雷电冲击试验（共5篇）
雷电冲击试验 篇1
1 雷电冲击试验介绍
雷电冲击试验是模拟发生在电力系统中的雷电波的电压波形而进行的试验, 其目的主要是考核设备的绝缘强度。雷电冲击试验能发现GIS设备安装过程中绝缘件表面清洁程度、导体和壳体是否存在划伤、毛刺等, 能保证设备达到设计得绝缘水平。但这种试验本身对绝缘件会有不同程度的损害, 建议严格按照标准进行试验。标准的雷电波形根据国家标准GB/T16927.1-2003《一般试验要求》规定为波形参数为:
波头时间tf=1.2μs±30%
波尾时间tt=50μs±20%
峰值允差±3%
这个波形规定为当1个雷电波沿着一定输电线传播, 到达设备时的电压波形。雷电冲击试验适用于变压器、电抗器、电力电缆、各类高压绝缘子、套管等试品的标准雷电冲击试验 (如图1) 。
2 雷电冲击试验在GIS出厂试验中的作用
GIS在安装过程中, 如果在对接、密封等作业方面出现失误, 导致电极表面刮伤或安装错位, 某些位置的尖角和毛刺又难以发现和彻底清理, 就会引起电极表面缺陷。在清理绝缘件时, 即使在封闭的无尘车间内, 空气中也会存在一定数量的尘埃、导电微粒等杂质, 无论如何清理都不可能达到“一尘不染”。特别是GIS开关操作时, 触头在即将接通时产生电弧, 就会产生一些导电微粒, 微粒在电场作用下很容易附着在绝缘子表面, 使绝缘子沿面闪络电压降低。利用雷电冲击试验可以尽早发现这些问题。不然设备投运后长期运行就会发生绝缘击穿现象, 导致设备不可修复的损坏。
3 试验程序
3.1 试验要求
(1) 按照图纸的气室分布图与试品对照是否一致?隔离盆和通盆是否安装正确?
(2) 查看共有几个气室, 每个气室的气室压力值是否满足试验要求:CB, 0.5 MPa, 其他0.55MPa, 气室的常开和常闭阀门是否操作正确?
(3) 每个气室的微水含量是否已进行测量?是否符合试验要求?
(4) PT (电压互感器) 的导体是否断开?不允许进行耐压和冲击试验。
(5) LA (避雷器) 的导体是否断开?不允许进行雷电冲击试验。
(6) 试品外壳是否已经接入地网?
(7) CT的二次端子是否全部短接并接入地网?
(8) 接地开关的接地片是否全部安装完毕?
(9) 主回路绝缘电阻测量, 用2500V摇表进行测试, 结果应大于2000MΩ。
3.2 试验电压的加压方法
试验电压从每相进出线套管进行加压, 施加到每相导体和外壳之间, 试验时分相进行, 如果是三相共箱设备, 其它两相应接地。试验中应使GIS每一部分都至少施加达到标准规定值得试验电压正负极性各三次。同时, 为避免某一加压间隔 (尤其带套管的间隔) 重复进行加压而导致绝缘老化或者损伤, 试验电压尽可能在多个套管施加。由于条件得限制。出厂试验一般仅作相对地和相间的雷电冲击试验, 不做断口间雷电冲击。冲击设备容量有限, 若GIS有多个间隔组装而成, 试验可以分间隔进行。
4 结果判定
(1) 如果GIS的每一部件施加3次具有规定波形和极性的额定耐受电压。如果没有发生破坏性放电, 测认为通过试验。如果发生1次破坏性放电, 则试品未通过试验。如果在自恢复绝缘上发生1次破坏性放电, 则再加9次冲击, 如果再无破坏性放电发生, 则通过试验。如果在试验期间按有关设备标准规定的检测方法发现非自恢复绝缘部分有任何损坏, 则试品未通过试验。
(2) 在试验过程中假如发生击穿放电不管是否通过试验都应该解体检查放电位置。并对放电部位按照规定进行处理。如果毛刺放电, 放电后毛刺消失, 可以不再进行高压试验。如果是绝缘件表面闪洛, 更换后应重新进行高压试验。
摘要：讲述了雷电冲击试验是GIS出厂试验的关键一项, 对于发现GIS在装配过程中的失误, 有着至关重要的作用。
关键词：雷电冲击,GIS,结果判定
参考文献
[1]鲍伟勇.变频谐振高压试验装置在GIS系统中的应用[J].河南省新郑市供电公司.
