（电气工程专业论文）vfto及其在变压器绕组中的分布研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t g a si n s u l a t e ds u b s t a t i o n s ( g i s ) h a v ef o u n da n i n c r e a s i n g l yw i d er a n g eo f a p p l i c a t i o ni ne h vp o w e rs y s t e r md u r i n gr e c e n ty e a r s b u ts w i t c h i n go p e r a t i o n si ng i s m a yg e n e r a t ev e r yf a s t t r a n s i e n to v e r v o l t a g e ( v f t o ) w h i c hh a sa t t r a c t e dm o r ea n d m o r ea t t e n t i o n b e c a u s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fv f t o ：s h o r tr i s e - t i m e ，h i g hr a t e so f c h a n g eo fv o l t a g ea n dh i g hf r e q u e n c yo fo c c u r r e n c e ，m a k ei tv e r yh a r m f u lt og i s e q u i p m e n ta n dt h et r a n s f o r m e ri n s u l a t i o n t h ee f f e c to ft h el e n g t ho fc a b l e ，t h et r a n s f o r m e rl u m p e dc a p a c i t a n c e ，t h er e s i d u a l v o l t a g eo fg i sb u s a n d t h ea r cc h a n n e lr e s i s t a n c eo nv f t oh a v e b e e nc a r r i e do u tu s i n g p s c a d e m t d cs o f t w a r ei n t h i sp a p e r t h e nc a l c u l a t et h ev f t oc o n d i t i o nw h i c hi s g e n e r a t e db yak i n do fd i s c o n n e c t o ro p e r a t i o ni na5 0 0 k vh y d r op o w e rp l a n ta n df i n d o u tt h ev f t op e a ka l o n gt h en o d e so fg i s s o m es u p p r e s s i o nm e t h o d sa r ed i s c u s s e d a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o no fv f t o i nt h i sp a p e r at u r n - b a s e de q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lo ft r a n s f o r m e rw i n d i n gi sp r e s e n t e di nt h i s p a p e r , t h ec a l c u l a t i o nm e t h o do fc i r c u i tp a r a m e t e r si sa l s oo b t a i n e d t h ec a p a c i t a n c ea n d i n d u c t a n c ep a r a m e t e r sd e t e r m i n eo nt h eg e o m e t r ya n dp r o p e r t i e so ft h et r a n s f o r m e r , a n d t h e ya r ei n d e p e n d e n to ff r e q u e n c y t h ee f f e c t so fi r o nc o r ea n dl vw i n d i n gi s c o n s i d e r e dw h e nc a l c u l a t et h ei n d u c t a n c ep a r a m e t e r s