干式变压器雷电波冲击响应分析

量的需求不断上升，干式变压器因具有众多优点，在电力行业中应用较多，但是雷电冲击波会对电力变压器的绝缘结构产生较大影响，严重的可造成变压器的损伤，对此需要明确干式变压器雷电波冲击响应。该文主要探讨的是干式变压器雷电波冲击响应分析，全文在具体分析中主要从国内外研究现状、干式变压器绕组雷电波冲击响应相关参数等方面进行了分析。

关键词：干式变压器 雷电波冲击 响应分析

中图分类号：TM412 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）11（a）-0040-02

干式变压器在电力行业应用较多，在具体应用中具有安全性高、体积小、绝缘性能好、噪音小以及运行可靠等优势，尽管如此，但是干式变压器在正常运行过程中还是会受到较多冲击过电压的作用，最为常见也是最为严重的就是雷电冲击波，虽然干式变压器有避雷针保护，但是雷电冲击波仍然会对其造成较大影响，因而明确干式变压器雷电波冲击响应，能够为干式变压器的运行提供参考，从而保证干式变压器运行更加安全稳定。该文主要结合相关资料，就干式变压器雷电波冲击响应分析如下。

1 研究现状分析

干式变压器雷电波冲击会对变压器的绝缘层造成较大影响，严重的可造成变压器无法正常工作，而对雷电冲击波计算过程中主要是对电场的相关研究计算，计算机技术的发展发展为电场的计算提供了新的方法，同时还能对干式变压器的发展奠定基础，现阶段在干式变压器电磁场计算方面主要有有限差分法、模拟电荷法、有限元分析法以及解析计算法。其中以解析计算法和有限元法较为常用。

在雷电冲击波研究中主要是通过较为粗略的实验过程进行分析，从而大体掌握雷电冲击电压在绕组上的分布。在这方面，外国学者分别采用变压器模型以及有限元分析了冲击波对干式变压器的影响。此后相继出现了模拟电荷法、镜像法以及多体研究模型等方面对这一问题进行了研究。与此同时，国内在这方面要求取得了较快发展，比如对电力变压器电磁暂态分析以及仿真分析、混合电路模型、高品测量散射参数等。总之，在变压秋器绕组波研究方面取得了一定的突破，该文在众多学者研究的基础上提出了集中参数等值电路网络，在此基础上对干式变压器绕组的雷电冲击响应进行分析[1]。

2 干式变压器绕组雷电波冲击响应相关参数分析

2.1 标准雷电冲击全波波形以及表达式分析

明确雷电波的波形参数是进行雷电冲击波在干式变压器绕组分布的基础，根据我国行业的规范，标准雷电冲击波的全波与国际电工委员会推荐的具有一致性。图1表示的是1.2/50 us标准雷电冲击全波，从图中可以看出，t1表示的是雷电冲击波处于原点，Ti=t4-t1=1.2 us，这段时间表示的是雷电冲击波的视在波前时间，此处允许的误差为±30.0%。T2=t6-t1=50 us，表示的是雷电冲击波视在半峰值时间，此时允许的误差为±20.0%，其中影响变压器纵向绕组绝缘性的主要是雷电冲击波的波头陡度，绕组的主绝缘性能会受到波长的影响，绕组的梯度电压主要受到冲击波波前时间的影响，绕组的对地电压则受到波长的影响。如果波前时间越短，则绕组的初始分布均匀性越差。此时线圈首端纵绝缘受到的梯度电压越大。在波长越长的情况下，线圈中的谐波震荡较为充分，绕组的对地电压会增加[2]。标准雷电冲击波对应的双指函数可表示为：

带入标准雷电波冲击全波的相关参数后，可得到1.2/50 us对应的标准雷电冲击全波电压表达式为：

在考虑波形系数的情况下，上式可表示为：

2.2 标准雷电冲击截波的波形及其表达式

标准雷电冲击全波在发生过程中被突然截断，此时得到的波形就是标准雷电冲击截波。当然在截断时间方面具有随意性，可能在拨波前，也有可能在波峰或者是波尾位置。图2所示即为标准雷电冲击截波的波形图，对应的标准雷电冲击截波表达式可表示为

