（电工理论与新技术专业论文）变压器油温升高对其vfto下电位分布影响的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 气体绝缘变电站( g i s ) 中陡波前过电压( v f t o ) 对变压器的绝缘危害很大。本文 通过实验测得了不同温度时变压器油的介电常数。基于变压器线圈的多导体传输线 ( m t l ) 模型，由测得的变压器油介电常数以及变压器线圈的几何尺寸；运用有限元 法计算变压器线圈在不同温度时的电容、电感、电阻、电导参数。本文还研究了不 同温度时v f t o 下变压器线圈的电位分布，从而得出变压器油温度变化对其线圈电 位分布的影响规律。最后为了便于工程设计人员试验，本文还研究了用简单波形替 代复杂的v f t o 输入波形。经仿真验证，结果与原输入波形相符，验证了方法的正 确性。 关键词：g i s ，陡波前过电压，多导体传输线，介电常数，电位分布 a b s t r a c 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 ( m t l ) m o d e lb a s e do nt h er e p r e s e n t a t i o no ft h e w i n d i n g sb yi t si n d i v i d u a lt u r n si su s e dt oa n a l y z et h et r a n s i e n tr e s p o n s eo ft r a n s f o r m e r w i n d i n g su n d e rv e r yf a s t7 r r a n s i e n t0 v e r v o l t a g e ( v f t o ) i nt h i sp a p e rw eg e tt h e p e r m i t t i v i t yo ft r a n s f o r m e ro i lt h r o u g ht h ee x p e r i m e n tu n d e rt h ed i f f e r e n tt e m p e r a t u r e a v e r ) re m c i e n tm e t h o d ，t h es i m p l i f i e df i n i t ee l e m e n tm e t h o di su s e dt oc o m p u t et h e e l e m e n t a r yc a p a c i t a n c ep a r a m e t e r so ft r a n s f o r m e rw i n d i n g s b yt h ec a p a c i t a n c e p a r a m e t e r sw ec o m p u t et h ei n d u c t a n c e ，c o n d u c t a n c ea n dr e s i s t a n c ep a r a m e t e r so f t r a n s f o r m e rw i n d i n g su n d e rt h ed i f r e n tt e m p e r a t u r e i nt h i sp a p e rw eg e tt h ep o t e n t i a l d i s t r i b u t i o ni nt r a n s f o 彻e rw i n d i n g su n d e rt h ed i f f e r e n tt e n l p e r a t u r e t h u sw eo b t a i nt h e e f - f b c t so fp o w e rt r a n s f o r m e ro i lt e m p e r a t u r er i s e so np o t e n t i a ld i s t r i b u t i o ni nt r a n s f 0 r m e r w i n d i n g su n d e rt h ev e r yf a s tt r a n s i e n to v e r - v o l t a g e i no r d e rt of a c i l i t a t et h ee n g i n e e r d e s i g n e r s ，t h i sp a p e ra l s os t u d yt h es i m p l ew a v eo fv f t oi n p u tw a v e f o r m f o r v a l i d a t i o n ，t h ec a l c u l a t e dr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h eq u o n d a mr e s u l t so na t r a n s f o r m e rw i n d i n gm o d e la n dt h er e