应用高频磁环并联阻尼电阻抑制 变压器雷电过电压的方法

应用高频磁环并联阻尼电阻抑制 变压器雷电过电压的方法 第 34 卷 第 9 期 电 网 技 术 Vol. 34 No. 9 2010 年 9 月 Power System Technology Sep. 2010文章编号:1000-3673(2010)09-0149-06 中图分类号:TM 41; TM 862 文献标志码:A 学科代码:4704034 应用高频磁环并联阻尼电阻抑制 变压 器雷电过电压的方法 关永刚 1，廖福旺 2，岳功昌 1，黄海鲲 2，刘卫东 1，林海 渊 2 (1. 电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室清华大学电机系 北京市 海淀区 100084 2. 福建省电力试验研究院 福建省 福州市 350007) An Approach to Suppress Lightning Overvoltage of Transformer by High Frequency Magnetic Ring With Paralleled Damping Resistance GUAN Yonggang1 LIAO Fuwang2 YUE Gongchang1 HUANG Haikun2 LIU Weidong1 LIN Haiyuan2 1. State Key Lab of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipments Dept. of Electrical Engineering Tsinghua University Haidian District Beijing 100084 China 2. Fujian Electric Power Test and Research Institute Fuzhou 350007 Fujian Province ChinaABSTRACT: In view of the fact the arrester can only suppress 关键词:变压器; 雷电过电压;过电压抑制;高频磁环the magnitude but not the steepness of a lightning 0 引言overvoltage so the failures of power transformers due tolightning overvoltage happen occasionally. The authors 我国电力行业标准规定在变电站的母线和主 propose an approach to suppress lightning overvoltage of 变端口安装金属氧化物避雷 器作为过电压保护措transformers located in substations by means of high-frequency 施 之一。研究表明，避雷器对雷电过电压有比较好magneitc rings which connect in parallel with damping 的抑制效果1-4。实际运行中，仍有因雷电过电压导resistor in series with transmission line in appropriate position.Through the test and simulation of oscillation circuit an EMTP 致变压器损坏的事故发生5-8，可见雷电过电压仍是model to simulate and calculate high-frequency magnetic rings 导致变压器绕组匝间绝缘损坏 的一个重要原因。is built. Simulation and calculation results of a certain actual 当变电 站附近发生近距离雷击时，雷电侵入波220 kV substation show that by means of choosing proper 传播到变电站的距离短、衰减小。避雷器仅能限制material as well as proper shape and size for magnetic rings 过电压的幅值，不能降低过电压的陡度，即 到达变the proposed approach can effectively suppress the amplitude 压器的过电压波 仍可能具有很高的陡度，造成变压of lightning overvoltge and alleviate its steepness thus it can 器绕组上电压分布很不均匀，严重时可造成变压器be used as a supplementary measure to the arresters. 端部绕组的匝间绝缘损坏9-10。因此，同时抑 制雷KEY WORDS: transformer lightning overvoltage over- 电过电压的幅值和陡度对 于确保变压器的安全运voltage suppression high frequency magnetic ring 行具有实际 意义，仅用避雷器作为变压器的雷电防摘要:采用避雷器可以限制雷电过电压的幅 值，但不能抑制 护措施并不十分充分。陡度，变压器因雷电过电压造成的事故还时 有发生。提出将 在利用高频磁环抑制电力系统快速过电压的高频磁环并联阻尼电阻 后串接在线路的适当位置来抑制变 研究领域，本文作者已经取得一定成果11-14。 在以电站变压器雷电过电压的方法。通过振荡回路的试验和仿真建立了高频磁环的 EMTP 仿真计算模型。针对某实际 220 kV 往工作的基础上，提出了利用高频磁环 并联阻尼电变电站的仿真计算结果表明，通过选择适当的磁环材料和优 阻来抑制变 压器雷电过电压的方法，作为避雷器保化磁环的形状和尺寸，采用该方法可有效降 低变压器雷电过 护的补充和完善措施，并进行了相应的模拟试验和电压的幅值和陡 度，可作为避雷器保护的补充和完善措施。 仿真分析，证明了该方法的可行性。 基金项目:国家自然科学基金项目50077012。 1 过电压抑制原理 Project Supported by National Natural Science Foundation ofChina50077012. 利用高频磁环抑制变压器雷电过电压的方法150 关永刚等:应用高频磁环并联阻尼电阻抑制变压器雷电过电压的方法 Vol. 34 No. 9是将高频磁环和阻尼电阻并联后安装到与变压器 磁环由非晶磁芯构成，非晶磁性材料的频率范围为相连接的线路上，改变线路的参数，增加雷电波传 300 kHz，相对磁导率 2001 000，饱和磁感应强度播路径中的电感和能量损耗。