（电力系统及其自动化专业论文）变压器冲击电压波形参数的仿真研究.pdf

华南理工大学硕士学位论文 近的波形。 关键词：电力变压器冲击电压发生器冲击电压试验 a b s t r a c t a b s t r a c t t r a n s f o r m e r sa r ek i n d so fi m p o r t a n td e v i c e st h a ta r eb e i n gw i d e l yu s e di nt h e p o w e rs y s t e mf o rt r a n s f e r r i n gt h ep o w e r a st h eq u i c k e ng r o w t ho fg d p , t h ep o w e r d e m a n d si si n c r e a s i n g ，b i g g e rc a p a c i t yo fp o w e rs y s t e m ，h i g h e rv o l t a g ea r en e e d e d ， a n dt h ei n c r e a s eo fc a p a c i t ya n dv o l t a g eo ft r a n s f o r m e r sa r en e e d e da sw e l l f o rt h i s r e a s o n ，h i g h e rq u a l i t ya n dr e l i a b i l i t yr e q u i r e m e n to ft r a n s f o r m e r sa r en e e d e da sw e l l f o rt h er e c e n tt e ny e a r s ，t h ee l e c t r i c a li n d u s t r yo fo u rc o u n t r yi sg r e a t l yd e v e l o p e d ， a n ds oa st h ep r o d u c t i o na n dd e s i g no ft r a n s f o r m e r w h i l ew o r k i n gi nt h ep o w e rg i r d ，t r a n s f o r m e r sa r ea f f e c t e db yt h ev a r i o u s t r a n s i t o r ya b n o r m a lv o l t a g ea n dc u r r e n t ，b e s i d e st h ev o l t a g ea n dc u r r e n tu n d e r n o r m a lc o n d i t i o n t h e r e f o r e ，s u f f i c i e n t s a f e t y a n dr e l i a b i l i t yu n d e ra b n o r m a l c o n d i t i o nh a v et ob ec o n s i d e r e de i t h e ri nt h ed e s i g n ，o rm a n u f a c t u r eo ft r a n s f o r m e r s e l e c t r i ci n s u l a t i n gs t r e n g t h 、t h e r m a lp e r f o r m a n c e 、m e c h a n i c a ls t r e n g t h ，e t cs h o u l d b e i n c l u d e di nt h er e l i a b i l i t yo ft r a n s f o r m e r h o w e v e r ，e l e c t r i ci n s u l a t i n gs t r e n g t ho f t r a n s f o r m e ri so n eo ft h eb a s i cc o n d i t i o nw h e t h e rt h et r a n s f o r m e r sc a nb ep u ti n t o t h ep o w e rg r i ds a f e l ya n dr e l i a b l y e l e c t r i ci n s u l a t i o nt e s tf o rt r a n s f o r m e ri so n eo ft h et e s t st h a tb ed o n ew h e n l e a v i n gf a c t o r y g e n e r a l l y ，t h e r ew o u l db e e x t e r n a lw i t h s t a n dv o l t a g et e s t 、i n d u c t i v e w i t h s t a n dv o l t a g et e s t 、l i g h