s u l ti ss a t i s f a c t o l ib o ( e l e c t r i c a le n g i n e e f i n gt h e o r ya n dn e w t e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f l i a n gg u i s h u k e y w o r d s ：g i s ，v f t o ，m t l ，p e r m i t t i v i t ) r ，p o t e n t i a ld i s t r i b u t i o n 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文变压器油温升高对其v f t o 下电 位分布影响的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的 研究工作和取得的研究成果。据本人所知，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，也不包含为获得华北电力大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一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：垄叠 日期： 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、缩印或其它复制手 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：巷博导师签名： 日期：兰! ! 生! 旦! ! p 日期： 銎蔓杉 如艿多f7 华北电力大学硕士学位论文 1 1 陡波前过电压( v f t o ) 1 1 1v f t o 的产生 第一章绪论 全封闭组合电器，又称气体绝缘变电站( g a si n s u l a t e ds u b s t a t i o n ，简称g i s ) 具 有结构紧凑、体积小、占地少、运行可靠、维护工作量少、对环境污染小等优点， 为城市和人口稠密地区以及大型水电工程建设节省用地创造了条件，所以在电力系 统中得到越来越广泛的应用。在g i s 隔离开关操作过程中，由于隔离开关两端电位 不同，可能发生触头间隙的起弧与灭弧，在线路上发生行波的折、反射，这些行波 通过g i s 以及与之相连接的设备( 如变压器) 传播，在每次阻抗突变时，各入射波 部分被反射，部分被折射，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，又称特快速暂态过电压( v 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 ，简称v f t o ) 【。此波形包括多个频率段，各个频率段的电压 幅值不同，此电压波形传到变压器中，可能造成绝缘事故。 陡波前过电压主要包括内部陡波前过电压、瞬态外壳电压和外部陡波前过电压 三种【2 1 。在g i s 内高压导体或管道和外壳之间产生的v f t o 称内部陡波过电压；出 现在g i s 外部及g i s 以外设备上或设备内的陡波前过电压称之为外部陡波前过电 压；在g i s 外壳和地之间产生的陡波前过电压称为瞬态外壳电压【3 1 。 1 1 2v f t o 的波形特点与产生机理 v f t o 波形包括多个频率段，波形比较复杂，通常由四个分量组成【4 1 ： ( 1 ) 阶跃电压； ( 2 ) 由于g 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( 最高达1 0 0 m h z ) ； ( 3 ) 由于g i s 母线管道和电缆末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( 0 1 5m h z ) 。 因此，内部陡波前过电压的波形取决于g i s 的内部结构和外部配置。此外，由 1 华北电力大学硕士学位论文 于陡波前过电压的行波特性，其波形随位置不同可能有很大的变化( 在某些情况下， l 米的距离就会造成显著的变化1 4 1 ) 。通常情况下，并不是因为v f t o 幅值特别高， 而是其高频振荡的电压波对变压器的绝缘和系统的正常运行造成危害【5 1 。 1 1 3v f t o 对变压器绝缘的影响 当g i s 进行断路器、隔离开关等开关操作时，产生的陡波前过电压极有可能引 起g i s 内部设备及与g i s 相连的电力系统高压设备的绝缘事故【6 】。决定该类绝缘事 故的主要因素有【7 副： ( 1 ) 开关在操作期间的动态绝缘特性； ( 2 ) 高压设备的绝缘介质在v f t o 作用下的绝缘耐受能力。 通过对v f t o 的产生机理、波形及传播途径的分析可知，v f t o 的特性与高压 设备耐压试验所采用的雷电冲击波和操作冲击波的特性有很大不同。