t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r e c o n s i s t e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t s ，, s ot h i sm e t h o di sf e a s i b l e t h e d i s t r i b u t i o no fv f t oi ni n t e r l e a v e dw i n d i n gw a sa l s oa n a l y s e di n t h i sp a p e r a tt h e s a m et i m et h ed i s t r i b u t i o no fv f t oi na5 2 5 k v 9 0 0 m v aa u t o t r a n s f o r m e rw a s c a l c u l a t e d a tt h ee n do ft h i sp a p e r , b a s e do ns i m p l i f yo fc h a i nt y p ee q u i v a l e n tc i r c u i tf o r c o n t i n u o u sw i n d i n g ，t h ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so fw i n d i n ga r er e s e a r c h e d k e yw o r d s ：v f t o ，g i s ，t r a n s f o r m e r ,e q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e l ， v o l t a g e d i s t r i b u t i o n ，r e s o n a n c e c l a s sn 0 ：t m 8 6 4 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：l ：软啦 签字日期：矿号年月r 舌日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：l 织d 乙 签字同期：加旧罗年6 月，多日 聊躲手弛手 签字日期：沙7 年占月纠峒 致谢 本论文的工作是在我的导师张小青教授的悉心指导下完成的，张小青教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 张小青老师对我的关心和指导。 清华大学电机系陈水明副教授、张波老师等在我的科研工作和论文撰写过程 中给予了很大的关心和帮助，并提出了很多宝贵意见，在此向他们表示衷心的谢 意。 在实验室工作及撰写论文期间，王晓辉、杨大晟、陈占富、陈一民、唐志军 等同学给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 特，陕速暂态过电压简介 近年来，全封闭组合电器( g a si n s u l a t e ds u b s t a t i o n ，简称g i s ) 以其结构紧凑、 体积小、占地少、运行可靠、维护工作量少、对环境污染小等特点，在电力系统 中得到了越来越广泛的应用。但正是由于其结构紧凑的特点，当进行隔离丌关、 断路器等开关设备的操作时极易产生振荡频率高达几十兆甚至上百兆赫兹的特快 速暂念过电压( 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 s ，简称v f t o ) 【1 1 。 在实际的电站运行过程中，4 2 0 k v 及以上电压等级的g i s 变电站，其隔离开 关操作产生的v f t o 曾多次引发故障或事故，例如巴西的g r a j a u5 0 0 k vg i s 在运 行初期，曾因隔离丌关例行操作产生特快速暂态过电压造成5 0 0 k v 油纸套筒的炸 裂和变压器故障；1 9 9 2 年6 月广州大亚湾核电站对两台从日本进口的三相 5 0 0 k v 9 0 0 m v a 有载联络变压器进行空载调试时突然发生击穿、短路、烧毁事故， 其原因是与5 0 0 k v 侧直接相连的g i s 内隔离开关操作产生了特快速暂态过电压， 致使在合闸瞬问5 0 0 k v 绕组的第一段发生了匝问绝缘击穿；2 0 0 1 年浙江北仑电厂 一台5 0 0 k v 变压器损坏，经调查也是特快速暂态过电压所致。 在3 0 0 k v 以下电压等级的g i s 中没有发生过与操作有关的问题【2 1 ，因此电压 等级在3 0 0 k v 以下的g i s 没有必要进行v f t o 方面的专门研究。 1 1 1v f t o 的起因 特快速暂态过电压来源于隔离丌关、断路器的操作或带电线路的对地闪络【2 1 。 