i s 中的绝缘 危害二次设备 高压设备 图1 1g i s 内部和外部陡波前过电压的起源和分类 v f t o 的主要振荡频率由g i s 母线的电气长度决定，其瞬变过程中包含三个主要频 率： ( 1 ) 几百k h z 左右的基本震荡频率z 。它由整个系统所决定，包括g i s 及邻近 的设备。其幅值不高，绝缘设计不取决于它的数值。， ( 2 ) 1 0 m h z 左右的高频振荡频率厶。它由陡行波在g i s 内发展形成，叠加到基本 振荡过程上构成v f t o 最重要的部分，它决定绝缘的设计。 ( 3 ) 几十m h z 的特高频振荡频率六。它是由g i s 内部相邻部件间的波反射形成， 通常幅值较低。 v f t o 波形包括多个频率段，形成的总的波形比较复杂，通常由四个分量组成1 4 j ： 2 华= 匕电力火学博士学位论文 ( 1 )阶跃电压： ( 2 )由于( 3 i s 内母线管道( 即电晕屏蔽，弯管等) 波阻抗的多次微弱变化形成 的极高频范围( 最高可达1 0 0 m h z ) ： ( 3 ) 由于g i s 母线管道和电缆术端或架空线终端处波阻抗的显著变化而引起 的反射形成的高频范围( 最高达3 0 m h z ) ； ( 4 )由于外部设备的大电容( 如电容式互感器或输电线载波系统的耦合电容) 引起的谐振产生的低频范围( o 1 5m h z ) 。 当g i s 内部隔离开关操作所产生的v f t o 以行波方式沿母线传播，到达套管后， 一部分沿着架空线传播，作用到邻近设备上；另一部分则耦合到壳体与地之间，使( 3 i s 壳体上形成暂态地电位升高( t r a n s i e n tg r o u n dp o t e n t i a lr i s e ，t g p r ) ，又叫做暂态外壳 电位升( t r a n s i e n te n c l o s u r ep o t e n t i a lr i s e ，t e p r ) ；沿架空线传播的外部暂态过电压与接 地系统的暂态电位升高都会形成暂态电磁场，产生空间辐射干扰。它们包括 ( 1 ) 外壳瞬态电压( t r a n s i e n t e n c l o s t i l ev o l t a g e ，t e v ) 当隔离开关操作所产生的过电压以行波方式在管道内传播时，由于电流的集肤效 应，电流仅沿母线管道的表层流通，并通过管道与外壳间的耦合电容流回。当行波流到 g i s 管道的终端，如g i s 母线与架空线相连的套管处，电磁波的一部分将通过架空线对 地及外壳对地的电容耦合回路返回，使外壳对地电位升高，它的幅值范围一般在0 1 0 2 5 p u 之间。 ( 2 ) 瞬态电磁场 沿架空线传播的外部暂态过电压与接地系统的t g p r 都会形成暂态电磁场，该电磁 场从壳体和架空线向四面辐射，会危害3 u - 次设备，如电子设备的外壳受到暂态电磁场 的影响，会在电子电路内感应电压或电流。靠近壳体电场的典型幅值为数十k v m 。电 磁场的频率取决于g i s 的布置，典型范围为1 0 , - 一，2 0 m h z 。g i s 周围的空间暂态电磁场电 场强度为e = 1 - - 1 0 k v m ，变化率d e d t = 1 0 3 - 1 0 5 k v 雌，因此，在微电子设备广泛应 用于电力系统的今天，必须考虑二次弱电设备的电磁兼容问题。这些干扰的途径主要有： a 对g i s 周围空间的弱电设备产生干扰；b 由于接地系统注入暂态涌流、暂态电磁场 对邻近g i s 的二次电缆和其它弱电设备产生共模干扰；c v f t o 在沿g i s 内的母线导管 传输时，对其间所接的电磁式电流、电压互感器通过电容耦合会产生附加的干扰信号。 ( 3 ) 架空联结线及其邻近设备上的瞬态过电压 架空线联结及其邻近设备上的瞬态过电压的快速上升部分的幅值通常小于内 部v f t 0 值，但电压上升率可在1 0 - - 3 0 m v t s 范围内，其作用和截波相似，甚至超 过它。因此g i s 外界高压设备的绝缘，会受到快速暂态过电压的损害。 1 1 3v f t 0 对变压器绝缘的影响 v f t o 为含有多个频率的振荡波，其主振荡频率一般为1 - 1 0 m h z 左右。