t n i n gi m p u l s ev o l t a g et e s ta n ds w i t c h i n gi m p u l s ev o l t a g et e s t f o rl i g h t n i n gi m p u l s ev o l t a g et e s ta n ds w i t c h i n gi m p u l s ev o l t a g et e s t ，w h e n e v e r d i f f e r e n tv o l t a g el e v e lt r a n s f o r m e r sw i l lh a v ed i f f e r e n ti m p u l s ei n s u l a t i o nl e v e l ，t h e y s h o u l ds t i l lh a v ee n o u g h i m p u l s ei n s u l a t i o ns t r e n g t h ，t ow i t h s t a n dt h ei m p u l s e o v e r v o l t a g e m e a n w h i l e ，t h et e s ti m p u l s ew a v es h a p es h o u l ds a t i s f yt h en a t i o n a l s t a n d a r di m p u l s ev o l t a g ew a v es h a p e h o w e v e r , i t sd i f f i c u l tt og e tt h es t a n d a r d i m p u l s ew a v es h a p ed i r e c t l yt h r o u g hi m p u l s ev o l t a g et e s to ft r a n s f o r m e ri np r a c t i c a l t h e r e f o r e ，h o wt oa d j u s tt h er e l a t i v ep a r a m e t e r so ft e s ti n s t r u m e n t sc o r r e c t l y , r e d u c e t h et i m e so ft e s t s ，a n ds w i f t l yt u n eo u tt h es t a n d a r di m p u l s ew a v es h a p eo rt h em o s t s i m i l a rt e s tw a v e f o r m ，f o rt e s t e ru s i n ge x i s t e n ti n s t r u m e n t s ，t om e e tt h et e c h n i q u e r e q u i r e m e n to fd e v i c et e s t ，w h i c ha r em a i n l yd i s c u s si nt h i sp a p e r t h i sp a p e rp a r t i c u l a r l yp r e s e n t st h ed e f i n i t i o no fs t a n d a r dw a v e f o r mo fi m p u l s e v o l t a g ei ni m p u l s ev o l t a g et e s t s ，a n dt h ew o r k i n gt h e o r yo fi m p u l s e v o l t a g eg e n e r a t o r t h ed i s c h a r g ec i r c u i to fi m p u l s e v o l t a g eg e n e r a t o ra n di t sp a r a m e t e r sw a sp r i m a r i l y i l i 华南理工大学硕士学位论文 a n a l y s i s ，a n dt h em a t h e m a t i ce x p r e s s i o no fd i s c h a r g ec i r c u i tw a sw o r k e do u te i t h e r ， a n dt h ew a v e f o r mo fi m p u l s e - v o l t a g eg e n e r a t o rw a sm a t h e m a t i c a l l ya n a l y z e d b y u s i n gm a t l a b ，t h ed i s c h a r g e c i r c u i tw a ss i m u l a t e da n dc a l c u l a t e d ，t h e nt h e p a r a m e t e r so fw a v e - f r o n