[2]俞华, 马悦, 连建华, 等.特高压GIS设备雷电冲击试验波形及参数探讨.
[3]一般试验要求.GB/T16927.1-2003[S].
雷电冲击试验 篇2
【课题编号】
3-1.3 【课题名称】
实验
硬度试验和演示拉伸及冲击试验 【教材版本】
郁兆昌主编．中等职业教育国家规划教材—金属工艺学（工程技术类）．第2版．北京：高等教育出版社，2006 【教学目标与要求】
一、知识目标
1．了解布氏、洛氏硬度测定得基本原理、应用范围，布氏、洛氏硬度计的主要结构；
2．了解金属材料屈服点、抗拉强度、断后伸长率和断面收缩率冲击韧度的测定方法。
二、能力目标
1．掌握布氏、洛氏硬度计操作方法，能正确测定试样的布氏、洛氏硬度值； 2．能正确计算σs、σb、δ，ψ值；正确测量Ak值计算ak值。
三、素质目标
了解硬度、拉伸、冲击试验原理，测定方法；会测定布氏、洛氏硬度；会计算σs、σb、δ，4和ak值。
四、教学要求
了解硬度、拉伸、冲击试验原理，测定方法；会测定布氏、络氏硬度；会计算σs、σb、δ，ψ和ak值。【教学重点】
测定布氏、洛氏硬度。【难点分析】
能根据材料种类、热处理状态和大致硬度，正确选择硬度试验方法和试验规范。【分析学生】
1.通过第一章金属的力学性能课堂教学，已具备了实验的相关知识水平。
2.硬度试验，学生从未做过，但操作不复杂，通过课堂教学对试验原理、规范选择、表示方法等知识已初步掌握，具备实验的能力基础。
3.学生对实验比较新鲜，也有兴趣，大部分同学会重视实践性教学环节；由于班级人数众多，实验中主动性强的学生动手机会多，主动性弱的学生动手机会少，要强调人人动手，争取主动做实验。
【教学设计思路】
教学方法：演示法、实验法。【教学资源】 1．郁兆昌，潘展，高楷模研编制作．金属工艺学网络课程．北京：高等教育出版社，2005 2．郁兆昌主编．金属工艺学教学参考书（附助学光盘）．北京：高等教育出版社，2005 【教学安排】
2学时（100分钟）（中间不休息）教学步骤：简要讲授和演示网络课程有关视频，尽量让学生动手做实验。【教学过程】
一、复习旧课（5分钟）1．简述
硬度试验原理，测定方法。
二、导入新课
简述今天实验内容，全班分两大组分别进行硬度试验和演示实验，然后交换进行。每个大组又分两个小组分别进行布氏和洛氏硬度试验；参加教师演示拉伸试验和演示冲击试验，先大组内小组交换；再大组交换。
三、新课教学（90 分钟）
1.硬度试验（50分钟）
教师简述实验内容和要求，布氏和洛氏硬度计结构、操作方法和注意问题。如有条件，演示网络课程测定球化退火T8A钢布氏硬度、测定淬火、低温回火GCr15钢HRC值两个视频。
本大组学生分两个小组分别进行布氏和洛氏硬度试验，规定时间进行交换。2.演示拉伸及冲击试验（40分钟）
教师简述拉伸试验、冲击试验演示内容和要求；拉伸试验机、摆锤式冲击试验机主要结构、操作方法和注意问题，强调冲击试验的安全问题。
如有条件演示网络课程拉伸试验机组成及操作、20退火钢拉伸试验、测定40Cr钢冲击吸收功三个视频。
本大组分两小组分别观看演示实验和观察试验设备（甲小组演示拉伸试验时，乙小组观察冲击试验设备；乙小组演示冲击试验时，甲小组观察拉伸设备。然后两个小组交换）。
四、小结（5 分钟）
教师小结本次实验纪律，实验效果。布置实验报告。
五、作业布置
完整记录实验数据，按教师给出的表格（布氏硬度实验数据记录表、洛氏硬度实验数据记录表）写在作业本上。
完成补充习题，从测试原理上分析，布氏硬度比洛氏硬度试验准确性高的原因是什么？