由于断路器带有专门的灭弧装置，所以由断路器操作引发高幅值v f t o 的可能性 较小，而g i s 中的隔离开关( d s ) 在设计制造时仅要求具有切合小电容电流的能 力，没有专门的灭弧装置，所以由隔离开关操作引发的v f t o 较为常见且较为严 重。 与敞开式空气绝缘变电站相似，隔离丌关和断路器的操作，都会在g i s 中产 生操作过电压。虽然其原理基本相同，但因g i s 的结构特点和s f 6 绝缘特性的关 系，g i s 隔离开关操作引起的过电压及保护有其自己的特点。 g i s 隔离开关触头的分合速度比较慢，通常只有3 1 0 c r r g s ，相对于系统频率 北京交通大学硕十学位论文 来说太低，而且即使在超高压和特高压系统中，隔离开关也是由单个断口构成， 又因其没有专门的灭弧装置，所以在切合小电容电流的操作过程中，不可避免地 发生重击穿和预击穿的多次重燃现象( 现场和试验室试验发现有的高达数十次甚 至上百次) ，而每一次重燃都有可能引起特快速暂态过电压。此外，由于g i s 的 绝缘结构紧凑，相应的线路长度较小，行波时间很短，因此这种暂态过电压的波 形前沿陡，频率很高，达数百k h z 至数m h z ，波形初始前沿更在3 2 0 0 n s ，过电 压幅值可达2 3 p u 。 以隔离开关合上一段不带电的g i s 回路为例，当触头间距离渐渐缩短，电源 侧电压达到一定值时，隔离开关会发生第1 次击穿，形成一次电压振荡。这一电 弧在受触头运动、g i s 内s f 6 气流灭弧等因素影响下，极易熄灭，燃熄弧时间极短。 发生第1 次击穿后，原来不带电的g i s 回路带电，使隔离开关触头两侧电压玩、 魄相同，分闸后电源侧电压弧仍按工频电源电压变化，g i s 侧电压观则由于g i s 绝缘泄漏电阻很大，残余电荷衰减很慢( 通常要数小时甚至数同) ，可视为恒定 不变，其值为第一次熄弧瞬间的电压魄。随着时间的推移触头之间的距离减小， 而恢复电压u o = u l 一不断升高。当两触头间的恢复电压超过由触头距离决 定的耐压强度u b = f ( l ) 时，间隙被第2 次击穿，从而出现第2 次电弧重燃过程，形 成第2 次电压振荡。待重燃引起的振荡衰减后，电弧熄灭，第2 次重然过程宣告 结束。同时触头间电压又重新恢复建立起来，孕育着新的重燃。如此反复，直至 隔离开关两触头紧密结合为止。在这个过程中随着触头间距离的渐渐缩短，击穿 电压也越来越低，由击穿产生的振荡电压也随之降低。 多次重燃现象同样会发生在隔离丌关的分闸过程中，重燃次数主要取决于触 头的运动速度和分闸时间。由于分闸过程中触头间的距离不断增大，间隙击穿所 需的电压也不断升高，两次重燃间的时间间隔也随之增长。由于g i s 隔离开关触 头的运动速度较慢，所以在分闸和合闸过程中将发生多次重燃现象，特别是在分 闸的丌始阶段和合闸的最后阶段。每个工频周期内重燃次数可达1 0 - - 2 0 次，但是 重燃引起的最高幅值的及最大陡度的过电压只发生在间隙距离很大的重击穿过程 中。研究表明，分闸时的平均电弧最大长度大于合闸时的长度，开断过程中的暂 态过电压高于合闸过程中( 负载侧不带残余电荷) 的过电压。因此通常认为分闸 过程与g i s 母线侧有】p u 残余电压时的反相合闸过程相近，或者后者稍高。 g i s 中所充的s f 6 气体具有很高的绝缘强度，因此问隙距离比在同电压等级下 的空气白j 隙小的多。当隔离丌关触头发生击穿时，起弧过程非常迅速，使注入网 络的电压波形具有极高的上升( 下降) 陡度，且上升( 下降) 时问仅3 2 0 0 n s 。这 个电压波在g i s 系统内传递时，如其遇到波阻抗变化会相应发生折射与反射，形 成含有多个频率分量的振荡波。通常认为包含3 个频率分量： 2 第章绪论 ( 1 ) 低频振荡分量( 1 m h z 以下) ，由整个系统决定，包括g i s 及邻近的设备。 该分量主要与电源侧和负载侧的充放电过程有关，振荡频率由电源侧和负载侧的 电容、电感参数决定，其幅值不高，对g i s 的绝缘不造成威胁。 ( 2 ) 高频振荡分量( 1 m h z 至几十m h z ) ，该分量相当于g i s 中行波的折反 射，是由陡行波在g i s 内发展形成的，振荡频率由隔离开关两侧电容和母线电感 等决定。它叠加到上述低频振荡过程上，构成了v f t o 的主要部分，影响g i s 的 绝缘水平。 ( 3 ) 特高频振荡分量( 更高频率) ，该分量由陡行波在g i s 内相邻部件间的 折反射形成的，通常幅值比较低。 特快速暂态过电压的波头陡度很大，即使在距离很近的两个设备上，过电压 幅值也会有明显的差别，所以避雷器几乎没有保护作用【2 】。若g i s 内存在金属微粒 或受损电极等因素，在操作隔离丌关时就有可能引起g i s 内的击穿事故。 同时特快速暂态过电压的频率很高，v f t o 行波在g i s 中传播时，高频电流 的极肤效应使电磁波被限制在导体的外表面和外壳的内表面。当行波传播到g i s 与外接线路( 架空线或g i l ) 的相连处时，电磁波的一部分沿着g i s 外壳对地构 成的回路传输，使外壳的对地电位升高；另一部分会沿着套管的载流体传输到架 空线或g i l 上，对与架空线或g i l 相连的其他设备( 如变压器) 造成危害。 