tr e s i s t a n c ea n dw a v e - t a i lr e s i s t a n c ew a sf i g u r e do u tt h r o u g h t h es i m u l a t i o n am o d e lo fi m p u l s e - v o l t a g eg e n e r a t o rw a ss e tu pi ns i m u l i n k s i m u l a t i o no fi m p u l s et e s t s ，p r o v e dt h a tt h es t a n d a r dw a v e f o r mo rt h em o s ts i m i l a r w a v e f o r mc a ns w i f t l yb et u n e do u t ，b ys e l e c t i n gt h ep r o p e rp a r a m e t e r so fw a v e f r o n t r e s i s t a n c ea n dw a v e t a i lr e s i s t a n c e t h e o r ya n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a t ，b ys e l e c t i n gt h ep r o p e r p a r a m e t e r so f w a v e f r o n tr e s i s t a n c ea n dw a v e t a i lr e s i s t a n c e ，t h er e q u i r e dt e s t w a v e f o r mc a nb et u n e do u ts w i f t l yi nt h ei m p u l s et e s t s 。t h et i m e so fi m p u l s et e s t s ， a n dt h ed a m a g et ot r a n s f o r m e rc a nb er e d u c ee i t h e r m e a n w h i l e ，t e s t e r sc a nc o r r e c t l y a d j u s tt h er e l a t i v ep a r a m e t e r so ft e s ti n s t r u m e n t s ，a n da c c o r d i n g l y , t ot u n eo u tt h e s t a n d a r dw a v e f o r m so rt h em o s ts i m i l a rt e s tw a v e f o r m st h a tm e e tt h et e c h n i q u e r e q u i r e m e n t si naf e wt e s t s k e y w o r d s ：t r a n s f o r m e r , i m p u l s e - v o l t a g eg e n e r a t o r , i m p u l s ev o l t a g et e s t s i v 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：王稚晓日期：加埤# 月。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大 学。学校有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许学位论文被查阅( 除在保密期内的保密论文外) ；学校可以公 布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制 手段保存、汇编学位论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。 本学位论文属于： 口保密，在年解密后适用本授权书。 口不保密。 学位论文全文电子版提交后： 口同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单 位浏览。 ( 请在以上相应方框内打“”) 本人签名： 导师签名： 日期：2 五：丘：( 翌 日期：选塑五= 五，垒 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论帚一早三百下匕 电力系统中的高压电气设备除了承受长期的工作电压( 交流或直流) 作用外， 在运行过程中还有可能要承受短时的雷电过电压和操作过电压的作用，还会受到 大气感应造成的过电压的作用。电气设备包括电机、变压器、断路器、互感器、 及其他电器。 电力变压器是电力系统中广泛应用的主要设备之一，它在电力系统中起着十 分重要的作用。变压器的质量和可靠性是直接关系到安全可靠地输送电力、保证 电网的安全运行，保障工农业生产和人民生活用电的重大问题，对国民经济的发 展息息相关。 