在变压器内部绝缘结构设计中氧化锌避雷器的应用

张晶宇

摘要：随着社会的发展，人们对电力能源需求量日益提高，且对供电稳定性与质量提出更高要求。基于此，为保证变压器平稳运作，本文探讨将氧化锌避雷器安装于变压器内部结缘结构设计中的意义，着重分析具体应用，以供相关工作参考。

关键词：变压器;绝缘结构设计;氧化锌避雷器

引言：作为一种过电压保护装置，氧化锌避雷器的安裝能够有效防止雷击带来的过电压对变压器设备造成损伤。为保证该避雷器的应用效果，应分析该装置在变压器内部绝缘结构设计应用的选用及安装要点，做好计算工作，从而切实发挥保护作用。

1.探讨将氧化锌避雷器应用于变压器内部绝缘结构设计中的意义

所谓氧化锌避雷器，其核心为氧化锌电阻片，是一种过电压保护装置，一旦遭受过电压，该装置则处于导通状态并释放能量，能够对变压器起到有效的保护作用。这是因为氧化锌电阻片具有良好的非线性伏安特性，当变压器处于正常运作状态时，其通过的电流在0.001A以下，即高阻抗，但是在过电压情况下，能够通过几十千安故障电流，转变为低阻抗，而且，氧化锌电阻片两端具有较小残压，能够为变压器稳定运作提供有效保障[1]。一般情况下，该装置安装于变压器内部，安装后，一方面能够减小引线和调压绕组的绝缘厚度，另一方面还能够降低有载开关分接选择器绝缘水平，且成本相对较低，能够有效降低变压器内部结缘结构及整个设备的设计制造成本，满足使用需求的同时提高相关企业经济效益。

2.分析氧化锌避雷器在变压器内部绝缘结构设计中的应用

2.1变压器及其绝缘结构计算

变压器基本结构由低压绕组、公共绕组、铁心、调压绕组以及串联绕组构成，不同绕组其结构和出线方式存在差异，而且，根据不同侧重点，带氧化锌避雷器的连接方法也存在不同，在雷电冲击电压作用下，采用调压绕组级间并联氧化锌避雷的方法，这是因为该方法能够有效限制该绕组冲击电位振荡。

第一，计算分析变压器纵绝缘结构。当不应用氧化锌避雷器时，串联绕组内屏结构和连续结构的全波安全裕度分别为1.42δ和1.53δ，截波安全裕度分别为1.49δ、1.45，公共绕组结构的全波安全裕度和截波安全裕度分别为1.20δ和1.30δ。在安装氧化锌避雷器后，串联绕组内屏结构和连续结构的全波安全裕度分别为1.43δ和1.56δ，截波安全裕度分别为1.51δ和1.46δ，公共绕组连续结构的全波安全裕度和截波安全裕度分别为1.22δ和1.33δ。由此可见，串联绕组段间最小安全裕度提高0.7%，公共绕组提高1.6%，该避雷器的应用对公共、串联绕组纵绝缘结构安全裕度影响不大。在没有安装氧化锌避雷器时，调压绕组对地电位为138.0%，调压全范围梯度为40.5%，而应用该避雷器装置后，对地电位和全范围梯度分别降至107.0%和20.1%，该装置能够有效改善调压绕组冲击电压分布。

第二，计算分析主绝缘结构。对于变压器绝缘结构设计要点而言，应以雷电冲击电压分布计算结果为基础，进而明确掌握变压器所承受雷电冲击电压作用绝缘弱点区域。在上述计算结果下，绝缘弱点区域分别在低压绕组和调压绕组之间（位置a）以及调压绕组和中压绕组之间（位置b）。对于位置a的绝缘结构安全裕度计算，在未安装氧化锌避雷器时，公共绕组和调压绕组的最小安全裕度分别为1.22δ和1.09δ，运用该避雷器装置后，公共绕组和调压绕组最小安全裕度分别为1.22δ和1.21δ;对于位置b的绝缘结构安全裕度计算，未加氧化锌避雷器的最小调压绕组和低压绕组安全裕度分别为1.06氧化锌避雷器和1.21氧化锌避雷器，运用该避雷器装置的调压绕组和低压绕组最小安全裕度分别为1.19氧化锌避雷器和1.21氧化锌避雷器。由此可见，氧化锌避雷器在变压器内部绝缘结构中的设计应用对提高调压绕组到公共绕组、调压绕组到低压绕组主绝缘结构安全裕度方面具有明显效果[2]。