1 1 2v f t o 的影响因素 由g i s 隔离开关操作引起的高频暂态过电压可能达到多高的峰值，这是大家 比较关心的与绝缘配合设计有关的问题。尽管大量的试验研究和模拟计算还在进 行，所持观点也不尽相同，但目前多数研究结论认为，v f t o 最高过电压峰值在 2 5 p u 左右。 影响v f t o 幅值的因素很多，g i s 的接线方式、隔离丌关的位置和操作方式、 g i s 母线的残余电荷数量和极性以及弧道电阻等都将影响暂态过电压的幅值。从隔 离开关本身来说，触头的分合速度、触头形状以及电极的不对称度( 指三相共箱 式g i s ) 都会对v f t o 幅值产生影响。隔离开关的分合速度越慢，出现高幅值暂 态过电压的机率就越大。当速度为1 0 m s 时，在几次隔离开关操作中，就有一次 过电压超过2 p u ；当触头速度增加到1 7 m s 时，过电压倍数曲线便趋更低的值， 且在2 p u 以下。试验结果说明，分、合操作过程中过电压倍数的差别并不显著。 3 北京交通大学硕士学位论文 1 2 特快速暂态过电压对变压器的危害 g i s 进行隔离开关操作所产生的特快速暂态过电压极有可能对g i s 内部设备 以及与g i s 相连的其他设备造成危害。电力变压器是变电站中的重要设备，当它 通过套管、架空线或电缆与g i s 相连时v f t o 将传输到变压器上，对变压器绝缘， 特别是其纵绝缘造成危害。由特快速暂态过电压引起的绝缘击穿事故已在许多国 家电网中出现，如美国电力公司( a e p ) 、加拿大及中国广东核电站均发生过由于此 类因素引起的超高压变压器绝缘击穿事故。 1 2 1 变压器绕组的主要结构 变压器的绕组由线圈构成，是变压器的电路部分，一般用纸包的铜线或铝线 绕制。电力变压器的绕组有多种形式，如连续式、纠结式、内屏蔽式、螺旋式等。 下图是两种变压器绕组的典型绕法： 2 6 1 3 6 l2 7 1 3 7 l2 8 1 3 8 l2 9 1 3 9 1 3 0 1 4 0 ( a ) 迮续式( b ) 纠结式 图1 - 1 两种变压器绕组的典型绕法 f i g 1 1t w ot y p i c a lt r a n s f o r m e rw i n d i n g ( 1 ) 连续式绕组 连续式绕组没有焊接头，只能用扁线绕制。导线的匝间排列如图1 1 ( a ) 所 示，连续式绕组从第一个线饼开始依次顺序编号。奇数饼的导线从外侧依次绕至 内侧，称为反饼，偶数饼的导线从内侧依次绕至外侧，称为正饼，这样从一个线 饼到另一个线饼，其接头交替地在线圈的内侧和外侧，这些接头用绕制线圈的导 线自然连接，所以没有任何焊接点，这是连续式绕组的主要优点。 由于连续式绕组的纵向电容较小，雷电冲击电压的电压起始分布不均匀，耐 受雷电冲击电压的绝缘强度较低。 ( 2 ) 纠结式绕组 4 第一章绪论 纠结式绕组是2 0 世纪4 0 年代由英国人发明的，其绕线方式如图1 1 ( b ) 所 示。纠结式绕组在绕制时是用两根导线并绕，与连续式的绕法相同，在绕完第一 个线饼后经过换位进入第二个线饼，待第二个线饼绕完后，再将第一根导线剪断， 并和第二根导线的首段焊接起来，这样两个线饼就形成了一个串联绕组，以后的 绕法将重复上述过程。 这种线圈绕制方式通过改变连续式绕组中线匝的相对位置以增加绕组的纵向 电容值，当绕组的纵向电容增大后横向电容的影响相对减少，使初始分布接近于 稳态分布，从而改善了冲击电压沿绕组的电位分布。 1 2 2v f t o 对变压器的危害 由于变压器的绝缘特性，使其对特快速暂态过电压特别敏感。特快速暂态过 电压对变压器的危害主要有以下几个方面： ( 1 ) 上升时间极短的特快速暂态过电压侵入线圈，形成沿线圈极不均匀的电? 位分布，引起巨大的匝间、层自j 电压。由于v f t o 的行波上升时间只有3 2 0 0 n s ， 远远小于雷电冲击试验时的波头上升时间( 约o 5 1 上s ) ，从而会在变压器绕组上产生 极不均匀的匝间电压分布。对与g i s 相距较远的变压器，当特快速暂态过电压传 递到变压器绕组时波头已趋于平缓，认为与雷电冲击波相近。 ( 2 ) v f t o 包含多个频率分量，当v f t o 的频率分量与变压器绕组的自振频 率相近时，会在绕组内部引起谐振，产生幅值很高的高频谐振过电压，导致匝间 绝缘的损坏。 ( 3 ) 多次v f t o 冲击引起的绝缘老化。在隔离开关的操作过程中会引发多次 重燃，每次重燃都可能产生一定幅值的v f t o ，于是变压器在相当短的时间内就要 承受成百上千次的v f t o 考验。这对其绝缘来说无异于接受一种性质与截波相近 的老化试验，给绝缘带来一定程度的损伤。 由于变压器的绝缘设计只考虑了雷电冲击波以及操作波作用下引起的冲击情 况，匝间绝缘在高频振荡情况下显得很脆弱。 