DQZHAN技術(shù)訊：詳解！電力變壓器在沖擊電壓作用下的繞組電壓分布
電力變壓器作為電網(wǎng)的核心設(shè)備，在實(shí)際運(yùn)行中常需耐受雷電和操作等沖擊電壓的作用。計(jì)算和測(cè)量電力變壓器在沖擊電壓作用下的繞組電壓分布對(duì)于設(shè)計(jì)制造變壓器絕緣結(jié)構(gòu)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。然而實(shí)際運(yùn)行的電力變壓器繞組上并無(wú)測(cè)量抽頭，難以直接在實(shí)際變壓器的繞組上測(cè)量其電壓分布。因此，通過(guò)設(shè)計(jì)電氣特性相似并帶測(cè)量抽頭的變壓器縮比模型，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展繞組電壓分布的測(cè)量研究，其結(jié)果不僅可有效反推至原型變壓器，亦可為沖擊電壓作用下繞組電壓分布的機(jī)理分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
變壓器縮比準(zhǔn)則
變壓器縮比模型不同于簡(jiǎn)單的縮尺模型，需要確定各個(gè)物理量的縮比關(guān)系。確立縮比準(zhǔn)則的關(guān)鍵是縮比系數(shù)的選取，原則上縮比模型和原模型物理特性常數(shù)相同。即縮比模型的介電常數(shù)、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率和電阻率ρ和原模型一致，即這些物理量的縮比系數(shù)都為1。同時(shí)假設(shè)電場(chǎng)強(qiáng)度E保持不變，即縮比系數(shù)kE為1。根據(jù)電流密度J和電場(chǎng)強(qiáng)度E的本構(gòu)關(guān)系，得到kJ=kE=1。說(shuō)明縮比模型和原模型的繞組電流密度保持不變。在制作縮比模型時(shí)，長(zhǎng)度、寬度和半徑按照縮比系數(shù)k等比例縮小，因此矩形和圓形的面積S等二維參量的縮比系數(shù)都為k2。時(shí)間t的縮比系數(shù)kt為1。電壓和電流等參數(shù)的縮比系數(shù)就可按照物理量間的關(guān)系確定。
變壓器各參量縮比系數(shù)
變壓器縮比模型設(shè)計(jì)
變壓器縮比模型設(shè)計(jì)主要包括變壓器鐵芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、變壓器繞組匝數(shù)設(shè)計(jì)和繞組抽頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文采用的電力變壓器原模型容量為80MVA，縮比模型容量為10kVA，根據(jù)縮比準(zhǔn)則，*終設(shè)計(jì)的變壓器縮比模型鐵芯采用硅鋼片疊壓而成，且為口字型結(jié)構(gòu)，鐵芯上下柱為方柱，左右柱大約為圓柱。繞組位于鐵芯外，鐵芯直徑為105mm，變壓器高低壓繞組位于直徑116mm外，中間為環(huán)氧布和環(huán)氧管。變壓器高壓繞組共有960匝，分為兩個(gè)部分，每部分480匝，位于鐵芯左右兩個(gè)圓柱。繞組每48匝作為一層，連續(xù)繞在鐵芯外。且每48匝引出一個(gè)抽頭，共有20個(gè)抽頭。變壓器低壓繞組共有176匝，平均分布在鐵芯左右兩個(gè)圓柱上。
變壓器繞組抽頭結(jié)構(gòu)圖
變壓器縮比模型電磁場(chǎng)分布計(jì)算
為對(duì)比原變壓器和縮比模型的電場(chǎng)分布和磁場(chǎng)分布，按照相似性原則對(duì)原模型和縮比模型的電場(chǎng)分布和磁場(chǎng)分布進(jìn)行了有限元仿真計(jì)算，原模型和縮比模型施加相似邊界條件。當(dāng)電場(chǎng)和磁場(chǎng)共同作用在變壓器上時(shí)，變壓器原模型和縮比模型的電磁場(chǎng)分布結(jié)果表明：縮比模型的電位分布、磁通密度分布等與原模型一致。
原模型和縮比模型電位對(duì)比
不同頻率磁場(chǎng)分布對(duì)比
變壓器縮比模型繞組沖擊電壓分布
基于變壓器縮比模型，搭建試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)量變壓器高壓繞組沖擊電壓分布?；谧儔浩骺s比模型沖擊電壓分布試驗(yàn)平臺(tái)，由納秒脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈寬為1400ns，不同電壓幅值的電壓分別施加在繞組高壓側(cè)、串接的低壓繞組和并接的低壓繞組，并通過(guò)測(cè)量高壓繞組各抽頭電壓波形獲取不同外施電壓下的繞組電壓分布。由試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)：沖擊電壓作用下繞組電壓分布極不均勻，不同電壓下的電壓分布趨勢(shì)基本相同，且高壓繞組首端承受的電壓較大。主要是因?yàn)槔@組間雜散電容的存在使得繞組電壓分布極不均勻，其分流作用使得高壓繞組電壓分布極不均勻且高壓繞組首端承受較大電壓。
高壓進(jìn)波不同電壓下的高壓繞組電壓分布
串接的低壓繞組進(jìn)波高壓繞組電壓分布
并接的低壓繞組進(jìn)波高壓繞組電壓分布
結(jié)論
1）考慮趨膚深度相同的條件下，縮比模型頻率為原模型的400倍，磁通密度B為原模型的1/20。
2）基于設(shè)計(jì)的變壓器縮比模型，按照本文縮比準(zhǔn)則的要求設(shè)計(jì)參數(shù)，變壓器原模型和縮比模型用COMSOL進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真，驗(yàn)證了本文縮比準(zhǔn)則的正確性。
3）施加沖擊電壓時(shí)，繞組電壓分布極不均勻，且首端承受的電壓較大，本文所提出的縮比準(zhǔn)則可在測(cè)量變壓器繞組電壓分布試驗(yàn)中應(yīng)用。