2.2应用避雷器结构电场分析计算

虽然氧化锌避雷器安装于变压器内部，但是为了保证该装置作用的发挥，应针对该装置结缘结构开展电场分析计算。一般情况下，调压绕组电压等级为220kV，若是氧化锌避雷器选用规格不合理，可能出现金属部件局部放电和击穿事故，因此，应分布计算氧化锌避雷器端部金属部件电场。

当氧化锌避雷器装置调压引出线距油箱较近时，由于该装置与调压引出线存在较小电位差，所以具有相对大的绝缘安全裕度，为此，在变压器内部绝缘结构设计中应用氧化锌避雷器装置时，应分析装置与油箱之间的绝缘安全裕度。一般情况下，氧化锌避雷器在油箱中的内部结构从上至下分别是绝缘垫圈、均压球、压片弹簧、阀片、连接件以及绝缘纸板。开展电场计算分析时，主要对油箱盖、避雷器均匀球、绝缘垫圈、油箱侧壁、压力弹簧以及避雷器阀片进行模型计算，相较于其他部件，氧化锌避雷器均压球表面具有较大电场强度。因此，在设计均压球结构时，应重点考虑其电场分布控制，通常状况下，当其表面金属半径尺寸以及直径尺寸变大时，能够有效降低电场强度最大值。为此，可选择均压球直径和表面金属半径分别为180mm和25mm的部件，进而使工频电场安全裕度在1.20以上，满足使用需求。

2.3氧化锌避雷器选用计算

在应用氧化锌避雷器时，应根据变压器运行条件以及调压绕组的最高电圧确定氧化锌避阀片使用数量，保证最高电圧在氧化锌阀片许用值以下。以明电舍为例，氧化锌阀片最大连续运行电压、最大钳制电压、感应试验峰值动作电压分别为2.4kV、7.6kV、6kV，最大施加电压率为80%，耐受冲击电流标准试验和特殊试验下的技术参数为0.8kA和100kA，阀片直径和高度分别为64.5mm和22.5mm。需要开展的计算工作如下：①由于每个分接级间并联该阀片，在计算元件数量时，应先确定分接级之间最大的工作电压，公式为：UT=ET×WT，即2.76kV，其中ET和WT分别为每匝电压和调压绕组每级匝数。在长期工作电压下，调压绕组需要使用的氧化锌阀片总数量为，即2片。②在LTAC试验电压下，每分接之间的感应试验电压为ULTAC=ET×WT×K，即5.73kV，其中，K为线端交流耐压试验感应倍数。那么在该电压下，所需要的元件数量为，即2片。③在IVPD试验电压下计算元件数量，每分接之间的感应试验电压为UIVPD=ET×WT×K’，即4.75kV，那么元件数量为，即2片。如上可知，在调压绕组每个分接级间使用2片元件即可。④在发生雷电冲击时，氧化锌避雷器需要保护变压器安全运作，所以，还需要开展雷电冲击电压试验下的前置电压计算，钳制的调压绕组每分接级间最高冲击电压UL1和钳制的调压绕组首末端最高冲击电压UL1M分别为15.2kV和121.6kV，由此可见，钳制电压小于冲击过电压，氧化锌避雷器能够充分发挥作用。

2.4安装氧化锌避雷器

在将氧化锌避雷器安装在变压器内部绝缘结构中时，应以并联的方式安装在变压器调压绕组每个分接头之间，其中，氧化锌阀片安装在绝缘纸筒中，保证其垂直状态，使用弹簧将两个端部压紧固定，并在中间引出接线端子。之后，使用导线夹对绝缘纸筒进行固定，使其牢固装置在有载开关附近，最后与调压绕组分接引线并联连接。

结论：综上所述，氧化锌避雷器的应用对变压器运作安全、稳定性的提高具有极强现实意义。因此，应深入研究氧化锌避雷器及变压器结构，根据实际使用条件和需求计算分析电场和元件数量，并合理安装该装置，从而降低变压器设计制造成本的同时，优化其绝缘结构。

参考文献：

[1]王仁，孙优良，程伟，等.换流变压器内置氧化锌避雷器选择及动作累计能量仿真分析[J].变压器，2020，57（12）：14-17+21.

[2]梁海生，赵宏成，张旭航，等.特高压主变中性点间隙保护与氧化锌避雷器保护配合分析[J].电力与能源，2019，40（05）：510-513.