此外，如果g i s 内存在金属微粒或受损电极等因素，隔离开关操作引发的 v f t o 可能导致g i s 内绝缘子表面的闪络放电，从而在g i s 外壳上产生暂态地电 位升高，对在其附近工作的人员构成人身安全方面的威胁，同时也会对二次设备 产生干扰。 北京交通大学硕士学位论文 1 3 国内外研究现状 近年来v f t o 问题已引起国内外的高度关注，美国、日本、法国、瑞士等国 均相继开展了这方面的研究工作。国外对v f t o 的研究起步较早，在2 0 世纪7 0 年代就有所研究【3 4 1 t 5 1 ，而我国要比国外晚十年左右，起始于8 0 年代末【6 】。在v f t o 对变压器影响方面的研究则要更晚一些，1 9 9 2 年对广州大亚湾核电站因隔离开关 操作而损坏的联络变压器的研究是我国首次开展v f t o 方面的工程研究【2 1 。 1 3 1 对g i s 中v f t o 的研究 国内高电压等级g i s 的使用越来越普遍，电力系统受v f t o 的影响越来越突 出，很有必要开展g i s 中v f t o 方面的研究。目前，国内外对v f t o 的研究包括 现场实测和计算机模拟计算两种。 现场实测虽然可靠性高，但由于v f t o 本身具有振荡频率高、波头时间短等 特点，导致对其的直接测量难度很大，目前的测量设备在精度方面还不能满足要 求。 而利用计算机进行模拟计算是一种很好的方法，它灵活，成本低，节省时间 且准确度也令人满意。它主要是通过建立数学模型的方式来模拟g i s 变电站各种 运行方式和倒闸操作，通过软件的计算来分析各种情况下暂态过电压的幅值、振 荡频率和波头陡度等，以便将有害的操作方式分离出来，指导j 下常的例行操作。 目前，使用比较普遍的是e m t p 软件。 本文采用电力系统电脑辅助设计软件p s c a d e m t d c ( e m t p 的w i n d o w s 版) 对g i s 变电站v f t o 的影响因素进行了分析，并对国内某水电站各种例行操作方 式下的特快速暂态过电压幅值、振荡频率、陡度等进行了仿真计算，并讨论了v f t o 的预防和解决措施。 1 3 2 对v f t o 在变压器绕组中分布的研究 目前，国内外对v f t o 在变压器绕组中分布的研究主要分为以下两种： l 、实验研究：对实际的变压器产品进行冲击电压试验，测量绕组中的电压分 布情况，目前国内外的实验研究主要有： 日本y s h i b u y a ，s f u j i t a ，和n h o s o k a w a 等人对5 0 0 k v 壳式自耦变压器 6 第一章绪论 绕组内部的高频振荡进行了实验研究r 丌。从测量结果可看到行波的入射和反射过 程，信号最高频率为5 m h z 。 法国c h a t = r e f o ud ，p r i s t c h e p am ，u h d ed 等人采用光纤传输系统对变压器绕组 中v f t o 进行了测量i s 】。其中的电压光纤传感器探头利用了普克尔斯效应，测量频 率高达2 0 m h z ，精度为1 0 。 国内电力研究人员也对变压器绕组陡波电压分布特性进行了一些实验研究【9 】， 实验采用的是模拟变压器，其参数是按5 0 0 k w 7 5 0 m v a 变压器以5 0 ：l 的比例等比缩 小得到。利用波头时间分别为1 2 0 0 n s 、2 0 0 n s 、6 0 n s ，输出电压为1 0 0 0 v 的陡波发生 装置，实际测量模拟变压器绕组各出线端头的电压波形。 2 、仿真研究：该方法通过建立变压器绕组的数学模型，利用计算机技术对变 压器暂态响应进行分析研究。其关键是变压器绕组的建模。目前变压器绕组的数 学模型可分为以下几类： 早期的集中参数模型。这类模型比较简单，对于线圈的剖分单元数较少， 一般是以线饼为单位，且电感、电容参数是集中定常的，模拟快速暂态时误差较 大。 集中参数与分布参数相结合的混合电路模型【l o l 。1 9 9 6 年，王赞基提出以集 中参数电路和分布参数电路相结合的混合电路模型，对于绕组首端关键部位以线 匝为单位采用多导体传输线( 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 简称m t l ) 模型， 而绕组的其它部位以线饼为单位建立集中参数模型。 混合传输线模型1 】【1 2 】【1 3 】【1 4 】。1 9 9 7 2 0 0 2 年ys h i b u y a ，sf u j i t a ，nh o s o k a w a 等人基于多导体传输线理论开发一种用于计算变压器线圈内部快速暂态电压分布 的方法。先用单根传输线模型计算整个变压器绕组的电压分布，再用多导体传输 线模型以线匝为单位计算某线饼中各匝之间的快速暂态电压分布。 完全传输线模型【1 5 】【l6 1 。将绕组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。通过适当的数学方法对多导体均匀传输线方程进行求解从而 获得绕组中的电压分布。 