电力变压器在电网中运行时，除承受长期工作电压作用外，还受大气感应造 成的过电压的作用。因此变压器在设计和制造时必须考虑在异常情况下有足够的 冲击绝缘强度，能够承受冲击过电压的作用，以保证变压器投入电网后能安全可 靠运行。在电力变压器出厂电气性能试验中，电气绝缘强度试验是其中的试验项 目之一。电气绝缘强度试验主要有：外施耐压试验、感应耐压试验、雷电冲击电 压和操作冲击电压试验。 对于电力变压器的雷电冲击电压和操作冲击电压试验，不同电压等级的变压 器产品其冲击绝缘会有所不同，但要求变压器要有足够的冲击绝缘强度，能够承 受冲击过电压的作用。同时在试验过程中，要求试验的冲击波形要满足国家规定 的标准冲击电压波形。然而，在实际的变压器电压冲击试验中，往往不易直接得 到标准的冲击波形。这就要求试验人员有丰富的实践经验，根据产品电压、容量、 性能特性等条件，正确调节试验设备的相关参数，试验中尽量减少冲击电压试验 次数，以减少对变压器的损害，从而迅速地调出标准冲击波形或与标准冲击波形 最接近的试验波形，以满足产品试验的技术要求。因此，快速设定电力变压器冲 击电压波形的波头和波尾参数具有一定的工程实际意义。 1 2 变压器的冲击试验的现状 电力变压器的冲击电压试验必须按规定的电压波形进行，现在包括我国在 内的世界各国均采用国际电工委员会( i c e ) 标准中定义的冲击电压波形作为自 华南理工大学硕士学位论文 己的标准冲击电压波形，它是一种单极性波形。冲击试验是变压器绝缘性能试验 中一项比较严格的考核。在国家标准中，为保证电力变压器产品的绝缘质量，对 于2 2 0 k v 电压等级、单台容量为1 2 0 m v a 的变压器产品，必须做雷电冲击试验， 该试验定为例行试验。对于中小型变压器产品，雷电冲击试验定为型式试验。对 变压器来说，不管是例行试验还是型式试验，只有当试品能够经受雷电全波( 或 截波) 试验电压的考验，且没有发生故障时，才可以说其通过了冲击试验的考验。 目前变压器生产厂家对于例行试验的变压器产品，只需做雷电全波冲击试验。由 于按雷电冲击电压折算到的工频试验电压已经高于按操作冲击电压试验折算到的 工频试验电压，这样即可保证操作过电压具有了相当大的裕度，基本可以免做操 作冲击电压试验。 变压器雷电冲击电压试验目前主要采用冲击电压波形法。该方法是在变压器 试验前，根据试验人员的实践经验，同时根据已掌握的试品参数估算产生标准雷 电冲击波形所需的冲击发生器的参数，如：冲击发生器级数、波前电阻值、半峰 值电阻值、负荷电容的大小等。当试品接入试验回路后，考虑到产品参数与估算 的差别，需要在较低电压( 如5 0 试验电压) 下进行波形调整。调整的目的一是 在实际产品上得到满足标准规定的雷电冲击波形，二是根据冲击电压波形发生器 的效率休正充电电压。当冲击波形调整到满足标准要求时，就可以试验。对于例 行试验的变压器产品，只需做雷电全波冲击试验，一般先做一次或几次幅度为5 0 试验电压下的全波冲击试验，再做三次1 0 0 全电压的全波冲击试验，而且试验 要逐相进行。 这种方法要求操作人员具有丰富的试验经验，并根据冲击试验的波形和改变 冲击发生器的参数的多次试验后，才能调出与标准冲击波形或与标准冲击波形最 接近的试验波形，取得试验的结果。在试验中，如果产品参数与估算值差别较大 时，特别是新型号的试品，往往要经过多次参数调整才能获得满意的结果，这样 就会使试品经受多次的电压冲击，对产品会造成损害。所以，快速确定变压器冲 击电压波形的波头和波尾参数，是变压器生产厂家进行冲击试验时所需要的技术 问题。 1 3 本论文的主要工作 电力变压器冲击电压试验对保证变压器的质量和运行可靠性、保证电网的安 全运行有着重要的意义。本文结合变压器出厂试验的实际情况，对变压器冲击电 压试验进行了深入的研究，所完成的主要工作概括如下： 2 第一章绪论 ( 1 )简单介绍了冲击电压的波形以及冲击电压发生器的工作原理，为进 行冲击电压波形参数的选择提供了理论基础。 ( 2 )从理论上对冲击电压放电回路进行了计算推导，为分析选择冲击电 压波形参数建立了理论基础。 ( 3 )介绍了非线性方程组的解法一牛顿法，同时简单介绍了迭代法，并 对它们在计算机编程计算进行比较，从而确定牛顿法是一种比较好的解非 线性方程组的方法。 介绍了m a t l a b 及其仿真模块s i m u l i n k ，利用m a t l a b 进行编程计算，并 利用s i m u l i n k 对计算结果进行数字仿真，验证了利用计算机编程计算，可以 快速确定变压器试验的参数，对冲击电压波形进行调节，减少产品的冲击试验次 数。 3 华南理t 大学硕士学位论文 第二章雷电冲击电压试验技术 2 1 冲击电压的定义 雷电冲击电压试验采用的是以下几种波形的冲击电压。 1 标准雷电冲击电压( s t a n d a r dl i g h t n i n gi m p u l s ev o l t a g e ) 2 截波冲击电压( c h o p p e di m p u l s ev o l t a g e ) ； 3 直线上升波头截波电压( 1 i n e a r l yr i s i n gf r o n tc h o p p e di m p u l s ev o l t a g e ) 4 陡波电压( s t e e pf r o n ti m p u l s ev o l t a g e ) ； 5 其它各种波头长、波尾长的雷电冲击电压。 