由此可见， 3 第一章引言 虽然v f t o 也是一种操作过电压，但是其主频率和波的上升陡度不仅远高于一般的操作 过电压，也远高于雷电冲击波。如此陡的v f t o 波侵入变压器，一方面形成沿线圈极不 均匀的电压分布，大部分电压降落在靠近入波端的- d , 部分线圈上，电位梯度大，有可 能破坏变压器的匝间绝缘；另一方面，主频为数十兆赫兹的高频侵入电压可能会激起变 压器内部的电磁振荡，引起过电压，对变压器绕组匝间绝缘造成损坏，从而引起绝缘击 穿【5 订j 。另一方面，由于隔离开关动作速度较慢，重燃的时间相对隔离开关的操作时间 而言是非常短的，因此重燃次数会较多。每重燃一次，就可能产生一定幅值的v f t o 。 这过程不同于一般电力系统的暂态过程，每当隔离开关操作一次，就会产生多次的重燃 和由它引起的许多次具有一定电压幅值的快速瞬变过程。而隔离开关的操作属于常规操 作程序，那么g i s 及其它电气设备就有可能在一个相当短的时间内经受数百次v f t o 的 考验，这对绝缘来说无异于接受一种性质与截波相近的老化试验，而截波仅是几次过电 压，v f t o 确是几百次过电压，这会给绝缘带来很大的损伤。 随着g i s 在超高压输变电系统中越来越广泛的应用，因正常的隔离开关操作等而产 生的v f t o 在3 3 0 k v 及以上电压等级的g i s 中对变压器设备造成了些事故。例如， 1 9 9 2 年我国广东省大亚湾核电站一台从日本进口的三相9 0 0 m v a 5 0 0 k v 有载调压变压 器进行空载调试时发生了击穿、短路事故。事故现场分析结论为引起事故的原因是由于 5 0 0 k v 侧g i s 内隔离开关操作产生了v f t o 以及变压器绕组绝缘设计上存在缺陷，致使 合闸瞬间在5 0 0 k v 绕组的第一段击穿；巴西g r a j a u5 0 0 k vg i s 曾因隔离开关操作产生的 v f t o 造成g i s 内部放电、变压器的绝缘故障和5 0 0 k v 套管炸裂。1 9 8 8 年国际大电网 会议( c i g r e ) w o r k i n gg r o u p3 3 1 3 0 9 在全球g i s 用户调查报告中明确指出，隔离开 关操作产生的v f t o 的确能造成套管和主变压器的绝缘闪络击穿【8 j 。这些都清楚地说明 了v f t o 对变压器的危害。另外，由于v f t o 对变压器影响的研究尚处于起步阶段， g i s 中变压器出现的故障在原因不明的情况下，目前往往归咎于v f t o 。 v f t o 问题的研究己成为近年来国际电工高压领域的一个重要课题。 “v f t o 对变 压器的影响 是“十五 国家重大技术装备研制项目“三峡水利枢纽工程成套设备研 制 课题中的一项重要研究内容。国家电网西北公司黄河拉西瓦水电站8 0 0 k v 级设备招 标合同中明确提出了变压器承受v f t o 能力的要求。“十一五”国家科技支撑计划项目 “1 0 0 0 k v 交流输变电工程变压器核心技术的研究”中也列出了“特高压变压器的快速 瞬变过电压( v f t o ) 的研究内容。 对于电力系统过电压，如雷电冲击、操作冲击过电压等对变压器的影响，国内外已 进行了较多的研究，并在相应的标准中给出了明确的规定，仿真计算分析也形成了成熟 的计算机软件并得到广泛应用，对提高变压器设计水平和保证变压器可靠运行起到了十 分重要的作用。早在九十年代初，v f t o 对电力变压器的危害就已引起国内外的高度关 注，1 9 9 2 年国际大电网会议( c i g r e ) 组织了专门工作小组研究其引起变压器故障的可 能性。但到目前为止，在国内外相关标准中对变压器承受v f t o 能力的考核还未有明确 4 华北电力大学博士学位论文 的规定。 由于g i s 中隔离开关投切空载母线的例行操作是不可避免的，无论是发电厂还 是大型的枢纽变电站，一旦变压器发生故障，所造成的损失是无法估量的。所以， 大型电力变压器能否承受住v f t o 的冲击，一直是变压器制造厂家和电力部门所关 心的。因此，开展v f t o 对变压器影响的研究是非常必要的。