尽管制造商已 掌握了对高压设备( 如变压器) 在标准雷电冲击波和操作波作用下的各种绝缘数据， 但是，由于v f t o 的高陡度及其高频振荡特性，它会怎样影响绝缘强度，绝缘的击 穿强度是多少，绝缘裕度应当怎样选取等等问题，制造者和设计者目前还不十分清 楚【9 1 。 在各种电力设备中，变压器受v f t o 影响非常大，因为v f t o 电压波频率高， 当幅值不是特别高时，甚至不足以使变压器入口避雷器动作的情况下，就可能侵入 变压器，造成匝间绝缘的破坏。因此不论是与g i s 直接连接的还是非直接连接的变 压器，其内部的绝缘都会受到很大的威胁。但是当变压器不是直接和开关相连接的 时候，v f t o 会有一定削弱。由陡波前过电压引起的绝缘击穿事故已在许多国家电 网中出现，如美国电力系统( a c 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。对于v f t o 造成的变压器内部的绝缘击穿， 其原因就目前的研究而言，可以归纳为以下两个方面【1 0 ，1 1 】： ( 1 ) 在开关触头击穿瞬间产生的v f t o 到达变压器时，在变压器端部加上了一 个陡波头波，对直接连接的变压器，其上升时间可能只有数十n s ，远远低于雷电冲 击波试验时的波头上升时间( 约为1 2 j ) ，该陡波的波头在变压器绕组上造成极不 均匀的匝间电压分布，大部分电压降落在靠近入波端的一小部分线圈或导体上，电 位梯度极大，危害较大。对非直接连接的变压器，因为经过了其它的设备，陡波头 趋于平缓，其作用与雷电冲击波相近。 ( 2 ) v f t 0 中含有的振荡谐波的频率与变压器中的若干固有振荡频率匹配，从而 引起谐振，产生幅值很高的高频谐振过电压，导致绕组与铁芯以及匝间的绝缘破坏。 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，故 2 华北电力大学硕士学位论文 匝间绝缘在高频振荡情况下显得很脆弱。 1 2 本课题国内外研究概况 1 2 1 变压器暂态过电压 目前，对变压器暂态过电压的研究，国内外主要有以下几种方法： ( 1 ) 产品测量法：对实际变压器产品进行线圈冲击暂态电压分布测量。这种方法 的优点是直观，缺点是很难测量变压器内部线圈各点的响应情况，故很难找出其分 布规律。另外，这种方法在产品设计阶段无法使用。 ( 2 ) 模拟测量法：在制造变压器产品之前，先设计生产出一台变压器的实体电磁 模型，然后对模型进行测量。此法最大的缺点是每制造一种新型变压器，都要花费 大量的资金和时间，使得变压器成本大大增加，因此限制了该方法的可行性。 ( 3 ) 仿真技术：随着计算机的出现和迅速发展，利用数值方法研究变压器线圈 暂态电压分布成为可能。该方法通过建立合理的变压器数学模型，再利用计算机技 术对变压器暂态响应特性进行分析研究。这是目前最为方便、灵活、经济的方法， 已被越来越多的国家采用，也是本课题将采用的方法。 1 2 2 变压器模型的建立 建立合适的变压器线圈等值电路模型是进行快速暂态仿真的关键。变压器线圈 建模的方法有场的方法【12 1 、场一路结合的方法【1 3 1 和路的方法【1 4 郴1 三大类。但由于变 压器线圈的缠绕结构复杂，采用前两种方法计算量庞大。将“场 问题简化为“路 来求解，可有效地减少计算量。实验和仿真结果的吻合表明，从工程应用的角度来 说这种简化是合理、可以接受的。因此，实际中主要采用路的方法。 上个世纪9 0 年代，f r a n c i s o 、l e o n 和s e m l y e n 等人提出了一种三相变压器等值 电路模型，该模型采用模拟电荷法计算电容，利用镜像法计算电感，铜损采用f o s t e r 电路拟合，铁损采用非线性电感c a u e r 电路拟合，利用磁路模型考虑相间耦合并采 用对偶原理将其化为电路形式f l d l 。玎：该模型的一个特点是还可以较容易地化为端口 模型【1 8 】。国内王赞基等人提出计算变压器线圈快速暂态分布的频域分析模型【19 1 。 分析方法是以改进傅立叶变换为基础的频域法，并且参数是频率相关的。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【1 9 】。即对于线圈 首端关键部位以线匝为单位采用多导体传输线( m t l ) 模型，而线圈的其它部位以线 饼为单元进行建模。 频率高的时候，线匝长度相对电磁波的波长已经不能忽略，因此需要采用分布 华北电力大学硕士学位论文 参数理论建立变压器绕组的高频模型1 2 0 。2 1 1 。建立变压器绕组的电路高频模型主要有 两种方法：基于多端口网络理论建立变压器线圈的集中参数电路模型；通过分割变 压器线圈为若干单元来建立详细的内部模型1 1 9 。2 1 1 。文献【15 1 采用集中参数元件构造 模型，在最容易损坏的前几匝线圈，每匝线圈为一单元构造模型，其余线圈以两饼为 一单元，但是文中实验验证的输入波采用波前时间为j 级的雷电波，而v f t o 下波 前时间达到n s 级；文献【2 l 一2 2 】将变压器的每一匝线圈看成一条传输线，建立了绕组 的全多导体传输线模型，可以详细反映变压器线圈的电磁过程。 1 2 3 变压器的热性能分析 当变压器的线圈通电后，线圈所产生的磁通在铁芯中流动，因为铁芯本身也 是导体，在垂直于磁力线的平面上就会感应电势。