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消除弧光接地过电压的方法研究.pdf54页
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过电压，过电流是怎样产生的?它对变压器有什么影响?
过电压，过电流是怎样产生的?它对变压器有什么影响?
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过电压产生大致有下列三种情况：
(1)线路开关拉合闸时形成的操作过电压。
(2)系统发生短路或间歇弧光放电时引起的故障过电压。
(3)直接雷击或大气雷电放电，在输电网中感应的脉冲电压波。
这些过电压的特点是作用时间短，瞬时幅度大。通常由电力系统本身造成的过电压很少超过变压器相电压的四倍，而由大气放电或雷击造成的过电压有可能超出十几倍及至于几十倍。只是后者持续时间极短，在微秒数量级。过电压的危害可使变压器绝缘击穿，为防止其危害，在线路和变压器结构设计上采取了一系列保护措施。如装设避雷器、静电环、加强绝缘、中心点接地等。
过电流的形成有下列两种情况：
(1)变压器空载合闸形成的瞬时冲击过电流。
(2)二次侧负载突然短路造成的事故过电流。
空载合闸电流最大可以达到额定电流的5—10倍，它对变压器本身不至于造成什么危害，但它有可能造成继电保护装置的误动作，对于小容量变压器可采取多次合闸，而对于大容量变压器则要采取专门的措施。
二次负载短路所造成的过电流，一般要超出额定电流的几十倍，如果保护装置失灵或动作迟缓将会造成直接的危害。巨大的短路电流会在绕组中产生极大的径向力，高压绕组向外，低压绕组向里。这种力会把线圈扯断，扭弯或破坏绝缘。短路电流还会使铜损比之在正常情况下急剧增长几百倍，一造成内部温度聚增而烧毁变压器。因此，运行中应尽力避免发生短路，通常在继电保护及变压器结构设计上也都充分考虑到短路事故的发生。
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All Rights Reserved 版权所有低励磁涌流、低操作过电压移相变压器的制作方法
专利名称低励磁涌流、低操作过电压移相变压器的制作方法
技术领域本实用新型涉及到与单元串联型多电平高压大功率变频器(以下简称变频器)配套的一项关键部件——(输入)移相变压器，具体地的是低励磁涌流、低操作过电压移相变压器。
背景技术在单元串联型多电平高压大功率变频器中，(输入)移相变压器是不可缺少的部件，这从以下分析可知。
用低压电力电子元件做高压变频器通常有两种方法一是用低压元件直接串联，另一种方法是用独立的功率单元串联，后者因为比前者有更多的优点而成为高压大功率变频器的主流。
以下是该变频器的原理说明以及变压器在其中的作用。图1-1，图1-2，图1-3分别表示3KV、6KV和10KV系统典型的电压叠加示意图，以6KV变频器为例。
它的每相由6个独立的、额定电压为577V(峰值为816V)的低压功率单元串联而成，输出相电压为3462V线电压可达6000V左右。每个功率单元承受全部输出电流但只提供1/6相电压和1/8的输出功率。
每个功率单元分别由变压器的一组二次绕组供电，功率单元之间以及变压器二次绕组之间相互绝缘。其电气结构原理示意图如图2所示，为构成6级变频器的电路原理示意图，图3为功率单元图。