这对于变压器的安全 运行，增加电力系统的稳定性具有很强的经济效益和社会效益。 1 2 本课题国内外研究现状 到目前为止，对g i s 中出现的问题的研究，主要集中在g i s 的建模及v f t o 的计 算、g i s 的故障监测以及v f t o 对二次设备和变压器的影响三个方面。g i s 的故障监测 研究主要集中在g i s 中的局部放电监测，业已取得众多的研究成果【4 】。下面重点介绍另 外两个方面。 1 2 1gls 的建模及v f t o 的计算现状 由于v f t o 的高频特性，对g i s 建模时需要采用分布参数电路模型，需要应用传 输线理论【9 】进行分析计算。对g i s 中v f t o 现象最早的研究是f o r d 和f u j i m u t o 在上个 世纪八十年代初进行的【1 0 0 2 1 。他们首先提出了计算v f t o 现象的建模方法，并被大家所 公认。文献 1 3 和 1 4 给出了计算时一次系统各元件的模型及其使用条件。气体绝缘变 电站内部暂态过程的计算绝大多数是运用电力系统电磁暂态程序e m t p ( e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n tp r o g r a m ) 进行的。2 0 多年来，国内外对g i s 的建模及v f t o 的计算进行了大量的研究，其技术已经成熟。 1 2 2v f t o 对变压器的影响研究现状 v f t o 对二次设备和变压器的影响研究尚处于起步阶段。在v f t o 对变压器影响的 研究中，采用的研究方法分为实验研究和计算机仿真分析。 在测量方面，日本研究人员对5 0 0 k v 壳式自耦变压器的高频振荡进行了实验研究 【5 6 】，实验测量系统采用光纤传输系统s o n y t e k t r o n i x a 6 9 0 4 s 。从测量结果可看到行波的 入射和反射过程，信号最高频率仅为5 m h z ；法国研究人员研究了变压器线圈中v f t o 的测量问题【1 5 】，基于电容分压器设计了光纤传输系统，其中的电压光纤传感器探头 ( o p t i c a lv o l t a g es e n s o rp r o b e ) 利用了普克尔斯效应( p o c k e l s e f f e c t ) ，可测量频率高达 2 0 m h z 的电压，精度为1 0 。荷兰研究人员利用最大电压为5 0 0 v 的脉冲发生器、p e a r s o n 电流探头、p h i l i p s l 0 0 ：1 ，2 0 m q 2 4 p f 电压探头、l ec r o y9 3 0 4 a ，2 0 0 m h z ，1 0 0 m s s 数字示波器和h p 4 1 9 4 a 阻抗分析仪组成了一个测量系统1 1 6 j ，对6 6 k v 6 9 v1 5 k v a 的试 验变压器进行了测试，但发生器的脉冲上升时间未给出，从文献给出的波形看可能属于 雷电波。文献 1 7 1 9 建立了大型交流电机绕组的测量实验平台，专门用于测量绕组中 第一章引言 的暂态电压分布。系统采用光纤传输信号，用差分输入探针避免常规探针对测量电压的 影响；信号上升时间为1 0 0 n s 。 在v f t o 对变压器影响的研究中，主要的研究方法是仿真分析。v f t o 对变压器影 响的仿真分析方法可归纳为“场”和“路”两大方法。 在“场方法方面，文献 2 0 2 3 采用有限元法( f e m ) 计算了变压器绕组内部暂态 场的分布；文献 2 4 利用“场一路 结合的思想提出了变压器内部暂态电场的计算方法： 先建立变压器绕组的集总参数网络，利用电路分析的结果作为边界条件，进行2 d 轴对 称电场有限元计算。 由于实际变压器的模型复杂，采用场的分析方法( 称为全波分析) 进行分析计算量 庞大，且灵活性差。 对于“路 的方法，仿真分析变压器绕组中的暂态过程和振荡现象的基础是变压器 的高频模型。由于传播到变压器入口处的v f t o 频率较高，变压器绕组传统的集中参数 模型已不能满足分析的需要，必需建立新的高频模型。 国内外的有关专家学者和科研机构对线圈的高频模型进行了大量的研究工作，得到 了很多有用的模型。