2.3 干式变压器雷电冲击试验

通过对干式变压器雷电冲击试验能够进一步对干式变压器的主绝缘以及纵绝缘冲击强度要求进行检测。在具体的试验中，主要是在变压器的绕组端子上通过施加模拟真实雷电冲击波，进而对干式变压器的绝缘性能进行分析。在干式变压器雷电冲击试验过程中需要用到单级雷电冲击发生器，从而模拟真实的雷电冲击。图3表示的就是单级雷电冲击发生器的电路示意图，其中T1表示调压器，T2表示高压试验变压器，VD表示高压硅整流器、G表示球间隙、R0表示限流电阻，具体工作中，有直流电源对电容C1充电，在C1达到电压要求后，G球间隙触发点火，G击穿，此时C1向C2充电，可模型雷电冲击电压波的波头，此时C1的放电量就是C2的充电量，当C1、C2同时放电时，会经过电阻R2，此时可模拟雷电冲击波的尾波。根据试验的要求，在需要更高电压的雷电冲击波，可使用多级雷电冲击发生器[3]。

具体的试验操作中需要逐级升压，确定额试验电压分别为冲击电压的50.0%、75.0%以及100.0%。在每个电压条件下需要冲击3次。在试验过程中，如果绕组波形出现了畸变，表明变压器的绝缘有损坏，整个试验中可通过对试验电压波形、低压侧电容电流波形变化以及绕组中性点电流波形等对干式变压器的绝缘层进行分析。

2.4 雷电冲击电感参数的计算

电感有阻高频通低频的特性，因而铁心绕组的电感和频率之间是反比例的，整个计算过程是十分复杂。根据国内有关学者的研究，变压器绕组在雷电冲击波作用下产生的电感是变压器空载绕组电感的1/15，这个过程中导体电感具有动态特点，在绕组空载条件下的变压器电感计算公式为：

其中ur表示变压器绕组贴心的相对磁导率，也就是ur=u/u0，A表示变企业你绕组铁芯截面积，w表示变压器绕组匝数，lc表示变压器铁心长度，u0=4π×10-7。在雷电冲击作用下的变压器绕组电感为

假设绕组总单元数为n，每个单元电感值为L1，绕组互感耦合系数为q，则此时总的电感L可表示为：

）

将上述两个式子合并后可得到变压器绕组单元电感L1，可表示为：

变压器的漏磁场分布主要在空气中，如果漏磁通的大小以及路径保持恒定，雷电冲击波作用下，考虑到冲击电压的高频率性，在计算电感过程中铁芯磁导率也保持不变。经过计算最终得到的干式变压器绕组铁心电感分量可采用下面的积分表示：

其中，ur在30～100中间取值，v=1/u0，ur常规取值为60，Io是第一类零阶贝赛尔函数，I1表示一阶贝塞尔函数，k0表示第二类零阶贝塞尔函数。Wi、wk表示绕组到校匝数。整个积分的区间为[0，∞]，在实际计算过程中可根据实际情况缩小区间[4]。

2.5 干式变压器雷电冲击电容参数计算

干式变压器雷电冲击响应过程中，绕组等值电容的计算结果对于电压分布有一定影响。线圈中起始电位分布由绕组电容决定，在干式变压器中，绝缘结构主要采用的是环氧树脂绝缘以及空气绝缘，在计算过程中需要明确绝缘介质等值介电常数，计算过程中需要同时考虑轴向几何电容、径向几何电容、纵向等值电容等。

3 结语

雷电波冲击会对干式变压器的正常使用造成较大影响，对此需要明确雷电波冲击过程中电场以及电容的相关参数，通过对相关参数的计算，可明确雷电冲击波对干式变压器的具体影响，从而采取措施进行预防。

参考文献

[1] 刘清萍，肖勋，唐文俊.风电机舱用干式变压器设计[J].变压器，2010（9）：1-3，8.

[2] 韦文君，郑静.大坝缆索起重机高原应对措施[J].水电站机电技术，2012（1）：45.

[3] 刘兴会，江龙华，张锴，等.大型电力变压器绕组纵绝缘波过程计算分析[J].黑龙江电力，2012（2）：116.