所谓冲击电压是指在瞬变过程中，短时出现的电压，急剧地升高到最大值。 再由此缓慢地下降的一种电压。冲击电压中，把升至最大值为止的时间为数微秒 程度的电压称做雷电冲击电压( 1 i g h t n i n gi m p u l s ev o l t a g e ) ，把时间为数十微秒至 数毫秒程度的电压称做操作冲击电压( s w i t c h i n g i m p u l s e v o l t a g e ) 。对于冲击电压 的极性有：在整个出现霎时间中，不论是取正极性还是负岗哨单极性冲击电压和 电压的极性周期性变化的振荡性冲击电压两种。 关于冲击电压的主要的术语说明如下： 1 波形( w a v es h a p e ) ：表示冲击电压按时间变化的图形。 2 波峰点( c r e s tp o i n t ) ：波形的最高点。 3 原点( o r i g i n a lp o i n t ) ：波形的起始点。 4 波峰值( c r e s tv a l u e ) ：在波峰点的电压瞬时值。 5 n 波峰点：瞬时值相当于波峰值的n 的波形上的点特别把5 0 的波峰点 称为半波峰点。 6 波头( w a v ef r o n t ) ：从原点到波峰点为止的波形部分。 7 波头长：波头的持续时间。 8 波头陡度：波头电压对时间的上升率。 9 波尾( w a v et a i l ) ：波峰点后面的波形部分。 1 0 波尾长：波尾的持续时间。 1 1 截断( c h o p p i n g ) ：在冲击电压的持续时间中，电压值急剧下降到零或接近 于零的现象，称为截断。 1 2 全波电压( f u l li m p u l s ev o l t a g e ) ：没有被截断的冲击电压。 1 3 截波电压( c h o p p e di m p u l s ev o l t a g e ) ：被截断的冲击电压。 4 第二章雷电冲击电压试验技术 1 4 直线上升波头截波电压( 1 i n a l t yr i s i n g f r o n tc h o p p e d i m p u l s e v o l t a g e ) - 电压 大致以一定的陡度升高，直至被截断为止时的值。 1 5 截断点( i n s t a n to f c h o p p i n g ) ：截波电压在开始截断的点。 1 6 截断值( v o l t a g ea tt h ei n s t a n to f c h o p p i n g ) ：截断点的电压瞬时值。 1 7 截断部分：截断点之后的波形部分。 1 8 截断下降最低点：截断后，从截断点起，位于最大电位差的点。 1 9 截断下降最低值：截断后，下降到最低点电压时时的瞬时值。 2 0 截断下降量：截断值和截断下降最低值之差。 2 1 n 下降点：在截断点和截断下降最低点之间，相当于从截断点到截断下降 量的n 的波形上的点。 2 2 截断长：从截断点到截断下降最低点为止的时间。 2 3 到截断为止的时间( t i m e t oc h o p p i n g ) ：从原点到截断点为止的时间。 2 4 截断陡度：从截断点到截断下降最低咪为止，电压对时间的下降率。 以上部分表示了有关冲击电压的术语，然而实际上要决定雷电及操作冲击电 压的原点，波峰点，波头长及波尾长等是很困难的，因而分别冠以视在二字。 2 5 视在原点( v i r t u a lo r i g i n ) ：将波头上的3 0 的波峰点和9 0 的波峰点之间 边一直线，它和时间轴相交之点称视在原点。 2 6 视在波头长( v i r t u a lf r o n tt i m e ) ：是指波头上3 0 的波峰点和9 0 的波峰 点之问的时间除以0 6 之后的值。 2 7 视在波头陡度( v i r t u a ls t e e p n e s so f t h ef r o n t ) ：用视在波头长除以波峰值。 2 8 视在波尾长( v i r t u a lt i m et oh a l fv a l u e ) ：对于单极性雷电冲击电压是指视 在原点和波尾上半波峰点之间的时间；对于振荡性雷电冲击电压，是指视 在原点和第一半波波尾上半波峰点之间的时间。 2 9 视在截断点( v i r t u a li n s t a n to f c h o p p i n g ) ：通过截断点，作一和时间轴平行 的直线，这条直线和3 0 下降点及9 0 下降点连线的交点，称为视在截断 点。 3 0 视在截断长( v i r t u a ld u r a t i o no fv o l t a g ec o l l a p s ed u r i n gc h o p p i n g ) ：3 0 下 降点和9 0 下降点之间的时间除以0 6 之后的值。 