雷电冲击对变压器过电压特性的影响作用分析

闫雅楠

（晋能控股煤业集团挖金湾虎龙沟煤业有限公司， 山西 朔州 038300）

0 引言

变压器是电力系统供应中重要的输变电设备，对供电系统的稳定性具有重要的影响，且变压器的生产成本较高，具有较高的经济及使用价值。在变压器的使用过程中，由于避雷器的故障或者失效引起雷电对变压器的冲击作用[1]，会造成变压器内部的电磁振荡，进而引起变压器过电压，甚至造成变压器绝缘系统的损坏[2]。在使用过程中，应增强对变压器绝缘系统的防护，同时雷电的冲击作用还会引起变压器绕组的变形[3]，产生扭曲、塌陷等缺陷，影响变压器的正常使用。针对雷电冲击作用引起的变压器绕组变形造成过电压特性的变化，采用电磁暂态程序仿真分析的形式对变压器的变形及电压变化进行分析[4]，从而为变压器的使用维护提供参考，减少变压器的损坏。

1 变压器过电压特性仿真分析模型的建立

以220 kV 变压器高压侧在雷电冲击作用下的表现进行分析，在电磁暂态程序中建立模型文件模拟雷电的波形作冲击[5]，雷电的入侵波形如图1 所示。从图1 可以看出，波峰电压值为9 470 kV，波头的时间为3.4 μs，雷电的波形呈振荡衰减的分布形式。采用220 kV 三绕组变压器进行分析，变压器的高压绕组采用中部出线的连接形式[6]，中压绕组采用端部出线的形式，变压器为连续式分布结构。

图1 雷电的波形变化

针对所分析的变压器依据梯形电路建立单饼分布的多绕组变压器集中参数，在分析过程中仅对变压器高、中压绕组的电压分布进行分析[7]，忽略其他电压变化的影响。在中压绕组端部介入110 kV 的电缆作为负载，电缆的接地电容值为0.5 μF，从而完成对系统的加载设置。变压器受到雷电冲击作用时，绕组的变形主要发生在轴向及径向上，由于绕组结构的变形，内部的电容、电感等参数发生变化，造成绕组的扩张或扭曲，使得变压器的过电压特性发生变化。

由于所分析的模型高压绕组采用中部进行的方式，变压器绕组的变形分布如图2 所示，以52 饼为轴，将下部分绕组作为变形侧，对称的上半部分为非变形侧，绕组的前、中、后段分布如图2 中所示，对变压器的过电压特性进行分析[8]。

图2 变压器绕组变形位置分布

对变压器的绕组进行分析中，采用EMTP 构建雷电冲击作用的变压器模型，并改变绕组集中参数模拟绕组在雷电冲击下产生的变形，其中绕组的集中分布参数分别选取15%、55%、95%及100%，分别代表绕组不同变形程度[9]，对各个绕组上的过电压特性波形进行采集，通过MATLAB 对绕组线饼上的最大电压值进行分析，绘制绕组电压的分布曲线，从而得到变压器的过电压特性。

2 变压器冲击变形过电压特性的仿真分析

在变压器受到雷电冲击作用时，绕组会产生变形作用，可分为绕组的轴向变形和径向变形，绕组变形会对变压器等效电路的电容、电感等参数产生影响，从而影响变压器的过电压特性。绕组发生轴向变形时，绕组间的饼间电容及对地电容减小[10]；而绕组发生径向变形时，则只改变对地电容的大小，饼间电容不发生变化；径向变形对变压器绕组最大电压的影响作用更大[11]。在分析过程中，仅针对雷电冲击作用造成的绕组径向变形进行分析。

2.1 高压绕组径向变形模拟分析

在受到雷电冲击作用时，高压绕组的前、中、后各段均会产生不同程度的径向变形，其中高压绕组前段线饼的径向变形会造成绕组空间因数的减小，使得前段线饼的最大电压值减小，造成中、后段最大电压值也随之减小，高压绕组前段电压的分布如图3 所示。从图3 中可以看出，在高压绕组前段产生径向变形时，不同高压及中压变形时的变化分布趋势一致，其中不同高压值作用时变压器的最大电压变化相差较大[12]，随着高压值的增加，产生的最大电压值也逐渐增加；不同中压值作用时变压器的最大电压也存在一定的变化，但差值相差不大，这说明高压绕组在雷电冲击下产生径向变形作用时，对中压绕组的电压影响作用较小。在图3 中还可以看到，电压波动在前段时的曲率要大于中后段的曲率，这是由于电压波形在传递过程中存在着一定的能量损耗，在传递到中后段时造成最大电压的曲率下降，使得中后段线饼的空间因数及最大电压的分布变化与绕组的变形之间呈非线性关系，存在一定的复合变化作用。

图3 高压绕组前段径向变形最大电压分布曲线

2.2 中压绕组径向变形模拟分析

在受到雷电冲击作用时，中压绕组的前、中、后各段均会产生不同程度的径向变形，中压绕组产生的径向变形，会降低变压器高、中压绕组间的电压传递比，使得中压绕组变形位置的最大电压值降低，从而降低高压绕组相对位置的最大电压。以中压绕组的中段变形时电压分布为例进行分析，中压绕组中段电压的分布如图4 所示。从图4 中可以看出，在中压绕组中段产生不同的变形作用时，不同高压及中压值的变化分布趋势一致，其中不同高压值作用时变压器的最大电压变化的差值要小于中压值的变化；中压值变化时，随着中压值的增加，不同位置的最大电压逐渐减小，这是由于变压器发生中段绕组的径向变形时，中压绕组的对地电容增加产生的能量损失要小，从而造成较小的电压值作用时产生的能耗占比要大，从而变压器的最大电压增加，变形程度越大，则电压的变化越大。

图4 中压绕组中段径向变形最大电压分布曲线

3 结论

1）变压器在使用过程中受到雷电的冲击作用，会造成绕组的变形，从而对变压器的过电压特性产生影响，并影响变压器的使用。采用EMTP 针对雷电冲击造成的绕组变形进行模拟分析，建立了变压器集中参数的等值电路，通过参数的调整模拟不同的变形作用，对绕组变形引起的变压器过电压特性进行分析。

2）变压器高压绕组径向变形对电压分布的影响作用较大，高压绕组径向变形对高压绕组的影响作用较大，对中压绕组的电压影响作用较小；变压器径向中压绕组中段变形对高压绕组的电压变化影响较小，可减小中压绕组的最大电压，提高高压绕组相对位置的电压。

3）变压器的绕组变形对变压器的过电压特性具有较大的影响作用，在使用过程中，应提高变压器绕组的绝缘性保护，特别是径向的绝缘保护，避免雷电冲击作用时的变形引起的电压变化。