【板书设计】
雷电冲击试验 篇3
作为500 k V及以上的输电通道重点设备—— 大容量换流变,其绝缘性能的好坏对输电通道的安全运行起着决定性的影响。
雷电冲击试验作为Um>72.5 k V的全绝缘、 分级绝缘变压器的例行试验项目之一,是考核变压器绝缘性能的主要手段之一。在大容量换流变的雷电冲击全波试验过程中,由于其绕组的冲击电容大、等值电感小,往往不可能得到标准规定的波形,冲击电容大会使波前时间延长,等值电感过小往往会造成波尾时间缩短。 在调整波形时间参数时,调节系统串并联电阻可能会使振荡峰值或过冲值大到无法接受的地步,因此在试验过程中要时间参数和过冲值两者同时兼顾。GB 1094.4中规定当发生上述情况时由制造厂和用户协商波前时间的极限值, 亦应尽量保证过冲值不大于10%。
本文以下对大容量换流变实际试验过程中的雷电冲击波形参数进行统计,找出因波形参数协商过程的人为因素而造成的最终接受的雷电冲击试验波形时间参数的分散性程度。再讨论波前时间和波尾时间值对变压器绝缘考核效果的影响[1,2],指出在换流变招投标时,应修订标准的形式统一规范明确对雷电冲击试验的规范要求。
1变压器雷电冲击试验
1.1雷电冲击试验的标准规定
根据GB 1094.3和GB/T 16927.1等标准的规定,变压器的标准雷电冲击电压是指波前时间T1为1.2 μs,波尾(半波峰)时间T2为50μs的光滑的雷电冲击全波。其峰值允许偏差为 ±3%,波前时间允许偏差为 ±30%,波尾时间允许偏差为 ±20%,允许相对过冲最大幅值不超过10%(图1)。GB 1094.3规定:Um≥ 300 k V的分级绝缘变压器,雷电冲击试验线端全波是例行试验,线端截波是型式试验[3,4]。
大容量高电压变压器的典型雷电冲击试验回路如图2所示,波前过程等值回路如图3所示, 低电感绕组波尾过程等值回路如图4所示。图2至图4中Rs为串联(波前)电阻,RP为并联(波尾)电阻,Cg为冲击发生器本体电容,Ct为试品电容,Lt为试品电感,CL为回路电容,C1为电容分压器的电容,C=Ct+CL+C1。
由图3可知,波前时间可计算得到
式中k为常系数。
由图4,波尾时间可计算出
从式(1) 可以看出, 当Cg>>C时, 波前时间与电容C、电阻Rs成正比,尤其是换流变, 由于其容量大、电压高造成变压器的冲击电容大,再加上整个冲击试验回路尺寸大造成回路杂散电容大,因此等值电容C很大,要减小波前时间T1只有通过减少电阻Rs来调节。但另一方面,同样由于试验回路尺寸大,回路电感L也较大,为避免振荡、过冲太大,必须加大波前电阻Rs,因此波前时间和波形过冲的调节存在相互矛盾之处,对于换流变来说要想获得标准波形有较大的难度。从式(2)中可以看出, 采用非被试绕组短路接地(通常试验接线方式) 时,Lt就是变压器的漏抗,一般换流变阀侧的漏抗较小,因此阀侧绕组的波尾时间有可能小于标准波形的要求。
波前、波尾时间的调整还有很多的办法, 在GB 1094.4和国内的一些变压器试验技术书籍里面均有详细的介绍,但基本上仍无法彻底解决上述由于换流变压器本身结构原因造成的超过标准波形的情况。因此在GB 1094.3、GB1094.4、GB/T 16927.1中均说明在此情况下,由制造厂和用户协商波前、波尾时间的极限值,但应尽量保证过冲值不大于10%。
1.2换流变雷电冲击试验波形参数
自2010年以来,南网公司已累计订购换流变30台套,现将换流变的雷电冲击试验波形参数按同一容量、同一电压等级、同一档位,不同制造厂、不同项目、不同时期等三类进行分类统计。