这个电势在铁芯的断面上形成 闭合回路并产生电流，好像一个旋涡，所以称为涡流。这个涡流使变压器的损耗 增加，并且使变压器的铁芯发热，变压器的温升增加。由涡流所产生的损耗称为 铁损。另外，要绕制变压器需要用大量的铜线，这些铜导线存在着电阻，电流流 过时电阻会消耗一定的功率，这部分损耗变成热量而消耗掉，称这种损耗为铜损。 所以，变压器的温升主要是由铁损和铜损产生的。 变压器在运行时产生的损耗以热的形式通过油、油箱壁和散热器散发到周围 的空气中。热量的散发通过导热、对流和辐射三种形式。具体地说，从线圈和铁芯 的内部到其表面热量主要靠导热形式散发，从线圈和铁芯表面到变压器油中热量 主要靠对流的形式散发。散发到变压器油中的热量使油箱中的变压器油温度上升， 密度下降，产生热浮力，而变压器油在热浮力的推动下，从油箱上部进入连接油管， 通过油管进入散热器。变压器油在散热器中经过和外面空气的热交换，使散热器 中的变压器油温度降低，从油箱下部进入连接油管，通过油管重新进入变压器油箱， 形成自然循环。在这个循环中，热量从变压器油传给油箱和散热器内壁，由油箱和 散热器内壁传到外壁，然后主要通过对流和辐射形式散到空气中。 目前国内外主要研究人员主要集中在变压器线饼的平均温度分布、最大温升的 研究以及变压器线圈的等值电路模型的研究。w z b l a c k 【2 3 j 等人对一个强风冷却油浸 变压器各部分温度进行了计算，并考虑了太阳辐射的影响。r a m s i s 【2 4 j 等人对铁芯的 最热点和铁芯的温度分布进行了分析计算，经试验验证与实际较吻合。英国的 a j o l i v e r 【2 5 】和日本的伊奈照夫【2 6 】等分别于1 9 7 4 年和1 9 8 1 年完成了强迫导向油循 环冷却线圈中的油流分布和线饼温升分布的研究。国内王秀春提出一种求解变压器 中导向油流量和油温升的数值方法【2 7 l 并用实例做了验证。 长期以来，人们对于变压器中电、磁和力方面的问题已经进行了大量的研究， 至今已能很好地揭示这些现象的物理状况，并已有了足够精确的数学描述。然而对 4 华北电力大学硕士学位论文 变压器运行产生的热量对变压器本身参数的影响的研究较少。究其原因，一方面是 热问题没有引起足够的重视；另一方面它涉及电磁学等边缘科学，其复杂性和难度 也限制了其自身的发展。随着社会、经济的发展，人们对变压器的要求也不断提高。 在超大容量变压器不断涌现的同时，变压器的散热问题也不断突出。因此本文对变 压器温度升高是否会对v f t o 作用下线圈内部的电位分布产生影响进行了研究。 1 3 本文完成的主要工作 在变压器设计和制造过程中，工程人员提出，变压器温度升高是否会对v f t o 作用下线圈内部的电位分布产生影响，鉴于此，本文主要研究了电力变压器温度升 高对其v f t o 下电位分布的影响，确定不同温度时变压器在v f t o 作用下线圈内部 的电位分布，这对于改进变压器的绝缘设计从而提高变压器在电力系统中的稳定运 行起到重要的作用。 本文的具体工作包括以下内容： ( 1 ) 通过实验测得不同温度时变压器油的介电常数。 ( 2 ) 由( 1 ) 中测得的介电常数运用有限元法计算不同温度时变压器线圈的电 容参数，并根据计算出的电容参数得到计算所需的不同温度时的其它参数。 ( 3 ) 计算不同温度时v f t o 下变压器线圈的电位分布。 ( 4 ) 研究了v f t o 输入波形的替代波形。 华北电力大学硕士学位论文 2 1 变压器基本知识 第二章预备知识 变压器是一种静止的电气设备，它是利用电磁感应原理把一种电压的交流电能 转变成同频率的另一种电压的交流电能。在电力系统中，变压器是一个重要的电气 设备，它对电能的经济传输、灵活分配和安全使用具有重要的作用。 2 1 1 变压器的结构 变压器的基本结构如图2 1 ，包含五大部分，即铁芯、线圈、油箱、器身和附 件。随着变压器技术的发展，其结构越来越趋于复杂。下面对电力变压器的结构概 括作一介绍。 铁芯在变压器中构成一个闭合的磁路，又是安装线圈的骨架，对于变压器电磁 性能和机械强度是极为重要的部件。铁芯材料主要有铁片、低硅片、高硅片。在钢 片中加入硅能降低钢片的导电性，增加电阻率，它可减少涡流，使其损耗减少。通 常称加了硅的钢片为硅钢片。铁芯的片形种类很多，主要有矩形、梯形、v 形、四 边形等。 变压器线圈构成设备的内部电路、它与外界的电网直接相连，是变压器中最重 要的部件，常把线圈比做变压器的“心脏 。当线圈与铁芯套装在一起时，既组成 变压器本身，又构成电磁感应系统，可以得到所需的各种电压和电流。线圈是由导 线绕制而成，有铜导线和铝导线，每层导线之间覆盖不同类型的绝缘层，这些绝缘 层的作用是构成线圈的匝绝缘。线圈的基本结构是采用包有绝缘层的导线缠绕在绝 缘骨架上，构成圆柱形或方形并包括：出线端、调压分接头、绝缘筒、撑条、垫块 和绝缘纸等。线圈的结构类型可分为层式和饼式两大类，其中饼式又可分为连续式 和纠结式等。 变压器的油箱既是变压器的外壳和侵油的容器，又是变压器总装的骨架，因此 油箱起到机械支撑、冷却散热和绝缘保护的作用。由于变压器容量、电压等级以及 使用场所的不同，需要设计不同的形状，常见的有圆筒形、管状油箱、箱形油箱等。 