3 1 视在截断陡度( v i r t u a ls t e e p n e s so f v o l t a g ec o l l a p s ed u r i n gc h o p p i n g ) ：用视 在截断长除以截断下降量后的值，称视在截断陡度。 3 2 至视在截断为止的时间( v i r t u a lt i m et oc h o p p i n g ) ：视在原点和视在截断点 之间的时间。 3 3 直线上升波头截波电压的视在波头陡度( v i r t u a ls t e e p n e s so f l i n e a r l yr i s i n g f r o n tc h o p p e di m p u l s ev o l t a g e ) ：用上升时间除以波峰值称之，上升时间是 在5 0 波峰点和9 0 波峰点之间，引一条最接近于波形的直线，就用达到 5 华南理工大学硕七学位论文 5 0 和9 0 波峰点的这二点之间的时间差的2 5 倍的该直线来定义。 前已述及的雷电冲击电压试验，要求发生电压的波形整定在规定的裕度之内， 为此需要按照规定的试验电压波形来调整发生器的参数。调整波形时，最好事先 根据计算或由模拟计算机等求出回路参数。 冲击试验是变压器绝缘性能试验中一项比较严格的考核。 2 2 冲击电压波形 冲击电压发生器是一种产生脉冲波的高电压发生装置。原先它只被用于研究 电力设备承受大气过电压( 雷击) 时的绝缘性能。近年来又被用于研究电力设备 遭受操作过电压时的绝缘性能。所以对冲击电压发生器的要求，不仅能产生出现 在电力设备上的雷电波形，还能产生操作过电压波形。冲击电压的破坏作用不仅 决定于幅值，还与波形陡度有关。对某些设备要采用截断波来进行。 根据测量，雷电波是一种非周期性脉冲，它的参数具有统计性。它的波前时 间( 约从零上升到峰值所需时间) 为0 5 i t s l o f t s ，半峰值时间( 约从零上升到 峰值后又降到1 2 峰值所需时间) 为2 0 t t s 9 0 i x s ，累积频率为5 0 的波前和半峰 值时间约为1 o t t s 1 5 斗s 和4 0 t t s 5 0 t t s 。操作冲击电压波的持续时间比雷电冲 击电压波长得多，形状比较复杂，而且它的形状和持续时间，随线路的具体参数 和长度的不同而有异，不过目前国际上趋向于用一种几百微秒波前和几千微秒波 长的长脉冲来代表它。雷电波又可分全波和截波两种。截波是利用截断装置把冲 击电压发生器产生的冲击波突然截断，电压急剧下降来获得。截断的时间可以调 节，或发生在波头或发生在波尾。 为了保证多次试验结果的重复性和各试验室问试验结果的可比性，对波形及 波形定义应有明确规定。为此国际电工委员会和国家标准规定了标准雷电冲击全 波及截波的波形和标准操作冲击电压波形，如图2 - 1 至2 - 6 所示“儿”。 _ i _ 雾 葛芒坚一j ： t e - 1 6 7 1 牲 t f 个 一 t - - 0 3 t f 图2 - 1 雷电冲击电压全波( 全波波形) 6 第二章雷电冲击电压试验技术 、 c f 、7 l 。 砑 f e t f t 图2 2 雷电冲击电压全波( 波峰附近振荡的全波( ， - 0 5 m h z ) ) 图中0 为原点。有时用示波器摄取到的波形，在0 点附近往往模糊不清，或 是有起始之振荡。在产生冲击电压的发生器的内电感大时，波形起始处也可能有 一小段较为平坦。此时波形的原点( 真正的起始点) 在时间轴上不容易确定。电 压波的峰值点，由于比较平坦，在时间上也不容易确定。i e c 和国家标准采用了 如图2 - 1 所示的办法来求得视在原点o 。，再从0 。算起求出波前时间l 和半峰值时 间z 。若在峰值附近含有振荡或过冲时，在振荡频率f 大于或等于0 5 m h z 或过冲 之半周期时间不大于i 肛s 时，如图2 2 所示，用平均曲线来确定试验峰值电压。 若此振荡频率f 低于0 5 m h z 或过冲之半周期大于1 p s ，则试验的峰值电压即为波 形之峰值电压。对于靠近峰值附近的电压过冲或振荡，只要其单个波峰的幅值不 超过峰值的5 ，是可以容许的。在冲击峰值的5 0 以下时，对于叠加的振荡，只 要其单个波峰的幅值不超过峰值的2 5 ，是可以容许的。标准冲击波与实测冲击 波之间的允许偏差( 注：并不是指测量误差) 为：峰值一3 ；波前时间t 一 3 0 ；半波值时问l 一2 0 。根据此规定，标准的l 为i 2 p s ；标准的z 为5 0 t j _ s 。 若t 处于0 8 4 p s i 5 6 1 j _ s 之间，霉处于4 0 肛s 6 0 p s 之间，则均符合标准波的要 求。 雷电冲击电压截波如图2 3 和图2 4 所示。雷电冲击截断时间z 是视在原点 与截断瞬间的时间问隔。截断期间电压跌落的视在特征以截断瞬间电压值的7 0 和1 0 的c 点和d 点来定义。电压跌落持续时间为c 点和d 点问时间间隔的i 6 7 倍。电压跌落的陡度为截断瞬间的电压与电压跌落持续时问之比。 7 华南理t 大学硕士学衍论文 图2 3 雷电冲击电压截波( 在波尾截断的雷电冲击) u 1 o 0 9 0 3 0 图2 4 雷电冲击电压截波( 在波前截断的雷电冲击) i e c6 0 0 6 0 一1 ：1 9 8 9 及国家标准g b t1 6 9 2 7 1 一1 9 9 7 所规定的操作冲击电 压波形如图2 5 所示。 