换流变额定容量大小都在317 600 k VA附近,网侧1.1绕组雷电冲击试验全波线端试验电压为1 550 k V,都在换流变分接开关N档进行,可以看出在保证相对过冲幅值不大于10% 的情况下,在不同制造厂、不同项目、不同时期进行生产的变压器的雷电冲击波形的波前时间有较大的差异,分布在2.0-4.0 μs之间,波尾时间部分出现小于40 μs的现象。这就说明由于不同制造厂、不同项目、不同时期等因素, 造成了最终接受的试验结果大相径庭,尤其是波前时间差异幅度高达200%。虽然这其中有换流变自身结构冲击电容大、低电抗的原因,但也不乏制造厂的冲击试验设备限制、试验人员调波经验不足或导致用户被迫接受当时的试验结果[5]。
2波形时间对冲击试验考核的影响
2.1变压器雷电冲击试验的波过程
变压器雷电冲击试验过程的绕组简化等值电路如图5所示,其中:Ls为单位长度的电感; Cs为单位长度的纵向电容;Ce为单位长度的对地电容。
当雷电冲击波作用在绕组上时,由于冲击电压的波前部分和波尾部分的等效频率极高, 一般约在10~298 k Hz范围内,从而绕组的感抗值 ωL极大,绕组电感中的电流极小,可以忽略不计。因此在雷电冲击电压的作用下,变压器绕组可以近似为纵向电容和对地电容的串并联回路,绕组的初始电压分布由其纵向电容和对地电容值决定。绕组中的初始电压分布是极不均匀的,大部分电压落在绕组首端附近。而绕组电压的最终稳态分布只决定于绕组的电阻, 对于均匀绕组,其电压稳态分布应是均匀的, 当中性点(或一端)接地时,它应该是一条斜的直线。在电压起始分布到稳态分布的过渡过程中,由于绕组等效电路中含有电感和电容, 所以瞬变过渡过程是振荡的。理论分析表明: 末端接地的绕组中,最大电位值出现在绕组中上部;绕组各点将在不同时刻出现最大电位梯度,开始首端出现最大值,振荡过程中靠近末端也会出现很大值,参见图6所示。
2.2波前时间对变压器绝缘考核效果的影响
经试验研究表明,绕组内的波过程振荡程度与作用在绕组上的冲击电压的上升速度有关系。波前时间越短,冲击电压上升速度越快, 绕组中的波过程振荡越激烈;反之,波前时间越长,波过程振荡就越接近于稳态分布,振荡发展就越平缓,绕组各点之间的最大电位梯度以及对地最大电位也会有所降低。而且随着波前时间的延长,尤其在1-5 us范围内,油纸绝缘系统的击穿强度将会降低。易于看出,波前时间越短对变压器的纵绝缘冲击梯度分布要求越严格,对绕组段间、匝间绝缘的影响越严重, 而随着波前时间的延长,变压器的主绝缘击穿强度将会降低,因此波前时间延长可能会对变压器纵绝缘的考核偏松,而对变压器主绝缘的考核偏严[6]。
2.3波尾时间对变压器绝缘考核效果的影响
GB1094.4指出:对于波尾来说,变压器的等效电容可用套管电容和对地电容的某一部分来估算,则此时主要是对变压器的主绝缘进行考核。如果波尾时间较短,电压作用的持续时间就短,可能不会使绕组中部对地的绝缘产生较大的电气应力。参照变压器油的击穿电压峰值和作用时间的关系(如图7所示),随着电压作用时间的延长,击穿电压峰值呈下降趋势,尤其在100 μs以内下降的程度更为明显。因此波尾时间的缩短可能会对变压器主绝缘的考核偏松。
3对长波前时间短波缩小时间的做法
