特高压变压器雷电冲击伏秒特性的研究

Up = −1.949 MV；T1=1.77 μs；T2=50.2 μs
图 5 容量为 260 MVA 的 750 kV 变压器雷电冲击电压波形
变压器波前时间 T1 为 1.77 μs，超过标准要求。而 图 6 给出了我国最新研制的 1000 kV 晋东南-南阳荆门特高压交流试验示范工程使用的大容量 1000 kV 特高压电力变压器的雷电冲击试验波形图，其 波前时间达 2.524 μs。文献[2]指出，一些国家的 1000 kV 特高压变压器的实际雷电冲击试验波前时间甚 至达 5 μs 左右。
0.0
Q1
t
T1
T2
图 1 全波雷电冲击试验电压标准波形
变压器和电抗器的典型冲击试验回路如图 2 所 示，其波前过程等值回路[7-9]见图 3。图 2 和 3 中：
g 为放电球隙；Cg 为冲击发生器电容；Rs 为波头电
阻，其值为 Rsi 和 Rse 之和；Rp 为波尾电阻；L 为回
路总电感；Ct 为回路电容 CL 与试品电容 CT 并联后
关键词：特高压；变压器；雷电冲击；伏秒特性；波前时间
0 引言
在大型电力变压器和电抗器的雷电冲击全波 试验中，变压器绕组的等值电感小、等值电容大， 往往很难得到规定的标准波形。其中绕组电感小主 要影响了半峰时间的调整，而电容大主要影响了波 前时间的调整。如果想得到标准的波前时间，往往 振荡(过冲)幅值超限，如要保证振荡(过冲)幅值，则 会使波前值超限，因此必须设法同时兼顾两者[1]。
4 结论
（1）容量和电压等级的提高影响电力变压器的 雷电冲击试验波形，这一点对于特高压变压器和电 抗器更为突出。由于特高压变压器和电抗器尺寸大、 入口电容大，在雷电冲击试验中，特高压设备的波 前时间很难达到标准要求，会有较大比例的延长。
（2）油纸绝缘的雷电冲击伏秒特性表明，随 雷电冲击试验电压波前时间的延长，油纸绝缘系统 主绝缘的雷电冲击击穿强度明显降低。
图 12 给出了不同截断时间 Tc 下，空气间隙的 棒–棒电极型式雷电截波冲击击穿电压 Û 随间隙距 离 d 的变化[11]，其中空气压强为标准大气压，温度
为 20℃，密度为 11 g/m3。由图 12 可知：截断时间
的延长使击穿场强降低，即电压作用时间延长使击
穿场强降低。对于油纸绝缘系统也有类似的结果；
绝缘系统在不同波前时间下的电位分布梯度不同，
不同位置的绝缘承受的电场增加或降低，从而导致
击穿强度随波前时间延长发生变化。
图 12
1 200 1 000
800
Tc=2 μs
Tc=3 μs
Tc=4 μs Tc=5 μs Tc=6 μs
600
400
200 0
400
800 1 200 1 600
d/mm
不同截断时间下，棒–棒空气间隙的雷电截波冲击击
T1 = kRsCgCt /(Cg + Ct )
(3)
式中 k 为系数。
对于特高压变压器，由于其电压高、容量大、
2
特高压变压器雷电冲击伏秒特性的研究
试验回路尺寸超大，因此 Ct 很大，根据式(3)，波 前时间与电容、电阻成正比，因此 T1 很难减小，易 超标，只能希望通过减小 Rs 的方法来减小波前时 间。但另一方面，同样由于回路尺寸大，L 也较大， 为避免振荡、减小波头过冲，需增大波头电阻 Rs。 因此波前时间和波形过冲存在一定的矛盾，要使特 高压设备获得满足标准要求的雷电冲击波形非常 困难。对此，按照文献[5-6]的规定，在特殊情况下， 如在低阻抗试品或大尺寸特高压试验回路中可能 无法将冲击波形调整在规定的容许偏差之内或无 法将过冲调整在规定限值之内，这些情况均可在有 关设备标准中进行具体规定。文献[4]也指出，由于 绕组电感小或对地电容大，有时找不到合适方法获 得标准冲击波形，冲击波往往是振荡的，经制造厂 与用户协商，可允许冲击波形有较大的偏差。
的总电容；LT 为试品电感。
Rsi
Rse
g
Cg
Rp
CL
CT
LT
图 2 冲击试验回路
Rs
L
Cg
Ct
图 3 波前过程等值回路
为了避免振荡，波头电阻 Rs 必须满足
Rs ≥ 2 L / C
(1)ห้องสมุดไป่ตู้
式中 C 为 Cg 和 Ct 串联后的电容，即
C = CgCt /(Cg + Ct )
(2)
冲击试验的波前时间 T1 可按下式计算：
电压/MV
0.0
−1.0
−2.0
0
25
50
75 100 125
时间/μs
Up= −1.546 MV；T1=1.47 μs；T2=47.9 μs
图 4 容量为 334 MVA 的 500 kV 变压器雷电冲击电压波形
电压/MV
0.00
−0.75
−1.50
−2.25 0
25
50时间/μs75
100
125
1.02 pu，降低幅度约为 15%。
1.5
相对雷电冲击 耐受电压倍数
1.0
0
2
4
6
耐受时间/μs
图 11 充油设备的对地耐受电压伏秒特性
上述油纸绝缘系统的伏秒特性均表明，随波前
时间延长，击穿强度降低，特别是波前时间在 1~5 µs