图2 - 5 操作冲击电压波形 第二章雷电冲击电乐试验技术 图2 - 6 试验变压器内绝缘的操作冲击电压波形 它的波前时间瓦是从实际原点0 到电压峰值的时刻的时间问隔。半峰值时间 z 是指从实际原点到波尾下降到半峰值的时间间隔。还规定了9 0 峰值以上的时 间乃，乃是指冲击电压超过峰值9 0 的持续时间。规定的标准操作冲击电压的波 前时间乙为2 5 0 i _ t s 2 0 ，半峰值时间互为2 5 0 0 p s _ _ _ 6 0 。i e c6 0 0 7 6 - - 3 ：2 0 0 0 规 定了试验电压 ，3 3 0 k v 变压器及电抗器内绝缘的操作冲击电压波的波形如图2 6 所示。规定视在波前时间c 至少为1 0 0 “s ，通常不大于2 5 0 p s ，9 0 峰值以上时间 乃2 0 0 p s ，从视在原点到第一次过零时间t 5 0 0 肛s 。有关的国家标准所规定的 此类操作冲击电压波，基本上与上述i e c 文件相同，唯视在波前时间t 明确规定 为2 0 p s 2 5 0 p s ( 注：下限值即将改为l o o p s ) 。 按照试验标准并考虑到足够的裕度，冲击电压发生器的标称电压与被试设备 额定电压间的关系大致如表2 - i 所示。表中下限值满足形式试验需要，下限值供 研究试验用。 表2 1 冲击电压发生器标称电压与被试设备额定电压间的关系 试品额定电压k v3 5 1 1 02 2 03 3 05 0 0 冲击电压发生器标 称电压k v 0 4 0 60 8 1 5 1 8 2 72 4 3 62 7 4 2 9 华南理下大学硕士学位论文 2 3 冲击电压发生器的基本原理 对一般的非周期性冲击电压波可用( 2 - 1 ) 式的双指数函数表示 “( 力= 4 5 一龟) 式中：五一半峰值时间常数； 一波前时间常数 ( 2 - 1 ) 显然( 2 - 1 ) 式可以用两个储能元件的放电回路来实现。由于通常互 乞，故 在波前时间范围内e 呐z 1 ，则可将( 2 - 1 ) 式近似为 以力叫1 一龟) 这一过程完全可以由直流电源通过充电电阻向电容充电来完成。在半峰值时问范 围内r 牺z o ，则可将( 2 - 1 ) 式近似为 u ( t ) = a e - t 4 这一过程也可以由充满电荷的电容器通过放电电阻放电来完成。这样我们即可得 到单级冲击电压发生器的基本回路( 如图2 7 所示) 。其工作原理如下： 图2 7 单级波击电压发生器回路原理 c l 一主电容g 一负荷电容吃一波前电阻 b 一放电电阻一充电电压 爪 u ( t ) 彭 电容c l 经由直流电源缓慢充电，当电压达到一定幅值时火花间隙g 击穿。此 1 0 个i u l 第二章雷电冲击电压试验技术 间隙就象一个压敏开关，它的击穿时间与波前时间相比是很小的。火花间隙击穿 后，电容c 1 经电阻蜀向电容c 2 充电，形成波头；同时电容c l 、c 2 经电阻r 放电 形成波尾。 在实际的冲击电压发生器中，电容g 是由高压试验变压器产生具有一定幅值 的交流电压，通过整流装置产生的直流高压向其充电。图2 8 是一种单级冲击电 压发生器的电路图。球间隙击穿前，电容c l i j 的电荷为( j u o 。球间隙击穿后， 电容c 1 向q 放电，由于置上的电压降落，c 2 能充以的最大电压u ：。将很难达到充 电电压砜。当忽略q 经r 流失的电荷，则有 吣焘南 把。砜= ，7 称为冲击电压发生器的电压利用系数( 或称效率) 。 图2 8 单级冲击电压发生器电路图 r l 一高压器r 2 一高压试验变压器g 一球间隙 仞一高压硅整流器r 一限流电阻 不 u ( t ) 业 u z 的形状可表示成图2 - 9 。上升部分的快慢与墨有关，下降都分的快慢与r 有 关。q 小，上升快；r 大，下降慢。 图2 - 9c ：上电压u ：的曲线 t 华南理工大学硕士学位论文 理论上计，利用图2 - 8 所示的单级冲击电压发生器可以产生数千伏直至1 兆 伏左右的冲击电压。但是在很高的的电压下，球间隙、回路部件尺寸和直流充电 电源都会有许多困难，而且在充电阶段为抑制结构件和边线上的电晕放电也十分 困难，因此单级冲击电压发生器充电电压的经济限值约为2 0 0 2 5 0 k v 。当需要更 高的电压时，一般用多级冲击电压发生器产生。 多级冲击电压发生器的作用原理非唯心简单的概括为多级电容器并联充电、 然后自动串联起来放电，形成幅值很高的冲击电压波。这种基于马克斯( m a r x ) 原理的多级冲击电压发生器在实用中有许多不同的方式。图2 1 0 是一种典型回路 方式，它是六级发生器的接线。其工作原理如下： 图2 1 0 基于马克斯( m a r k ) 原理的多级冲击电压发生器 直流电压通过高值充电( 兼保护) 电阻月以及放电电阻( 同时也是充电电 阻) 向等容量的各级电容q 并联充电。是比小得多，其值与图2 - 8 中的冠大 小相当。经过一段时间的充电( 通常需几十秒至几分钟) 后，a 、b 、f 各点 的电位将均与直流电源的电位相等，对地电位为叫。因为充电时电阻风上的压 降很小可以忽略不计，此时g 、n 各点的电位仍可认为为地电位。