针对长波前时间、短波尾时间可能会对变压器绝缘考核效果所造成的影响,国内外已开展对标准雷电冲击波形的作用效果的等价性研究。相关文献指出,为了弥补波前时间延长超限,全波试验不能严格考核变压器纵绝缘梯度电压的缺陷[7],可考虑把雷电截波试验作为补充例行试验项目来对纵绝缘进行严格考核。而新版IEC 60076.3:2013规定: 如因为需要减少相对过冲幅值小于5% 而需要增加波前时间超过标准要求,将增加雷电冲击截波试验,但所有Um≤ 800 k V的设备的波前时间不应大于2.5 μs。如买卖双方同意接受波尾时间小于40μs,则波尾时间每减少2 μs电压幅值增加1%, 但波尾时间不得小于20 μs。
4结束语
进一步以修订标准的形式统一规范如下对雷电冲击试验的的长波前、短波尾的接受准则, 是十分必要的。
1)如因为需要减少相对过冲幅值小于10% 而需要增加波前时间超过标准要求,须增加雷电冲击截波试验,但所有Um≤ 800 k V的设备的波前时间不应大于2.5 μs。
2)如买卖双方同意接受波尾时间小于40μs,则波尾时间每减少2 μs电压幅值增加1%, 但波尾时间不得小于20 μs。
参考文献
[1]孙锋.浅谈雷电冲击试验[J].电气制造.2009(06).
[2]杨敏青,朱士全.大型变压器雷电冲击试验波形的改善[J].变压器.1999(03)
[3]何宏明.干式变压器雷电冲击试验故障判断分析[J].高电压技术.1991(03).
[4]王维政.关于配电变压器雷电冲击试验中的调波问题[J].电机与控制学报.1984(02).
[5]万长鸿.电力变压器雷电冲击试验故障分析探讨[J].水利天地.2013(07).
[6]郭建贞,陈顺国,王雪刚.超高压并联电抗器操作冲击试验的参数调整[J].变压器.2010(07)
雷电冲击试验 篇4
1 接地网雷电流冲击特性模拟模型计算方法
该计算方法:用傅里叶级数把雷电流分解成不同频率下幅值;利用电磁场理论计算出自互阻和自互感;利用节点电压法建立接地网模型;根据地网模型建立适用于编程的矩阵方程, 从而求解出频率分量的电流响应。
1.1 傅里叶分解雷电流
图1是中国电工部门推行的标准雷电流波形, 波头为tf, 波长时间为tt, 在波形上取两点, 分别是10%倍和90%倍的幅值, 以这两点做直线交与时间轴所得的值即是t0。实际工程中, 大多都采用直角波形代替标准波形, 基本可以满足实际需求。
图1所示的雷电流可采用双指数函数来表达:
式中:I0是雷电流幅值;t1和t2是待求的参数。文献[6]中利用闪电的三个特性得出t1和t2的值。求出t1、t2后, 通过傅里叶级数对式 (1) 进行转化, 使雷电流分解为各个频率下随时间变化的函数。
傅氏级数的转化公式如下:
式中:f (x) 是具体的函数;l是函数的周期, 根据实际情况选取。
图2显示的为30 kHz的频谱。幅值为1.4 kA, 波形为2.6/50μs的雷电流通过上述的傅里叶分解得到频域中的各个频率分量。
1.2 节点电压法在接地网中的应用
接地网假设导电材料形状为圆柱体, 且导体长度远远大于导体半径。计算时各种接地极形状均可等效成圆柱体。本文分析接地网模型是在假设埋设处于均匀土壤的情况下, 土壤的电阻率为ρ, 介电常数为ε=εr·ε0, 磁导率为μ0。
文献[7]中将接地网的接地体分成N段, N值越大计算结果越接近真实值, 但N取得过大, 不仅需要较大的计算机内存而且计算时间过长。文中提出多个假设:
1) 散流到土壤的电流都是从该导体的中点入地。
2) 用端点电压来求得支路电压。
3) 把接地网分成r段及n个节点。
图3是某个节点的等效电路, 每段导体k上有一个沿导体方向的轴向电流和一个散流到土壤的散流电流。