移相变压器电气原理图如图4所示变压器(以6KV变频器输入变压器为例)原边绕组为6KV，副边共十八个绕组分为三相。每个绕组为延边三角形接法，分别有±5°、±15°、±25°等移相角度，每个绕组接一个功率单元。这种移相接法可以有效地消除35次以下的谐波，不会对电网造成超过国家标准的谐波干扰，并实现了电气隔离降压。
很明显移相变压器在该变频器中起了两个关键的作用一是电气隔离作用才能使各个变频功率单元相互独立从而实现电压迭加串联，二是移相接法可以有效地消除35次以下的谐波。(理论上可以消除6n-1次以下的谐波，n为单元级数)。
移相变压器在运行时必须带上变频单元操作开关上电和下电，因此变压器因过渡过程而产生的操作过电压必然会危及变频单元中电子元件的安全。通常10KV级及以下电压等级的移相变压器产生的操作过电压不会对变压器本身造成危险，但对电子元件来说却是致命的。因此设法降低变压器的操作过电压是设计该变压器的重点之一；此外该变压器的励磁涌流也很大(涌流过大的原因是变压器通电的线圈在内部紧靠铁心)，过大的励磁涌流会引起供电开关跳闸，此时产生的截流过电压更高(以前按常规设计原则设计的移相变压器经常发生变压器在合闸瞬间引起开关跳闸同时也引起元件的过电压击穿现象)，减小变压器的励磁涌流是设计该变压器的要点之二。
现有移相变压器存在操作过电压对电子元件的致命危害和过大的励磁涌流引起供电开关跳闸等两大缺点。且变压器的高压和低压线圈结构是连续式。
本实用新型的目的是为了克服现有移向变压器产生操作过电压和减少变压器的励磁涌流特设计一种与单元串联型多电平高压大功率变频器配套的低励磁涌流、低操作过电压移向变压器。
本实用新型的特征是内线圈(高压线圈)为多层园筒式线圈结构，大容量采用轴向双分裂式的园筒式线圈结构；内线圈(高压线圈)设置双静电屏的结构，静电屏可以同时或单独接地、接高压线圈进线或出线端子，外线圈(低压线圈)采用单饼式或多个单饼并联式。外线圈(低压线圈)采用多层短园筒式。外线圈(低压线圈)采用由金属瓦楞板形成的垂直气道。
限制操作过电压的措施是1.加大变压器的励磁阻抗Zm和内线圈(高压线圈)对地电容C经研究变压器空载断电时产生的截流过电压Ucm与额定电压Uo的比值Kv即过电压倍数由下式决定Kv=UcmUo=IoZo2&fLmIo=Lm/C2&fLm=12&LmCf=fof&CenterD&CenterD&CenterD&CenterD&CenterD&CenterD&CenterD1]]&其中Ucm=(IchZo)2+Uo2&IchZo=IoZo=IoLmC&CenterD&CenterD&CenterD&CenterD&CenterD&CenterD2]]&Ich——开关截流值Io——变压器空载电流Zo——变压器特性阻抗Zo=Lmc&CenterD&CenterD&CenterD&CenterD&CenterD&CenterD3]]&Lm——变压器励磁电感Lm≈Zm/ω
……4Zm——变压器励磁阻抗C——变压器内线圈(初级)对地电容fo——截流后的振荡频率fo=12&LmC&CenterD&CenterD&CenterD&CenterD&CenterD&CenterD5]]&f——电网工频很明显加大励磁阻抗也就加大了励磁电感以及内线圈对地电容这都可降低过电压倍数。
2.内线圈采用多层园筒双屏蔽式结构；双静电屏放置在线圈的内外层分别与线圈的起头和收头连接如图5。
按传统的设计原则6-10kV级容量超过630kVA的变压器的高压线圈结构通常是连续式，本专利设计中的变压器，300-6300kVA的高压线圈全部采用多层园筒式结构。