油箱外表装有温度计、吸湿器、继电器等零部件。 变压器附件是变压器不可分割的一部分，是保证变压器正常运行的关键。附件 质量的优劣直接影响变压器的整体质量。主要包括冷却装置、保护装置、调压装置、 出线装置和测量装置五大部分。 6 华北电力大学硕士学位论文 2 1 2 变压器的绝缘 图2 1 变压器结构示意图 绝缘水平是变压器能够承受住运行中各种过电压与长期最高工作电压作用的 水平。油侵式变压器的绝缘主要是外绝缘和内绝缘两大类。外绝缘是指箱外套管本 身外绝缘以及套管与地间的绝缘，外绝缘主要由陶瓷制成。内绝缘是指变压器箱内 的绝缘，绝缘结构如图2 2 所示。内绝缘的主要部件是由绝缘纸、绝缘纸板等材料 制成，与变压器油配合构成变压器油纸绝缘结构。 内绝缘主要包括主绝缘和纵绝缘，主绝缘是线圈及引线对铁芯、对地和对其他 线圈之间的绝缘，也就是变压器内各有关部件的绝缘。纵绝缘是同一线圈内各点之 间或与其相应引线之间的绝缘，包括匝间绝缘、饼间绝缘、段间绝缘以及引线彼此 之间的绝缘。 变压器的绝缘材料有气体、液体、固体三大类型。气体绝缘材料包括空气、s f 6 、 n 2 以及混合气体等：液体绝缘材料常用的是变压器油；固体绝缘材料包括绝缘纸板、 橡胶、木材、陶瓷等。 对于本文研究的油侵式变压器中使用的绝缘材料应该有良好的电气性能，电阻 率高，耐电压值高，介电常数越接近变压器油的介电常数越好；要有足够的机械强 度，在一定力的作用下不发生变形和破坏；要有足够的耐热性能，极小的介电损耗， 较高的导热系数以及较小的收缩率。 7 华北电力大学硕士学位论文 瓜t ( 也可用弹冀压r 簟组与俄心 两蟥。 膏蓐毒曩 鼍嘴组 ，压钉绝t _ 二： 绝缘式金忍压饭 上铁辘绝簟 囊组笼 囊环 静蟒 引【绷l 麟 曩 他绝： 相同焉扳 夏i 啊奠炫 慧姒何垮i t 穗组绝缘 下接轭绝维 2 2 有限元软件f e m m 图2 2 油侵式变压器绝缘结构示意图 f e m m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o dm a g n e t i c s ) 即磁学有限元软件【2 8 1 是由d a v i dm e e k e r 开发的，用来分析二维或者轴对称的低频磁场和静态电磁场的有限元法计算软件 包。该软件包包括四个主要部分：图形预处理部分，网格剖分，计算部分和图形后 处理部分。 预处理程序( f e m m e e x e ) ：用户对所研究的问题进行几何图形处理、定义介质属 性以及规定边界条件等；该部分生成的图形文件与a u t o c a d 图形文件兼容；故用 户可以方便的获得和生成结构图形。 网格剖分程序( t r i a n g l e e x e ) ：该部分主要是把需要计算的区域剖分成很多三角 形，便于计算和处理。 计算部分( 伙e m e x e ) ：该部分用来处理二维或者轴对称的磁场和静电场问题。主 8 华北电力大学硕士学位论文 要是通过一些与问题相关的数据文件从而解决与其对应的麦克斯韦方程( m a x w e l l s e q u a t i o n s ) 。 后处理部分( f e m m v i e w e x e ) ：该部分为图形程序，其结果以等位线和密度的形式 显示出来。同时，该程序还允许用户对任意点进行分析，可以对感兴趣的区域进行 积分。 另外f e m m 软件包的预处理和后处理部分还集成了l u a 语言2 9 1 。l u a 语言是一 种扩展程序语言，用来支持数据处理程序。其作用是镶嵌在主体程序中使其更为简 化。主体程序能够调用函数来执行l u a 代码，能够读写l u a 变量。应用l u a 语言可以 方便地进行画图以及进行图形处理。f e m m 软件包中所有用户界面完成的部分均能 通过l u a 语言编程完成。 2 3 多导体传输线的基本知识 当信号频率提高时，导体的长度相对电磁波的波长不能忽略，就需要应用传输 线理论【3 0 】研究问题。传输线是约束电磁波沿着规定方向传输能量和信息的系统。传 输线的几何长度，与电磁波的工作波长九之比值l 名称为传输线的电长度，通常把 1 见 0 0 5 的传输线称为长线。这时传输线导体上存在的损耗电阻，两导体间介质损 耗产生的电导、传输线的自感以及两导线间的互电容，这些量沿线分布，因而这些 量称为分布参数。在传输线方程的建立以及分析中，最基本的假设是所分析的传输 线为t e m 结构，即电场和磁场的方向为横向。传输线的数学表达形式为电报方程， 其时域形式为 i 宴：喇一三鱼 巩 研 恪地一c 詈 其中，r ，g ，厶c 分别为传输线单位长度的电阻、电导、电感、电容。如果初始电压、 电流值为零，频域电报方程可写成下列形式 f 警- - ( 州础) 仁一独 l 芋_ ( g + 删晦一形 其中z = 尺+ 歹为单位长度的串联阻抗，】，= g + 弘c 为单位长度的并联导纳。 2 4 变压器分布参数模型的建立 为了建立变压器线圈的多导体传输线( m t l ，m u l t i c o n d u t o rt r a n s m i s s i o nl i n e s ) 9 华北电力人学硕士学位论文 模型，对变压器线圈进行如下理想化假设： ( 1 ) 认为线圈的平均直径远大于其幅向尺寸( 线圈的径向宽度) ，因而可以忽略线 匝弯曲的影响，且所有线匝的长度近似相等( 取平均值，即平均匝长) 。 ( 2 ) 认为线饼间连线及电压源引线充分短，因而可以忽略它们对电磁场分布的 影响。 ( 3 ) 认为线圈的平均匝长大于所分析线圈的截面尺寸，因而认为电磁波沿线匝 传播过程在同一子午面上是瞬时建立起的电磁场分布，即忽略电磁波沿轴向、径向 的延时效应。 根据上面的假设，可将线圈在线端处沿子午面剖开，将线匝展成直线，每一线 匝成一根“传输线”。对于连续式线圈模型，这些传输线按线圈绕制关系首尾相连( 如 图2 6 所示) 。为了方便，以下仍将“传输线称为线匝。规定线匝按电气联接顺序 编号。当线匝连接顺序改变时( 线圈类型改变) ，线匝编号随之改变。这样，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 + l 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，边界条件总数为2 n 个。 虮( 1 ) u ( 2 ) ( 1 ) ( 2 ) = ，皇兰一篙， ( ) 之型竺二二二生塑2w 1 沿用传统的建立m t l 方程的方法，可得 掣一砌沪l 掣0 xo l 掣一g u 沪c 掣戗 优 1 0 ( 2 - 1 ) 华北电力大学硕士学位论文 其中u ( x ，r ) 和i ( x ，f ) 是沿线分布的n l 的电压、电流列向量r ，l ，c ，g 分别 是单位长度上的电阻、电感、电容和电导矩阵。 l 掣：一( r + s l ) i ( x ，s ) ：一z ( s ) i ( x ，j ) 。寥、 ( 2 2 ) l 望! 穹生堕：一( g + j c ) u ( x ，s ) ：一y ( j ) u ( x ，s ) 。 l 以x z 和y 分别是n n 串联阻抗矩阵和并联导纳矩阵。 对于图2 6 所示的连续式线圈的m t l 模型，其边界条件可以描述为 f ，( f ) = f 。( f + 1 ) 甜，( f ) = “，( ，+ 1 ) f = 1 ，2 ，l ，n l “。( 1 ) = 甜。( f ) ( 变压器入口v f t o 波形) 上式中下标，代表线匝末端，s 代表线匝首端。最后加上线圈最后一匝末端的边界 条件，根据线圈末端边界条件的不同( 可能是直接接地，悬空，经过阻抗接地等) ， 添加不同的边界条件方程( 可能是电压为零，电流为零，或电压和电流满足一定的约 束条件) 。 求解m t l 上的电压电流分布情况，通常可分为下列三个步骤【3 1 1 ： ( 1 ) 从静电场的角度出发，计算传输线分布参数模型的单位长度参数。 ( 2 ) 从电路角度建立m t l 方程并添加边界条件； ( 3 ) 求解第二步中在边界条件约束下的m t l 方程。 2 5 变压器线圈单位长度参数的计算 2 5 1 电容参数的计算 在通常的变压器中，绕组是由几十个线饼组成的，而每个线饼又是由几十个线 匝构成的。每个线匝有匝间电容c f 、饼间电容e 以及靠近铁芯的边匝的对地电容c 掌， 其它线匝的对地电容被边匝屏蔽，故忽略不计。图2 4 给出了变压器绕组中的等效 电容分布情况。 删2 4 变压器绕组中的等效电容分布示意图 文献 2 2 中使用有限元软件f e m m 计算静电场中变压器线匝间储存的能量，计 算时候激励导体加l v 电压，其余导体电势为零，可以由如下公式计算电容 毛“。= 一 其中为第，个激励导体产生的能量，为与激励导体之间有电容的导体编号。通 过有限元计算软件f e m m 很容易可以得出。 为了具体说明电容参数的计算，现对图4 2 中导体5 施加1 v 电压，其余导体电 压设为零。则可以得到下面的表达式 ；e u ：+ ；t 嵋+ ；c u j + c u ：= 暇 ( 2 - 3 ) 其中，乩：= 址。= 以。= u 。= 1 v ，睚为由导体5 产生的能量。 对图中导体4 施加l v 电压，其余导体电压设为零。则可以得到下面的表达式 ；c a 叱+ ；e 叱+ ；c a 峨+ ；e 氓= ( z _ 4 ) 其中，u ，= u ，= 乩，= u 。= 1 v ，暇为由导体4 产生的能量，以。表示导体4 对铁芯的电压。 同理，对图中导体8 施加l v 电压，则可以得到下面的表达式 ；e 比+ ；g 嵋+ ；c = ( 2 _ 5 ) 其中，“，= “，= q 。；1 v ，为由导体8 产生的能量。 由式( 2 3 ) 、( 2 - 4 ) 和( 2 5 ) 组成方程组，整理可得 华北电力大学硕七学位论文 三5 5 三5 量 = 要妻 c 2 6 ， 求解方程组( 2 6 ) ，可得所需的匝间电容c ，、饼间电容e 以及对地电容c g 。由 i o o o e + q + 延 【 三三三 墨 昙专 o 0 0 0 0 g + g + e o o 0 0 0 0 驾+ c 计算电阻参数，必须考虑高频下的集肤效应。高频时单位长度电阻【3 4 1 为 r = r + b 其中，r 表示静态情况下的电阻，b 是由于集肤效应导致的频变电阻。 