在上述各种方法中完全多导体传输线模型最接近变压器绕组的实际情况，但 由于大型的电力变压器高压线圈一般有几百甚至上千匝，由此形成庞大的多导体 传输线方程组，对此方程组的求解将非常困难。且由于现在的变压器绕组结构复 杂，尤其是有些变压器采用分区绝缘结构，在单一绕组中包含纠结式、内屏蔽式、 连续式等多种线圈绕制方式，导线规格、绝缘材料以及各匝的长度等也不尽相同， 所以参数求解比较困难。本文在完全多传输线模型的基础上提出一种等效回路模 型，该模型可根据绕组结构的不同进行调整，精确度也能满足要求。 7 北京交通人学硕士学位论文 1 4 本论文的研究内容及方法 本文针对v f t o 及其在变压器绕组中的分步进行了系统的数值计算和仿真分 析。各章节内容的具体安排如下： 第一章对特快速暂态过电压进行了简单介绍，简述了特快速暂态过电压对变 压器及电站其他设备的危害，并对目前国内外的研究状况进行了总结。 第二章使用电力系统暂态分析软件p s c a d e m t d c 对g i s 变电站v f t o 的影 响因素进行了分析，并在此基础上讨论了v f t o 的预防及抑制措施，并针对国内 某水电站的实际情况，进行了特快速暂态过电压幅值、陡度等的仿真计算。 第三章在多导体传输线( m t l ) 模型的基础上提出一种等效回路模型，同时 给出了电感、电容等参数的计算方法，计算了连续式绕组中的v f t o 分布，通过 与试验结果的对比证明了该方法的f 确性；本章还进一步分析了不同绕线方式( 纠 结式) 对绕组中电压分布的影响，并对一台实际的5 2 5 k v 9 0 0 m v a 变压器进行了 电压分布计算；最后给出了v f t o 在变压器绕组中的分布规律。 第四章通过建立变压器绕组的链型等值电路研究了绕组的频率特性，经过对 链型电路的简化分析了谐振的产生条件并计算了绕组的谐振频率，并与仿真结果 进行了对比。 第五章对全文的主要结论进行了总结。 第二章g i s 中的v f t o 分析 第二章g i s 中的v f t o 分析 在电力系统中，隔离开关切合空载母线是例行操作，比其他操作要频繁，而 g i s 中隔离开关的分合操作正是v f t o 的主要诱因之一，其危害在上一章已作说 明，本章不再赘述。本章使用电力系统暂态仿真软件p s c a d e m t d c 分析了电缆 长度、变压器入口电容、母线残余电荷电压、弧道电阻等因素对v f t o 的影响， 并得出了一定的规律，然后在仿真计算的基础上讨论了v f t o 的抑制措施。最后 计算了国内某水电站隔离开关操作时各主要节点的特快速暂态过电压情况，找出 了特快速暂态过电压最大幅值的地点。 2 1 计算模型的建立 2 1 1g i s 主要部件模型 为了准确可靠的分析g i s 中的特快速暂态过电压情况，元件模型恰当选取至 关重要。由于v f t o 的主要频率分量在1 m h z 至几十m h z 的范围内，所以元件模 型的适用范围必须在1 m h z 至几十m h z 以上。 g i s 管道可以视为单相分布参数电路，根据其几何尺寸，用考虑频变特性的同 轴传输线模拟【。八。 根据合作方提供的资料，变电站5 0 0 k v 侧g i s 各元件用表2 1 中等效电路模 拟，其中，隔离开关( 合) 与电流互感器从结构及尺寸上可近似看作母线或者联 线的一部分。 表2 1g i s 等效电路 t a b 2 - 1e q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lo fg i s 设备 等效电路 说明 同轴线的参数由其 母线盟园匡二 。：q 卜一日三s 卜叫c - - v o 啦几何尺寸和构成材料 决定 联线 ! = - ! 型e u 。岛卜一 _ t 参 ! ! 丛e d 参数同母线 r 1 一一，- r 1 断路器( 合)1 逼垦竖3 簟：卜一b r k 卜- - l b ：5旦旦竖 吐 参数同母线 9 北京交通人学硕士学位论文 断路器( 分) f c 1 = 3 0 0p f c 2 = 1 0 0p f 隔离开关( 合)盟昼口。卜一矗叶垮，二掣参数同母线 隔离开关( 分) f c i = 1 0 p f c 2 = 4 0 p f t 丰c 接地开关( 分) i c = 4 5p f l l g i s 避雷器c 锄 c - - 2 2 0 p f l 盘r 逝亚 斗c 品e 协 驾 出线套管 工 c = 1 0 0 0p f t 丰c 电压互感器 1 c = 5 0 0 p f l 电流互感器c _ h z t - - - - - 7 。如昌呻， 二型参数同母线 2 1 2 其他电气部件的模型 根据以往的经验，在计算模型中，用入口电容等效变压器与用其它复杂模型 等效的计算结果吻合很好【1 8 】。因此，在分析g i s 中v f t o 特性时采用入口电容等 效变压器，前苏联的沃罩波夫等根据大量测量数据，给出了计算变压器入口电容 的经验公式： c = k 括 ( p f ) 对于5 0 0 k v 电压等级的变压器n = 4 ，k = 9 4 0 ，式中s 为变压器的三相容量 ( m v a ) 。