初级线圈采用多层园筒式加双静电屏的好处是园筒式线圈纵向电容大，增加了变压器线圈本身的抗过电压冲击能力；内线圈的散热气道为垂直气道，其散热性能大大优于连续式线圈的水平气道。
静电屏的作用有两点(1)增大了线圈的对地电容C，因而也降低了过电压倍数。
(2)降低了冲击过电压传递到副边的静电分量；当冲击电压波入侵到变压器的某一绕组时，由于绕组间的电磁耦合，该变压器的其他绕组上也会出现过电压。绕组间电压传递基本上有两个分量，其一是静电耦合所产生，其二是电磁耦合所产生。此处只研究前者——静电分量。
在冲击电压波入侵到变压器绕组的瞬间，由于电感中电流不能突变，故在初始时刻绕组间电压的传递是以静电耦合形式进行的。图6为变压器两个绕组间的电容耦合等值线路图当冲击电压入侵绕组1-1时，绕组1-1对地电位为Uo，由于静电电容耦合，在绕组2-2上出现静电分量u2如下式u2=C12C12+C2Uo&CenterD&CenterD&CenterD&CenterD&CenterD&CenterD6]]&式中C12、C2分别为绕组1-1和绕组2-2间的耦合电容和绕组2-2的对地电容。在移相变压器中绕组2-2为副边阀侧绕组，放置在网侧绕组1-1的外面，距铁心较远。未加静电屏时，对地电容C2较小，耦合电容C12较大，从公式6可知绕组2-2中耦合的冲击电压u2较高。
加了静电屏后，耦合电容C12如图6中上部虚线园中所示由两个电容串联，数值减小，而绕组2-2的对地电容C2增大，从公式6中可知绕组2-2中耦合的冲击电压u2减小。
3.低压线圈采用多种结构形式1)连续饼式(传统结构)、2)单饼式或多个单饼并联式(仿罗宾康式)、3)短园筒式并在层间增加用金属板压制而成的瓦楞气道，本专利技术介绍的是后两种结构形式。
国内外移相变压器副边每个单元绕组的结构形式大多数为段连续饼式绕组，绕制特点是绕正段匝与匝之间是按顺序幅向堆积，绕反段时须“倒盘”，每个单元的总匝数为数段线饼匝数之和，工艺复杂。其外观如盘状蚊香。电磁线为玻璃纤维或绝缘薄膜包绕。美国罗宾康公司的移相变压器副边每个单元绕组用裸铜带按连续式绕组的绕制方法绕制，无须“倒盘”，每个单元就只一段，称为单饼式，起头用引线片焊好从饼间气道引出，匝间垫绝缘板，由于是裸铜带，为防止匝间爬电，匝间垫绝缘板必须每边宽于裸铜带10mm左右。
本技术变压器副边单绕组的结构形式之一为多单饼并联式(仿罗宾康式)用于大电流单元绕组。
当单元绕组电流过大，采用多根导线按连续式绕组的绕制方法来绕制线圈工艺就非常复杂，甚至难以成型。
本技术对于大电流的变压器副边单元绕组采用多单饼并联式结构；见图7结构特点(与连续饼式和罗宾康式不同之处)1)用单根电磁线绕制成单饼式线段，每个线段包含了一个移相单元的全部线匝，(与连续饼式绕组不同之点)2)根据电流的大小及电磁线规允许的制造尺寸，选用若干个线段并联的方式(与连续饼式绕组不同之点)3)导线为绝缘包绕的电磁线，而不用裸铜带，因而工艺简单，线段端部整齐，外形美观(与罗宾康式绕组不同之点)4)根据线圈本身的发热点温升，可在线段中间增设由金属瓦楞板形成的垂直气道(与连续饼式绕组不同之点)本技术变压器副边单元绕组的结构形式之二为短园筒式见图8其绕制方法按层式绕组的绕制规律，既匝与匝之间是按轴向排列，但外观与饼式绕组相似。该结构形式适用于单元绕组电流较小、电磁线截面较小的变压器。