研究中使用的主要方法可分为建立线圈的宏模型与通过分割线圈为 若干单元来建立详细的内部模型两种。在提出的模型中，适合v f t o 对变压器影响研究 的绕组高频模型主要有以下几种： ( 1 ) 线圈的每一匝作为一根传输线的完全多导体均匀传输线模型 文献 2 5 3 0 将线圈的每一匝作为一根传输线形成了完全的多导体均匀传输线模 型。运用快速傅立叶变换( f f t ) ，通过求解频域多导体均匀传输线方程获得线圈中的电 位分布，其中文献 2 5 通过相模变换对方程进行了解耦。文献 3 1 用时域有限差分法 9 , 3 2 , 3 3 1 进行了求解。采用线圈的完全多导体均匀传输线模型，文献 3 4 3 6 详细研究了大 型交流电机绕组中陡波传播现象。 该多导体均匀传输线模型可以详细反映线圈内部的电磁过程，但对于大型变压器， 方程数目太多，运算的矩阵过于庞大，计算量大，对计算机的计算能力要求较高。 ( 2 ) 单导体传输线与多导体传输线相结合的均匀传输线模型 针对线圈的完全多导体均匀传输线模型计算代价过高的问题，文献 7 ，3 7 提出了单 导体传输线与多导体传输线相结合的均匀传输线模型。该方法在频域中分两步完成：第 一步，用等效的单根传输线模型模拟计算整个变压器绕组各饼的末端快速暂态电位分 布；第二步，用多导体传输线模型，以线匝为单元，详细模拟靠近变压器进线端第一段 线饼中各匝之间的快速暂态电位分布。应用该方法对5 0 0 k v 壳式变压器和薄饼式线圈进 行了分析，仿真结果与实测结果接近。当v f t o ( 2 m h z 的单一正弦脉冲波) 作用于变 压器时，线圈的匝间出现了振荡，振幅达到所施输入电压的5 9 6 ：若所施电压源的频率接 近线圈的固有频率，则振幅高达所施输入电压的2 0 ，可能导致匝间闪络。该模型仅考 6 华北电力大学博士学位论文 虑了饼内互感，未考虑饼间互感；实践表明，该模型应用于其它类型变压器线圈时，仿 真计算结果与实际测量存在较大误差。 ( 3 ) 多导体传输线与集中参数网络相结合的混合模型 文献 3 8 根据陡波作用下变压器内部绝缘事故一般发生在靠近线圈进线端的部分 线匝的事实【7 1 ，将绕组入波端前若干个线饼以线匝为单元采用多导体传输线模型，而绕 组的其它部位以线饼为单元构建集中参数模型进行建模。多导体传输线模型与集中参数 模型之间存在相互耦合。 该模型能够很好地解决匝间振荡，有效地减少计算量，但模型中的一些元件参数不 易确定。 ( 4 ) 混合高频集中参数模型 由于传统的单饼或双饼线匝为一支路的集中参数模型已经无法适应v f t o 下变压 器绕组电位分布分析计算，在此基础上，文献 3 9 提出了先将电感和电容参数以匝为单 元进行计算，然后进行匝间的合并形成一条支路，由此形成了匝间集中参数模型；该模 型可有效地减少计算时间，但无法正确计算匝间电压。 由于线圈中的结构不会完全相同，因而其参数也不一样，文献 4 0 将线圈分成m 部 分( 1 m 5 ) ，每一部分中的双饼具有相同的结构。当电源频率小于线圈的最高谐振频 率时，每部分均以两饼为基本单元形成集中参数模型进行分析；而当电源频率大于线圈 的最高谐振频率时，在每一部分的模型前加入以两条r l c 并联支路相串联的黑匣子模 型，用以表征该部分阻抗函数在本频段的两个最重要的极点。该模型很好地解决了同一 线圈中采用不同结构型式的问题，但混合模型之间没有电磁上的联系，无法计算模型分 界面处的电压。 一 文献 4 1 对文献 4 0 的模型进行了改进，提出了入波端前若干个线饼以单匝中并联 导线为支路，其余线饼以两段线饼为支路的混合高频集中参数模型。通过该模型可计算 入波端前若干个线饼中的匝间电压，但由于该模型是根据心式变压器线圈的实际结构提 出的，对其他类型的变压器线圈的可用性不确定。另外，文中所加电源为雷电波，且未 给出仿真计算结果与实测结果的具体误差情况。 采用集中参数模型的优点在于，一旦建立了模型，就可运用已有的通用仿真软件进 行计算，所需的编程量非常少。而前三种含多导体传输线的分布参数模型的求解需要单 独编程计算。 