雷电波经过高频磁环 约 1.5 T。非晶磁芯为铁基材料，卷制加工，便于制和阻尼电阻之后幅值和陡度被削弱，从而保护了变 做大尺寸磁环，价格合理。压器。 2 振荡回路试验 单独使用磁环仅可以降低雷电波的陡度，不能消耗其能量;而且，由于雷电波幅值很高，磁环很 2.1 振荡回路容易因磁饱和而失去作用。因此，作为避雷器保护 为了验证高频磁环并联阻尼电阻对高频暂态的补充，本文使用高频磁环并联阻尼电阻来抑制雷 的抑制作用，本文首先进行了振荡回路试验。电过电压，图 1 为原理示意图。由多个磁环组成的 通过选择参数，使得振荡回路中在电容器放电磁环串套装在变压器的连接导线上，阻尼电阻并接 后产生周期约为 1.7 μs 的高频振荡，以观测高频磁在磁环两端。雷电波到达磁环串后，由于磁环电感 环和并联电阻对回路中电压和电流波形的影响和的作用，一部分雷电流通过阻尼电阻分流，雷电波 作用。的幅值被衰减。研究表明，磁环串电感越大，则可 建立的振荡回路模拟试验电路如图 3 和图 4 所以选择越大的阻尼电阻，获得更大的衰减作用;在 示。图中:C 为高压电容器;R1、L2 为连接线路的磁环串电感一定的情况下，阻尼电阻有一个最优 电阻和电感;L1 为磁环电感;R2 为磁环并联的阻尼值，产生最大衰减。阻尼电阻的存在还有另一个重 电阻;K 为放电间隙。主要试验设备和参数如表 1要作用，即通过对雷电流的分流作用，减小磁环饱 所示。 K L2和程度。 架空线导线 磁环 绝缘 R1 C R2 uCt L1 it 阻尼电阻 图 3 振荡回路模拟试验电路 图 1 高频磁环串和阻尼电阻并联结构 Fig. 3 Diagram of the oscillation circuit test Fig. 1 Diagram of high frequency magnetic ring 放电间隙 paralleled with damping resistance 电 容 图 2 为所采用的非晶磁芯材料FJ37 型的磁化 器曲线。如需有效抑制雷电波陡度，即需要足够大的 磁环串磁环串电感。磁环串电感取决于磁环材料特性和磁环串尺寸。在实际应用中，须尽可能选择高饱和、高磁导率、高工作频率的磁性材料。要保证高频磁 电阻 图 4 振荡回路试验系统环串的工频阻抗很小，在工频电流通过时损耗和压 Fig. 4 Oscillation circuit test system降很小，不影响系统的正常运行。此外，还应根据 表 1 主要试验设备和参数应用条件优化磁环的几何形状和尺寸。本文选取的 Tab. 1 Principal test devices and parameters 设备名称 参 数 高压电容器 额定电压:2 00 kV;电容:9 600 pF 直流充电系统 ?140 kV 1.2 非晶软磁环形磁环 FJ37 ;单只磁环几何尺寸:内径 0.9 高频磁环 25 mm，外径 40 mm，高度 15 mm;磁环数量:200 只; B/T 磁环串总长度:3 m 0.6 阻尼电阻 高压电阻器 RIG2-25W;数量:40 只;单只阻值:50 分流器 4.93 m 0.3 型号:Tektronix THS730A;模拟带宽:200 MHz;采样 示波器 率:1 GMS/s 0 796 1 592 2 388 3 184 H/A/m 试验原理及过程如下: 图 2 仿真用?蔷Т判静牧系拇呕 ?1)使电容 C 充电至要求的电压值 UC0; 2) Fig. 2 B-H curve of amorphous magnetic material 减小 K 的间隙距离使其击穿，在回路中产生高频第 34 卷 第 9 期 电 网 技 术 151振 荡;3)通过分流器测量回路中的高频电流 it; 的情况，分别为: 36.5 试验 1 、 71.3 试验 2 和4 )根据 i t 积分求得 C 上的电压波形 u C t ; 106.8 kV试验 3。3 种试验的结果如表 2 所示。无5)加入 L1 和 R2，重复上述试验过程，观测对 it 磁环串时的试验结果表明，电路电流和电压波形随和 uCt的影响。 电容充电电压线性变化。电压波形由零上升到峰值2.2 试验结果 的时间大致为 0.4 μs，3 种试验电压下，电容器上 试验在 3 种情况下进行:1)无磁环串;2)仅 的最大电压峰值分别约为 64、126 和 190 kV。有磁环串，无阻尼电阻;3)同时有磁环串和阻尼 表 2 振荡回路试验结果 Tab. 2 Oscillation test results电阻。图 57 为试验测得的回路电流 it波形和根 电容充电 最大电流峰值/kA 最大电压峰值/kV 电压首峰值时间/μs据 it积分求得的电容电压 uCt波形，图中各条曲 电压/kV 情况 1 情况 2 情况 3 情况 1 情况 2 情况 3 情况 1 情况 2 情况 3 36.5 1.10 0.38 0.36 64 64 50 0.80 2.50 2.10线的起始处为本曲线的零点。各电压和电流波形图 71.3 2.10 1.60 0.75 126 125 102 0.80 1.90 1.90中的 3 个波形由上而下依次对应 3 种电容充电电压 1—未加磁环串及阻尼电阻106.8 3.10 2.90 2.00 190 188 158 0.80 1.40 1.30 注:情况 的试验情况;情况 2—仅加磁 情况 1 环串的试验情况;情况 3—同时加磁环串和阻尼电阻的试验情况。 情况 1 在试验回路连线上仅加装磁环串的试验结果 情况 2 uCt20 kV/格 显示，在磁饱和前，磁环串使暂态电压的振荡周期 it1 kA/格 情况 2 显著增加，而对幅值没有明显的影响。在试验电压 较低时如 36.5 kV，磁环基本没 3 情况 有饱和，电流和电 压波形接近为衰减的三角函数振荡，电压首峰值的 情况 3 时间更是增加到 2.5 μs。随着试验电压升高，回路 t500 ns/格 t500 ns/格 电流增大，磁环进入不同程度的饱和状态，电流和 图 5 无磁环串时的电流和电压波形 电压波形发生畸变。如在 106.8 kV 的试验电压下， Fig. 5 Current and voltage waveforms 回路最大电流达到了 2.9 kA，磁环明显饱和，但仍 when no magnetic ring is used 使得电压首峰值的时间增加到 1.4 μs。试验结果表 it1 kA/格 it0.5 kA/格 it0.2 kA/格 情况 1 .