短园筒式绕组的优点除了工艺简单、对电磁线线规的宽厚比要求不像饼式绕组那样苛刻外，还有其独特的优点纵向电容和对地电容大，绕组承受冲击电的能力强，也减少了副绕组静电耦合电压；绕组散热除了水平气道外还增设由金属瓦楞板形成的垂直气道，后者的散热能力大大优于前者，绕组的温升低，因而可以减小导线截面，降低变压器的材料成本采用金属瓦楞气道也是本专利技术中的重大突破传统的线圈散热气道都是靠放置绝缘掌条或绝缘垫块形成。用金属材料做气道，如处理不当会损伤电磁线绝缘，造成匝间短路，后果不堪设想。本专利中使用的金属瓦楞气道经特殊的工艺处理，做到了万无一失。
金属瓦楞气道的优点是金属材料导热性能好，因而散热效果好；线圈的纵向电容大，其好处前已叙述。
本技术用以限制励磁涌流的措施主要由电磁计算及励磁线圈的结构设计来控制；通常的变压器空载合闸产生的励磁涌流瞬时可超过其额定电流值的数倍，即超过稳态空载电流的数百倍，如此大的励磁涌流由于其作用时间非常短实际上对变压器的线圈没有危险，只是在整定继电器保护时应予以考虑。不然的话，当变压器空载合闸引起开关保护跳闸切除变压器后，可能会误认为是变压器出了故障。对于与变频器配套的移相变压器来说根本上就不允许变压器合闸时开关保护跳闸，当变压器带载合闸引起开关保护跳闸切除变压器后，由于开关切除的是电感性电流，截流值Ich大，产生的截流过电压也很高(见公式2)，极容易损坏变频器中的电子元件，因此与变频器配套的移相变压器励磁涌流必须足够小。
根据理论分析三相变压器空载合闸后其励磁涌流的最大值Iom计算公式如下Iom&BmHDt2(WDx2)]]&其中Bm铁心磁密
Dt铁心直径H合闸线圈高W合闸线圈匝数Dx合闸线圈直径要降低励磁涌流，可以从以下方面着手降低磁密，降低合闸线圈高度，减少铁心直径或增加合闸线圈的匝数和直径。
很明显低励磁涌流的变压器也有一些缺陷如电磁线成本远高于铁心成本，总成本会有所增加；(变压器优化设计原则之一铜价＝铁价)变压器呈矮胖型，不美观；占地面积大。
所以励磁涌流的选择要低而适当。
本实用新型的有益效果是1.降低移相变压器产生的操作过电压；增大变频单元中电子元件的安全。2.减小变压器的励磁涌流，可精确计算合闸涌流和合理选择合闸涌流倍数。3.金属瓦楞气道，金属导热性好，散热效果好，线圈的纵向电容大，减小副绕组静电耦合电压。
图1-1 3KV变频器电压叠加示意图图1-2 6KV变频器电压叠加示意图图1-3 10KV变频器电压叠加示意图图2 6级6KV变频电路原理示意图图3变频器功率单元图图4移相变压器电气原理图图5变压器线圈示意图图5-1轴向分裂高压线圈示意图图6绕组间静电耦合与等值电路图图7低压多个单饼式并联绕组结构图8低压短园筒式绕组结构图中序号说明(1)铁心、(2)高压内线圈收头、(3)高压内线圈起头、(4)内静电屏端子、(5)外静电屏端子、(6)内静电屏、(7)外静电屏、(8)高压(内)线圈、(9)低压单元线圈、(10)电磁线、(11)瓦楞气道、(13)异步电功机、(14)高性能微处理器。(15)绝缘垫块、(16)带撑条的绝缘筒。
具体实施方式
根据图5，在特制的芯模上捲制内静电屏(6)在捲制好的内静电屏(6)上放置气道撑条，然后在撑条上以多层园筒式结构方式用Nomex?纸包电磁线绕制高压线圈(8)，在绕好的高压线圈(8)上放置气道撑条，然后再在撑条上捲制外静电屏(7)。至此带双静电屏高压线圈制作完毕；低压单元线圈(9)用Nomex?纸包电磁线绕制在带撑条的绝缘筒(16)上，线圈的结构形式可分为以下三种①传统的连续饼式结构。
②按图7所示单个或多个单饼并联式结构，用于大电流的单元线圈，根据需要，增设金属瓦楞气道。
③按图8所示带金属瓦楞气道的短园筒式结构，用于小电流的10KV级的单元线圈。
以上纸压单元线圈的段间或饼间用绝缘垫块(15)隔开形成有足够爬电距离的水平气道。