1 3 本论文研究的主要内容 本论文针对v f t o 对变压器的影响问题，通过对国内外研究现状的调查和分析，结 合河北省自然科学基金项目特快速瞬态过电压对变压器的影响” ( 项目编号5 0 3 6 2 4 ) 和“气体绝缘变电站电磁环境与电磁干扰预测计算的研究”( 项目编号：5 0 3 4 2 4 ) 以及 7 第一章引言 保定天威集团“十五”国家重大技术装备研制项目“三峡水利枢纽工程成套设备研 制”课题中重要研究内容“v f t o 对变压器的影响”，重点研究了g i s 变电站中变压器 的高频电路模型的建立方法和v f t o 下变压器绕组电位分布快速计算的问题。论文共分 6 章，各章的具体内容如下： 第一章简要论述了g i s 变电站内v f t o 的产生及其危害，总结了v f t o 对变压器 的影响的研究现状。重点总结了v f t o 下变压器线圈的模型及其电位分布的计算方法， 并指出了它们的不足之处，提出了针对性的研究课题和研究方向。 第二章为本课题的基本背景知识。主要包括( 1 ) 变压器线圈的多导体传输线模型 及其单位长度电气参数的计算方法；( 2 ) 矢量匹配法的基本原理及其改进。 第三章提出了变压器类设备高频宏模型的建立方法。首先应用矢量匹配法h 鄙建立了 变压器的高频传递函数模型，然后将其转化为相应的状态方程，应用基于a m o l d i 算法 的k r y l o v 子空间阶数缩减技术对得到的状态方程进行阶数缩减，该方法能保证降阶后 系统的稳定性和准确性。最后，运用网络综合方法建立了变压器绕组的高频电路模型。 通过对变压器线圈模型的测量和仿真计算比较验证了所提方法的正确性和有效性。 为了满足分析v f t o 下变压器绕组多导体传输线模型的需要，第四章首先将基于 积分相合变换的阶数缩减技术扩展到了参数频变的多导体传输线。以此为基础，并结合 v f t o 信号的能量分布特征，提出了一种计算v f t o 下变压器绕组电位分布的频域快 速算法。通过对变压器线圈模型的测量和仿真计算比较验证了所提方法的正确性和有效 性。 第五章为工程应用。首先归纳总结了g i s 中各种元件、设备模型的建立方法，获 得了所需的变压器端部v f t o 波形。在此基础上，运用提出的计算v f t o 下变压器绕组 电位分布的频域快速算法分别计算了8 0 0 k v 和1 0 0 0 k v 两种变压器在v f t o 下的电位 分布，并对计算结果进行了分析。 第六章对全文的研究工作做了总结，给出结论，并指出了需要进一步研究的问题。 8 华北电力大学博士学位论文 2 1 变压器线圈 第二章背景知识 2 1 1 变压器线圉的绕法4 1 变压器的线圈分为圆筒式线圈和饼式线圈。饼式线圈的类型主要有：连 续式、纠结式、内屏蔽式、螺旋式等。图2 1 中给出了三种常用线圈的简单 示意图。在电力系统3 3 0 k v 及以上电压等级的变电站中主要使用的是纠结式 和内屏蔽式。 8765432l 91 01 11 21 31 41 51 6 2 42 32 22 12 01 91 81 7 2 5 2 62 72 82 93 03 l3 2 ( a ) 连续式 1 24l l31 0291 x 51 361 471 581 6 i 2 82 02 71 92 61 82 51 7 x 2 l2 9 2 2 3 02 33 l2 43 2 ( b ) 纠结式 87654 s 国2 固一 - - - - - - - - - - - - - - - - - j 91 0l l1 21 3 t 4 目t s 目1 6 2 42 32 22 l2 0 1 9 目t 8 囫t 7 - 。- 。一 2 52 62 72 8 2 9 3 0 囫s 团3 2 ； ( c )内屏蔽式 图2 1 变压器线圈中的三种典型绕法 连续式线圈结构简单，制造方便，但冲击特性较差，尤其是小容量的冲 击特性更差。因此，通常只用于3 5 k v 级及以下的线圈和大容量的6 0 k v 级的 线圈。 纠结式线圈与连续式一匝挨一匝的绕制方式不同，纠结式在绕制过程中 人为地改变线圈的位置，以求在冲击电压作用时较好的电位分布。常用纠结 式是二段为一个纠结单元，称为双饼纠结。其内部换位称底位，外部连续绕 9 第二章背景知识 制导线的换位称连位，外部纠结线的换位称纠位。