发生器的点 火放电是由最低一级间隙g l 的击穿开始的，随后其余各级间隙也几乎同时击穿。 根据传统理论，即不考虑图2 1 0 中用虚线表示的杂散电容，这种快速击穿是由第 二及往后各级间隙上很高的过电压所引起的。当第一级间隙点火时，a 点电位从 叫迅速变成零，因而h 点电位就提高+ y 。若b 点依然保持在充电电位y ，则间 隙g ，上将出现吖的电压。这个很高的过电压将合该间隙击穿，而i 点电位升到 十2 y 。此时若c 点电位仍保持充电电位，则间隙g 上将有3 y 的电位差。然而，这 1 2 第二章雷电冲击电压试验技术 种传统的理论并不完全正确，因为a 、b 点和b 、c 点之间有电阻r ，b 和c 点电 位不能保持原有充电电位，它们会随相邻的a 和b 点电位而改变。到目前为止， 我们只是理解了此回路给出的输出电压与充电电压极性。 实际上，间隙g 的间距须速写为略大于间隙g 1 的击穿距离，否则它的动作就 不灵敏。对此现象较适当的解释为：在回路中存在杂散电容c 、c 和c 。电容c 由相邻级之间的电场所形成；电容c 的含义与c ，、c 相似，只是再隔一级的电 场所形成。c 为火花间隙的电容。若假设电阻为开路，则显而易见b 点电位将或 多或少由这些杂散电容所决定。忽略h 和c 点间的电容c ，并考虑到放电电容a 比杂散电容大得多，于是b 点可设想为c 和c ，0 所组成的电容分压器的中点。 因此a 点电压由叫升到零时将使b 点电位从y 升到电压k = - v + y ( 去 - 叫( 孟品 此时间隙g 上的电位差为 r 。、t ：= + y 一( ) = y 【1 + 孑+ c - r ，t + 歹j 若c 等于零。则g ，上的电压将达到它的最大值2 y 。实际上此间隙的电容c 是不 可避免的。如果c 7 和c ，都为零，则：将等于y ，此时g 2 就不可能击穿了。显然， 杂散电容的存在加强了冲击电压发生器动作的有利条件。通常电容c 7 和，为数十 皮法( p f ) ，因此这些杂散电容通过电阻的放电时间常数在1 0 - 7 1 0 - 8 s 。这样g 上的过电压只在短时间内出现，而击穿在数十毫微秒( 1 l s ) 内发生。此外，发生 器的输出端n 基本上保持零电位，因而在电阻b 上还会建立起附加的电压，这就 加强了以后各级上出现的暂态过电压。所以各级间隙相继击穿，最终在端点n 上 达到十6 y 的电压。若发生器为n 级，则产生的冲击电压可达n v 。 多级冲击电压发生器完全可以用单级来等效，对图2 8 和图2 1 0 ，其参数之 间的对应关系为：c 1 = c l 6 ，墨= 6 f ，r = 6 砭。另外人们习惯用冲击能量( w ) 来表示冲击电压发生器的负载能力，由电工原理可以得到( 对电容储能元件) ： w = c u 2 2 。对多级冲击电压发生器，当其单级充电电压为u 时，该冲击电压发 生器的标称能量为：w = n c u 2 2 ，式中n 为冲击电压发生器的级数。如果式中c 的单位取f ，u 的单位取y ，则的单位为，。 通常在变压器冲击试验中，可将试品等效为冲击电压发生器的电容负载( 被 试变压器的漏感较大时) ，这样在图2 8 中则可将g 看作试品电容、电容分压器 电容、截断装置电容等的组合。为分析方便可以用图2 - 1 1 、图2 - 1 2 和图2 - 1 3 来 等效代替实际的试验回路。 1 3 华南理工大学硕十学位论文 图2 1 1 冲击电压发生器等效回路 图2 1 2 冲击电压发生器等效回路( 低效回路) i i f 图2 1 3 冲击电压发生器等效回路( 高效回路) 以上等效图均忽略了回路的电感，实际上多级冲击电压发生器的放电回路是 很大的，不可避免的存在着电感。另外，当被试品为变压器等具有绕组的设备时， 冲击电压发生器的负载将包含有电感。考虑到这些电感，多级冲击发生器放电回 路的等值电路应该如图2 - 1 4 所示。 1 4 第二章雷电冲击电乐试验技术 r d l ， r f 图2 1 4 具有电感的放电回路 厶一发生器本体放电回路的电感；一被试品( 变压器、电抗器) 的电感； c 3 一发生器本体的对地电容 2 4 变压器试验 变压器在电网中运行时，除随正常状况下的电压和电流的作用以外，还要随 各种短时的异常的电压和电流的作用。因此变压器在设计和制造时必须考虑在异 常情况下有足够的安全可靠性。安全可靠性应包括电气绝缘强度；热性能；机械 强度等几面。 变压器的电气绝缘强度是变压器能否投入电网可靠运行的基本条件之一，变 压器中的任何部位如绕组；引线；开关等零部件的绝缘若有损伤，就可能引起整 台变压器的损坏，甚至会由此危及整个电网的安全运行。 变压器的电气绝缘强度所要考虑的问题是：要了解在电网中的变压器会遭受 到哪些种类的电压的作用，及用何种试验手段来检验变压器是否能承受住这些电 压的作用；要了解各个部件及其相应的各种结构承受电压作用的能力；要了解各 个部件所采用的各种绝缘材料及其结构的绝缘特性。 变压器上的作用电压的种类：变压器上通常有以下几种电压的作用 ( 1 ) 正常的工作电压： ( 2 ) 外部过电压； ( 3 ) 内部过电压。 正常工作电压即变压器在长期运行时的作用电压，我