权利要求1.一种与变频器配套的移相变压器，其特征在于a.高压线圈为多层园筒式线圈结构，大容量采用轴向双分裂式的园筒式线圈结构；b.高压线圈设置双静电屏结构，静电屏可以同时或单独接地、接高压线圈进线或出线端子；c.低压线圈采用单饼式或多个单饼并联式。
2.按权利要求1所述的移相变压器，其特征在于低压线圈采用多层短园筒式。
3.按权利要求1、2所述的移相变压器，其特征在于低压线圈采用由金属瓦楞板形成的垂直气道。
专利摘要本实用新型提供一种与单元串联型多电平高压大功率变频器配套的输入移相变压器，内线圈为多层圆筒式线圈结构或轴向双分裂式的圆筒式线圈结构，内线圈设有双静电屏，静电屏可同时或单独接地、接高压线圈进线或出线端子。外线圈采用单饼式或多个单饼并联式或多层圆筒式。外线圈采用由金属瓦楞板形成的垂直气道，该变压器成本低，金属瓦楞气道散热好，是一种低励磁涌流、低操作过电压的新型移相变压器。
文档编号H01F38/00GK233490
公开日日 申请日期日 优先权日日
发明者刘江 申请人:成都东方凯奇电气有限责任公司, 刘江换流站关键电气设备过电压分析及绝缘故障检测方法的研究--《西南交通大学》2013年博士论文
换流站关键电气设备过电压分析及绝缘故障检测方法的研究
【摘要】：随着我国经济实力和人民生活水平的不断提高,社会对能源特别是电能的依赖程度越来越强。换流站作为交直流输电的主要转换场所,其最关键的电气设备是站用变压器和电力电容器,任一设备故障都有可能引发大面积停电事故。我国“十二五”规划中要求电力部门应及时总结电力设备故障经验教训,完善电力标准体系,合理提高设防标准,保障电力供应安全可靠。本文以换流站关键电气设备为研究对象,旨在探明站用变压器、电力电容器的过电压机理及故障特征,改进绝缘故障检测及寿命评估方法,研究成果具有重要的学术价值和工程意义。
建立了换流站“变压器——电容式电压互感器——断路器”联合仿真模型,研究了换流站变压器铁磁谐振过电压过程,评估了站用变压器励磁特性拐点、站用变压器容量等对铁磁谐振的影响；比较了短时投入阻尼负荷大小、改变断路器均压电容、改变电容式电压互感器主电容大小等抑制谐振措施的效果,提出了可行的消谐方案；通过对称分量法,给出了变压器发生匝间短路故障的等效电路和序网图,进而得到内部故障的电压与电流分布,可以发现各绕组的电压分布发生变化。结果表明：当断路器在不同时刻断开时,谐振过电压震荡持续时间和过电压峰值均有很大差异,均压电容与站用变励磁阻抗形成的串联谐振回路,使铁磁谐振过程呈现与工频同步的特征；增大励磁特性拐点、增大站用变压器容量、降低断路器断口均压电容、短时投入阻尼负荷等方法有助于抑制铁磁谐振过电压,但中性点增加电阻对抑制铁磁谐振不起作用；变压器内部故障主要是由于绝缘薄弱环节使得场强集中所致。
通过现场运行数据的长期统计分析,研究了电力电容器内部元件故障引起的过电压分布特性,探讨了电容器绝缘不受过电压危害的内部故障元件数量极限；建立了电容器内部元件故障击穿仿真模型,分析了击穿元件的等效电路参数以及故障时刻电容器两端的电压对击穿放电电流的影响；计算了无功补偿电容器组不平衡电流保护定值,并针对电容器的制造工艺和运行维护,提出了具体的建议。结果表明：当电容器组发生单相故障时,不论该相电容器内部有多少个串联元件发生贯穿性击穿,在其他两相电容器上不会产生危险的过电压；等效电路中电感值和电阻值与放电电流近似成反比关系,母线电压过高将直接影响电容器的使用寿命；电力电容器的故障防范需从质量和结构两个方面改进,调整后的不平衡电流整定值可保证不平衡电流保护的有效动作。