变压器的等效电感一般取为2 0 m h 6 】【2 6 】。 l o 第二章g i s 中的v f t o 分析 主变高压侧和出线处接有5 0 0 k v 氧化锌避雷器，其参数如表2 2 所示。仿真 计算时采用表2 1 中的模型。 表2 - 25 0 0 k v 氧化锌避雷器参数 t a b 2 2p a r a m e t e r so f5 0 0k vz i n co x i d ea t t e s t e r 系统额直流l m a 参8 2 0 邺雷电压冲击残压 位置型号 定电压考电压1 0k a2 0k a 主变高压侧g i s 内置式4 2 0 型5 0 0 l ( v5 6 5k v9 6 0k v1 0 4 6 l c v 出线处敞开式4 4 4 型5 0 0k v5 9 7k v1 0 1 5k v1 1 0 6 k v 2 2 典型电路的v f t o 分析 为了分析电缆长度、变压器入口电容、残余电荷电压、弧道电阻等因素对v f t o 的影响，本文首先假设了一种比较典型的接线方式，即变压器通过电缆合闸于一 段g i s 母线【1 3 】【1 9 1 ，如图2 1 所示。 图2 - 1 变压器母线典型接线方式 f i g 2 1at y p i c a lc o n n e c t i o nm o d e so f t r a n s f o r m e r - g i s 图中，变压器入口电容为5 0 0 0 p f ，等效电感为2 0 m h ，c a b l e 为电缆等效模型， g i s 为g i s 母线等效模型。 改变电缆长度、变压器入口电容、g i s 母线上的残余电荷电压、弧道电阻数值 来分析图中各点的过电压情况。 2 2 1 电缆长度的影响 设置电源电压为l p u ，g i s 母线长度取5 m ，弧道电阻取3q ，g i s 母线上的 残余电荷电压取为1 p u ，电缆长度分别取5 m 、5 0 m 、5 0 0 m ，分析图2 1 各节点的 北京变通火学硕士学位论文 过电压波形。 ：r 赫赢忑= = = = 习 ”c一。j ：f 瓦i 砑瓦而瓦面丽oj ”：一、，。j ，l r _ 【，一d j ： j 广一2 4 1 i i 气r 彳f1 一； a 点电压波形 ：臣蒜磊= = = 习 毫 i 一咭一 卜r 幸一 ；一 b 点电压波形 菇啪洲w 一j 专一f j ii 卜一 ； ：； ；：，斗 寸斗“_ “v v ! 卜一了十了一了一1；ij。m l2 一 。 l i j 一。 。 4 一r j i；”一一i 一；n c 点i l l 压波形 第二章g i $ 中的v f t o 分析 ： 件州忡州叫 昔 叶 十卜 喘 d 点电压波形 图2 - 2 电缆长度为5 m 、5 0 m 、5 0 0 m 时各节点电压波形 f i g r 2 - 2 v o l t a g e w a v 酣o n a w h e n t h o l e a g t h o f c a b l e i s 5 m , 5 0 m ，5 0 0 m 当电缆长度增加时，相当于引入了数值较大的电容和电感，使v f t o 中低频 分量( 取决于整个电路的电气参数) 增加。计算得到电缆长度改变时，图2 】中各 节点处过电压最大值如表2 3 所示。 表2 - 3 典型计算电路中电缆长度对过电压幅值的影响 点 v av b v cv d 电缆k 壶( p m ) 舡u )如m jj i m 7 7i 9 4 91 9 4 62 7 1 8 5 0 m1 8 3 0 5 0 0 m 2 0 8 0 由表2 - 3 可以看出当隔离开关合闸时各点处的过电压幅值随着电缆长度的增 加而下降，电缆很短时变压器上的过电压幅值也较低。 2 2 2 变压器入口电容的影响 当变压器的容量不同时，其等值入口电容也不同，本文将分别选取等值电容 为2 5 0 0 p f 、5 0 0 0 p f 、1 0 0 0 0 p f 三种情况进行计算。 设电源电压为l pu ，电缆和g i s 母线的长度均取5 m ，弧道电阻取3 0 ，g i s 上残余电荷电压取为一l pu ，变压器入口电容分别取2 5 0 0 p f 、5 0 0 0 p f 、1 0 0 0 0 p f ， 计算v a 、v b 、v c 、v d ，各节点波形如图2 - 3 所示。 北京交通人学硕士学位论文 i 卜枷螋堂型酗 b 点电压波形 j “| 讨 荫m 两赢赢纛赢 e 陋堕里墨 7 丽蕊赢毒磊二 4。