足= 芴 ( 2 - 7 ) 式中 艿：三 刍生 2 ( 4 + 破) 碣，吐分别为矩形导体横截面的长和宽，仃为导体的电导率，为对应的频率。 为了把频域的线圈模型转化到时域，需要对频变电阻做如下处理，把= 叫2 厅 代入r 表达式( 2 - 7 ) 中 其中 把j = j 代入上式 足= 蒜= 赢高 彤= 赤 、牌= 群石 、2 刀 1 。( 2 - 8 ) 。吾。 华北电力大学硕士学位论文 r = 石= 蔫屈= 孚硝嘶- j ) ( 2 9 ) 2 5 3 电感参数的计算 计算前提： ( 1 ) 一般认为在频率超过1m h z 时，铁芯中的磁通可以忽略； ( 2 ) 变压器绕组由无损耗的m t l 构成，并且绝缘物质是均匀的。 同电阻参数类似，高频时电感参数【3 5 】也是由两部分构成。 三= 厶+ 厶 其中，丘是低频情况下的电感，厶是在高频时由于集肤效应造成的电感。丘的计算 公式为 厶= 一c 其中，c 为上文所计算的电容矩阵，为绝缘材料的相对介电常数，c 为光在真空 中的速度，取c = 3 1 0 8 i i l s 。厶其表达式【3 6 1 如下 厶：生 其中，r 为电阻的频变部分，国为相应的频率。 线圈的串联阻抗为 z 2 1 + 5 之2 急+ 冬t ：卜( t + 厶) 2 r + j 国厶+ b + j 彩厶 ( 2 1 0 ) = r + j 国丘+ b + j 匙 、 把b 的表达式( 2 3 ) 代入上式，可以得到 z = 民+ s 丘+ 撖以( 2 11 ) 上式右侧前两项可以使用反拉氏变换直接化到时域，第三项通过矢量匹配和递 归卷积处理。 2 5 4 电导参数的计算 电导参数g 可以由下式【3 5 】决定 g ：旦c 其中，仃是导体电导率；占是周围介质介电常数，c 是电容。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 根据文献【3 0 】，当频率低于吉赫兹的时候，电导受频变因素的影响可以忽略， v f t o 信号最高在百朋勉，所以本文不考虑电导的频变。 华北电力大学硕士学位论文 第三章变压器油介电常数的测量 3 1 介电常数的概念 介电常数【3 2 】是表示电介质在外电场作用下电极化性的物理量。当把电介质插入 电容器的极板间时，在电场的作用下，电介质表面出现正负电荷( 称为极化电荷) ， 即发生极化现象。由于极化电荷是由电介质中的束缚电荷发生微小移动而产生的宏 观效果，在数量上比导体表面的感应电荷要少得多，所以极化电荷在电介质内产生 的附加电场不能把外电场全部抵消，而是略有削弱，因此电介质能起到减弱电场、 增大电容的作用，这种特性可用介电常数来定量表示。介电常数是物理学中较重要 的物理常数之一，不仅在电磁学中有着重要的作用，而且在工程技术中也常常用来 表明各种电介质的电性能。 3 2 变压器油 变压器油是天然碳氢化合物的混合物，主要由烷烃，环烷烃，芳香烃等烃类组 分组成，生产变压器油的原油主要可分为石蜡基原油和环烷基原油，变压器油性能 在一定程度上取决于油基的组分和精炼程度。变压器油存在燃烧的可能性，使用处 置过程中对环保生态方面有所影响。但由于变压器油具有性能优良和价格低廉的特 点，目前绝大多数的电力变压器仍使用变压器油作为绝缘和冷却介质。变压器油还 具有以下特点，因而得到广泛使用。 ( 1 ) 和绝缘结合使用，具有较高的击穿电压，可以减少绝缘距离，降低成本。 ( 2 ) 变压器油的黏度低，传热性能良好，使充油设备有良好的热循环回路， 以达到冷却散热的目的。 ( 3 ) 隔绝设备( 铁芯和线圈) 绝缘与空气的接触，防止绝缘受潮，减缓设备 老化，延长设备使用寿命。 变压器油电气性能【3 3 】包括击穿电压，介质损耗因数，体积电阻率以及变压器油 的析气性等。 击穿电压是检验变压器油耐受极限电应力状况的一项重要指标，可用来判断变 压器油含水和其他悬浮物污染的程度，检验注入设备前油品干燥和过滤程度。影响 变压器油击穿电压的主要因素是杂质、温度、电场状况和电压作用时间等。 变压器油的介质损耗是指在油浸变压器中存在高压电场时，变压器油介质中的 功率损耗。通常以介质损耗角6 的正切值t a i l 艿表示，t a i l 万又称作介质损耗因数。介 1 6 华北电力大学硕士学位论文 质损耗因数越大，变压器油的功率损耗越高。变压器油的绝缘特性的优劣由介质损 耗因数决定。影响油品介质损耗因数主要有以下几方面的因素3 3 1 。 ( 1 ) 温度对介质损耗因数的影响较大，因为介质的电导是随温度变化而变化的。 当温度升高时，介质的电导随之增大，漏电流也会增大，故介质损耗因数增大。 ( 2 ) 介质损耗因数与施加的电压有关，当实验电压提高时，因介质在高电压作 用下产生了偶极转移，而引起电能的损失。因此，介质损耗因数随电压的升高而增 加。 ( 3 ) 与油的净化程度和老化深度有关。由于净化的不完全，而使油中残存有机 酸类、金属等极性物质，在电场作用下容易极化，增大油的电导电流，使油的介质 损耗因数增大。 介质传导电流的能力称为电导率，电导率的倒数则称为介质的电阻率。体积电 阻率是表示两电极间变压器油单位体积内电阻率的大小，通常以p 表示。影响油品 体积电阻率主要有以下几方面的因素。 ( 1 ) 温度的影响。