针对高海拔、低气压的特殊环境,改进了换流变局部放电试验技术,提出了抗干扰措施；针对实际运营的站用变压器,改进了电声联合检测的加压方法,验证了方法的准确性；根据变压器的顶层和底层油温升模型,建立了专家分析系统,预测并监测了变压器的油温、热点温度及寿命损失。
【关键词】：
【学位授予单位】：西南交通大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2013【分类号】：TM721【目录】：
摘要6-7Abstract7-11第1章 绪论11-19 1.1 选题背景及意义11-13 1.2 国内外研究现状13-17
1.2.1 换流站变压器的过电压机理及故障特征13-15
1.2.2 换流站电容器的过电压机理及故障特征15-16
1.2.3 换流站关键设备的绝缘故障检测及寿命评估方法16-17 1.3 论文的研究内容17-19第2章 换流站变压器的过电压机理及故障特征19-47 2.1 换流站变压器铁磁谐振过电压机理及影响因素19-29
2.1.1 站用变压器系统参数及设备特性19-22
2.1.2 站用变压器铁磁谐振过电压过程分析22-26
2.1.3 站用变压器铁磁谐振的影响因素26-29 2.2 换流站变压器铁磁谐振过电压抑制措施29-34
2.2.1 短时投入阻尼负荷29-31
2.2.2 改变断路器均压电容31-32
2.2.3 站用变10kV侧并联低压电抗器32-33
2.2.4 改变电容式电压互感器主电容33-34 2.3 换流站变压器的故障特征及矢量分析34-46
2.3.1 站用变压器内部故障及特点34-40
2.3.2 站用变压器内部故障电压与电流矢量分析40-46 2.4 本章小结46-47第3章 换流站电容器的过电压机理及故障特征47-61 3.1 换流站电容器故障引起的过电压分布及保护47-52
3.1.1 电力电容器结构47-48
3.1.2 电容器内部故障引起的过电压分布48-51
3.1.3 电容器过电压保护方法的研究51-52 3.2 换流站电容器击穿特征研究52-55
3.2.1 电容器仿真模型的建立52-53
3.2.2 电容器单串击穿时的仿真分析53-54
3.2.3 单串击穿时元件的等效方法与放电电流54-55 3.3 换流站电容器故障分析及防范措施55-60
3.3.1 电力电容器故障实例分析55-59
3.3.2 电力电容器防范措施59-60 3.4 本章小结60-61第4章 换流站关键设备的绝缘故障检测及寿命评估方法61-93 4.1 换流站变压器局部放电试验方法及改进61-68
4.1.1 高海拔局部放电试验的干扰及抑制措施61-64
4.1.2 三绕组换流变压器的结构特点64-66
4.1.3 三绕组换流变压器局部放电试验66-68 4.2 换流站变压器电声联合检测方法及改进68-81
4.2.1 电声联合检测方法及原理69-75
4.2.2 电声联合检测现场应用75-81
4.2.3 电声联合检测结果分析81 4.3 换流站变压器的寿命评估系统设计及应用81-91
4.3.1 变压器绝缘状态评估系统设计81-87
4.3.2 典型负荷下变压器绝缘寿命损失研究87-91 4.4 换流站电容器的失效率及寿命评估方法91-92 4.5 本章小结92-93结论93-95参考文献95-104致谢104-105攻读博士学位期间发表的学术论文和科研成果105-106
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