1 矗 35 第二章g i s 中的v f r o 分析 l 黼洲枞叫 砖1 _ _ 卜 吉 d 点电压渡形 图2 4 变压嚣 口电容分捌为2 5 0 0 p 1 ：、5 0 0 0 p f 、1 0 咖p f 时各节点电压渣形 f w , 2 - 3 v e l t a s e w a v e f o t m w h m m f o m l h 枷e d c a p a c i t a n c e h 2 5 0 0 0 f , 5 0 0 0 p f , 1 0 0 0 0 p f 表2 - 4 典型计算电路中变压嚣 口电容对过电压幅值的影响 甜 v 且v bv cv d 入口电容 ( n l )( p m )( p 肌) ( ) 2 5 0 0 r , f 1 1 2 2i _ 9 9 51 9 8 62 4 8 8 5 0 0 0 p f 1 0 7 71 9 4 91 9 5 6 1 7 1 0 0 0 0 p fi mi l ，9 5 92 j 1 3 表2 - 4 为不同变压器入口电容下，典型电路各点的过电压幅值。从这些数据可 以看出，变压器入口电容变化对变压器入口处的过电压大小有明显影响，入口电 容越大，变压器入口处的过电压幅值越低。其他节点的过电压幅值也有降低趋势， 但不是十分明显。对比图2 - 3 ( a ) 可明显看出变压器入口电容变化时，不光变压器入 口处的电压振荡幅度发生了变化，振荡频率也有所改变，变压器入口电容越大， v f r o 的振荡频率越小，这是因为变压器入口电容对高频分量过滤作用的影响。 2 2 3g i s 母线残余电压的影响 隔离开关操作产生v f r o 的根源是触头间的燃弧现象，所以燃弧时g i s 母线 上的残余电荷电压将直接影响v f t o 的幅值。残余电荷电压的大小与母线的泄露、 燃弧时刻等因素有关，其极性可正可负，大小在o l p u 2 _ n ，国外的计算中常取 北京交通大学硕十学位论文 1 o p u 或- o 5 p u 。本文将分别取一l p u - 0 5 p u - 0 3 p u 和0p u 进行计算。 设电源电压为l p u ，电缆和g i s 长度都取为5 m ，弧道电阻取为3q ，改变 g i s 母线上的残余电荷，分别取- l p u - 0 5 p u ，0 3 p u 和o p u 计算得到图2 l 中各 点过电压最大值如下表所示。 表2 5 典型计算电路中残余电荷对过电压幅值的影响 t a b 2 5e f f e c t so fr e s i d u a lc h a r g ev o l t a g eo nv f t oa m p l i t u d e s 移篇 v av bv ev d 残余电压( p u ) ( p u )( p u )( p u ) - ip u 1 0 5 21 9 3 11 9 2 82 7 4 5 - o 5 p u 1 0 3 91 6 9 91 6 9 62 3 0 9 - 0 3p u 1 0 3 l1 6 0 61 6 0 42 1 3 5 0 p u 1 0 2 71 4 6 71 4 6 51 8 7 4 由表2 5 可见，图2 1 所示电路在进行隔离开关合闸操作时各点处的过电压最 大值随着残余电荷电压的降低而呈线性下降趋势。但是残余电荷电压仅影响v f t o 幅值的大小，对其振荡频率没有影响。 2 2 4 隔离开关弧道电阻的影响 隔离开关操作产生电弧时，弧道电阻对过电压有阻尼作用，在分合闸过程中， 弧道电阻随触头1 1 白j 距离的改变而改变，其大小直接受到隔离开关分闸性能的影响 ( 如触头移动速度) 。本文将分别取弧道电阻为o q 、3q 、3 0 q 、3 0 0 q 进行计算。 设电源电压为1 p u ，电缆和g i s 长度都取为5 m ，g i s 上的残余电荷电压取为 1 p u ，分别取弧道电阻为o q 、3q 、3 0 q 、3 0 0 q 时图2 1 各节点过电压的最大值 如下表所示。 表2 - 6 典型计算电路中弧道电阻对过电压幅值的影响 t a b 2 - 6e f f e c t so f a r ec h a n n e lr e s i s t a n c eo nv f t oa m p l i t u d e s 淤 v av b v cv d 弧道电阻( p u )( p u ) ( p u ) ( p u ) 0q1 1 6 9 42 0 2 8 72 0 2 8 73 4 9 1 l 3 q 1 0 7 7 l1 9 4 9 8 1 9 4 5 6 2 7 1 7 9 3 0q1 0 7 7 l1 6 6 7 91 5 4 1 91 8 3 7 0 3 0 0q1 0 7 6 91 1 6 5 01 0 7 6 91 0 7 6 9 1 6 第二章g i s 中的v f t o 分析 由表2 6 可以看出图2 1 所示电路在进行隔离开关合闸操作时弧道电阻增大对 变压器入口处的过电压幅值影响不大，但对隔离开关两端的过电压抑制作用非常 明显，当弧道电阻为3 0 0 q 时，各节点过电压均限制在1 2 p u 以下。由此可见在 g i s 隔离开关触头问安装合闸电阻对v f t o 有较好的抑制作用，但加装合闸电阻 使g i s 内部结构更加复杂，且必须考虑合闸电阻的电压承受能力和吸收能量后的 热效应问题。 2 3 实际变电站v f t o 计算 本文计算的变电站为一水电站的5 0 0 l ( v 升压变电站，发电机变压器采用单元