范围内时。这说明，油纸绝缘系统的击穿过程发展
和电压作用时间密切相关。
击试验时采用的标准电压波形的波前时间 T1 为 1.2 μs，半峰值时间 T2 为 50 μs，其峰值容许偏差为±3%、 波前时间容许偏差为±30%、半峰值时间容许偏差为 ±20%。标准波形[6]如图 1 所示。另外文献[4-6]还规 定，波形过冲应不大于 5%。
1.0 0.9
电压/pu
0.5 0.3
图 8 给出了引线绝缘、饼间绝缘和套管内绝缘 等不同油间隙绝缘的伏秒特性[10]。由图 8 可知：在 1~5 µs 的波前时间范围内，击穿电压均有较大变化， 即击穿电压随波前时间延长而降低；波前时间为 3 µs 时的击穿电压比波前时间为 1.5 µs 时的击穿电压 低，降低幅度超过 10%。
2.0
击穿电压/pu
时间/μs
图 9 层压纸板的击穿伏秒特性
2.0
击穿电压/p u
1.5
1.0 0.1
0.3 0.5 1
3 5 10
击穿时间/μs
图 10 匝间油浸纸绝缘的击穿伏秒特性
图 11 给出了充油设备的对地耐受电压伏秒特 性[10]。由图 11 可知，波前时间为从 1 µs 延长至 2 µs 和 3 µs 时，击穿电压从 1.19 pu 降低至 1.08 pu 和
2009 特高压输电技术国际会议论文集
3
秒特性曲线[10]如图 10 所示，在小于 5 µs 的波前时 间范围内，击穿电压随波前时间延长均明显降低。
击穿电压峰值/k V
相对 1mm 击穿电压的 百分数/ %
500
210
400
168
300
126
200
84
100
42
0
0
0.1 1 102 104 106 108 1011
图6
电压/MV
0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 -2.5
0
20 40
60 80 100 120 时间/µs
Up=-2.259 MV，T1=2.524 μs，T2=45.031 μs
容量为 1000 MVA 的 1000 kV 特高压变压器雷电冲击
电压波形
由图 4 可见，该 500 kV 变压器波前时间 T1 为 1.47 μs，完全满足标准要求。图 5 则表明所示 750 kV
本文根据超、特高压变压器和电抗器的实际试 验波形，讨论电压和容量的增大对变压器和电抗器 雷电冲击试验波形波前时间的影响，同时结合油纸 绝缘系统的雷电冲击伏秒特性，分析雷电冲击试验 中波前时间对特高压变压器的影响。
1 变压器雷电冲击试验
1.1 标准雷电冲击 根据文献[4-5]的规定，进行变压器全波雷电冲
实际上，规定的特高压变压器的雷电冲击试验 电压为标准雷电波，产品的冲击分布计算、绝缘设
计都是依据标准波形进行的。但在试验过程 中，试验波形无法达到标准要求的波形，波头时间 将延长。根据第 3 节所述，在这种试验波形下，油 纸绝缘系统主绝缘的击穿电压将降低，这实际上意 味着增加波前时间的雷电波对特高压变压器考核 更为严格，甚至可能使试验失败。
另一方面，雷电冲击电压的波前时间实际上主 要影响绕组的纵绝缘，波头越陡对绕组匝间、段间 绝缘的影响越严重；而波长主要影响绕组的主绝 缘，波长越长对地绝缘承受的电压越高[2,12-13]。从 这个意义上说，波前时间延长又可能会对某些纵绝 缘的考核偏松，而对主绝缘的考核偏严。
因此进行特高压变压器、电抗器设计、研制和 试验时，应高度重视雷电冲击波形波前时间延长对 设备绝缘性能的影响。
图 7 是某公司特高压电抗器型式试验雷电冲击 电压波形。
0
电压/MV
−1
−2
−3
0
25
50
75
100
时间/μs
Up = −2.252 MV；T1=2.48 μs；T2=49.5 μs
图 7 容量为 240 Mvar 的 1000 kV 电抗器型式试验雷电冲 击电压波形
上述实际的全波雷电冲击试验的波形表明，在
2009 特高压输电技术国际会议论文集
1
特高压变压器雷电冲击伏秒特性的研究
李光范，李博，李鹏，李金忠，王宁华，赵志刚，程涣超，张书琦
（中国电力科学研究院，北京市 海淀区 100192）
摘要：随着 750 kV、1000 kV 输电技术的发展，相应的电力 变压器和并联电抗器的容量、尺寸和入口电容随之增大，试 验回路尺寸亦相应扩大，这使雷电冲击试验电压的波前时间 拉长，无法达到国内外标准的要求。根据 500 kV、750 kV 和 1000 kV 变压器和电抗器的实际雷电冲击试验波形，结合 油纸复合绝缘结构的雷电伏秒特性，分析了不同波前时间对 特高压变压器和电抗器绝缘水平的影响。目前变压器的设计 计算和试验电压的选取一般按照标准波头进行，而充油设备 的雷电冲击伏秒特性表明，雷电冲击试验电压波前时间的长 短与绝缘强度有密切关系，波前时间延长可能会对某些纵绝 缘的考核偏松，同时对主绝缘的考核偏严。因此，应在特高 压变压器、电抗器的设计研制和试验中，考虑和重视雷电冲 击波形波前时间延长所带来的影响。