一般绝缘油的体积电阻率是随温度升高而降低的。温度改变 油的黏度，温度升高时油的黏度减小，从而使油的电导性能加强，体积电阻率减小。 ( 2 ) 当变压器油中的微量电离杂质和胶体杂质使油的电导大为增加，体积电阻 率也就大为降低。 变压器油在受到强度足以引起油、气交界中的气体相放电的电场作用时，变压 器油本身表现出吸收或放出气体的现象，称作变压器油的析气性。目前国内外普遍 采用的析气性的测定标准有i e c 6 0 6 2 8 一1 9 8 5 、a s t m d 2 3 0 0 1 9 8 l 、g b t l1 1 4 2 一1 9 8 9 。 由于变压器油在运行使用条件下要逐渐的老化变质，生成一系列有害物质，对 设备的安全运行构成威胁。为防止油品老化，应采取一系列防老化措施，减缓老化， 延长其使用寿命，从而保证设备长期安全运行。防老化措施【3 3 】主要包括如下几个方 面。 ( 1 ) 油中添加抗氧化剂，以提高油的氧化安定性。 ( 2 ) 安装净油器，净油器是一种利用吸附剂对运行中的油进行连续吸附净化 装置，对油品有防劣作用。 ( 3 ) 充氮保护，该措施主要使油面与大气隔绝，消除空气中氧气及水分的侵 入，减缓油品的老化。 ( 4 ) 采用全密封油保护系统以及加强各个环节的油务管理和监督。 1 7 华北电力人学颂0 学何论文 33 变压器油介电常数的测量 本文通过奥地利保尔公司生产的d t i ，型介损测试仪，如图31 所示，对变压器油 的介电常数进行测量，实验用油为克拉玛依炼油厂生产的变压器新油。 331 实验装置 ( a ) 俯视图 倒3 i 实验装置 d t l 掣介损测试仪是一种新型的绝缘液体( 如变压器油、电容器汕、电缆油等) 介损全自动测试仪。测量系统是全自动的可以测量介质损耗因数t 柚占，相对介电 常数s ，以及体积电阻率p 。实验装置符合i e c 2 4 7 ，v d e 0 3 7 0 ，a s t m 9 2 4 等实验标准， 本实验装置具有如下特点： ( 1 ) 空杯自动校准。 ( 2 ) 内置交流电压源：5 0 0 ，2 0 0 0 v ：直流l 乜压源：1 2 5 r 5 0 0 v 。 ( 3 ) 实验频率5 0 k 或6 0 胁可选 ( 4 ) 相对介电常数f ，的可测范刚10 1 00 ；乜n 6 的可测范围：4o 1 l o ；p 的 可测范同2 5 m n m 2 0 t n m 。 ( 5 ) 高频电磁感应加热油杯，短时均匀加热，通过置于测量电极内的探针卣接 测量温度，不存在过温现象。 ( 6 ) 快速测量，自动排油；在测量同质量类油品时，不需要进行沈油杯，烘r 等繁琐1 作。 ( 7 ) 易操作，按照已选定的试验标准或单独选择的试验参数自动测量介质损耗 因数，体积电阻率和相对介电常数。 华北电力大学硕士学位论文 ( 8 ) r s 2 3 2 界面。 油杯m c 2 a 是由高等级的v 2 a 材料制成的三电极油杯，符合i e c 2 4 7 标准。根 据相应标准的推荐，采用石英玻璃绝缘环作为测量电极的绝热层。油杯通过带有检 测单元的电磁阀进行排空。油杯容量为4 5 m l ，电极间距2 m m ，空气中耐受电压 2 0 0 0 v ，空杯电容7 0 p f ，油样粘滞度在2 0 时最大为1 5 0 c s t ，工作温度5 到1 2 0 ，储存温度一2 0 到1 2 0 。 p 图3 2 带有温度传感器的m c 2 a 油杯 图3 3 和表3 1 分别给出了d t l 型介损测试仪的结构图和各个操作单元的功能。 g c i 8 k u d v f a w x 图3 3d t l 型介损测试仪结构图 1 9 q r y b h t e ， m n o 华北电力大学硕士学位论文 表3 1d t l 型介损测试仪的操作单元 a 电磁屏蔽保护 n 矩阵打印机 b 保护壳 o 指示灯 c 安全触点 p键盘 d搬运把手 q 主开关 e测试容器 r 主电压选择器 f 打印板 s 加热电压选择器 g保护锁 t 激光传感器插孔 h 测试单元排空按钮 u通风口 直流电压调整螺杆 v r s 2 3 2j 奎接口 l k 直流电压调整螺杆 w 接地端子 l 两行显示 x 排空连接口 m 加料按钮y主插孔 3 3 2 实验原理及方法 本实验装置采用电桥原理，测量原理接线图3 4 1 如图3 4 所示，其中q 、疋为被 试品的电容和电阻值；c 。为高压标准电容器；r ，为可调电阻；c 。为可调电容器；r 。 为固定电阻；p 为检流计。交流电源频率为5 0 h z ，角频率国= 2 刀= 1 0 0 乃r 删s 。 令 图3 4 电桥接线原理图 b ( 3 - 1 ) 志 + 即 加 = 乙 华北电力大学硕士学位论文 z n2 志 o 。2 z 4 ：t j 一 ( 3 - 3 ) 亩+ 螂 当图3 4 中电桥平衡时 互：坠 ( 3 4 ) 乙z 4 即 ( r 。+ 去) ，以。= r ，( 击+ ，们。) ( 3 剐 由实部相等可得 e = 警 ( 3 - 6 ) 由虚部相等可得 匙= 警甲 而试品电容器的介质损耗因数t a n 仃为 t a n 万= 2 7 r 皿e ( 3 - 8 ) 将e 、足带入得 伽脚咀e 砌等导观叽c ( 3 - 9 )