接地网中任意点注入电流F后, 地网中每个节点就会产生电位。等电位计算时, 假设整个地网节点电位是均等的。令节点j的电压为Vj (以无穷远点为参考点) 。定义第k段支路电压为[8]
式中:l和m为k支路的两个端点。所有支路可以写为矩阵形式:
式中:[U]为支路电压列向量;[V]为节点电压列向量;[K]是一个二维矩阵, 当支路i和支路j相连时, 矩阵中的元素kij=0.5, 否则为0。
每段导体上除了轴向电流分量外, 同时有泄露电流I散流到土壤中, 因此所有支路有
式中[G]为自互阻阵, 文献[8]中已经给出了计算方法。
将支路泄露电流I等分到与之相连的每个支路上有
式中:[J]为等效节点泄露电流列向量;[K]T为[K]的转置。
对于整个接地网, 可得到
式中[Y]为节点导纳矩阵, 文献[9]已经给出计算方法。
综合式 (2) —式 (6) 有
由式 (7) 中可以得出, 输入注入电流[F]就可以求出[I]、[V]和[U]。
2 计算实例与分析
程序运行过程中, 在工频情况下输入注入点电流, 得出的注入点电压即为接地电阻。计算冲击接地电阻时, 按照上述方法, 将不同频率分量下的电位经过叠加, 算出入地点的最大电位, 从而求出冲击接地阻抗。上述过程, 已经用MATLAB编程中得到实现。在编程过程中, 基本频率采用1 kHz, 最高频率为300 kHz。
将本文计算所得到的结果与运用CDEGS计算得到的结果进行比较。一接地网100×100 m2钢材料组成, 接地极直径为0.01 m, 埋深为0.6 m, 土壤电阻率为1000Ω·m, , 导体电阻率为1×10-7Ω·m, 真空磁导率4×π×10-7, 雷电流幅值为1 kA, 电流由角网孔中间入地。本程序运行结果为7.2592Ω, CDEGS为7.4571Ω。本文所编程序运行和CDEGS运行的电压震荡图如图4所示。
从图4可以得出, 由两者数值计算得到的结果非常接近。
3 结语
本文利用节点电压法, 建立接地网在雷电流下的接地模型, 并且给出了相应的解析表达式。利用傅里叶级数分解雷电流, 分析出频域特性, 从而求出需要的接地参数。将所得数据与CDEGS计算比较, 可以得出本文计算方法的正确性。
参考文献
[1]GUPTA B R, THAPAR B.Impulse impedance of grounding grids[J].IEEE Transaction on Power Apparatus and Systems, 1980, 99 (6) :2357-2362.
[2]MCLIOPOILOS A P, MOHARAM M G.Transients analysis of groun-ding systems[J].IEEE Transaction on Power Apparatus and systems, 1983, 102 (2) :389-399.
[3]MAZZETTIE C, VECA G M.Impulse behaviour of grounding elect-rodes[J].IEEE Transaction on Power Apparatus and systems, 1983, 102 (9) :3148-3154.
[4]余绍峰.考虑时频特性的地网导体的暂态分析[D].北京:清华大学, 2003:35-43.
[5]NEKHOL B, C.GUERIN C, LABIE P, et al.A finite element methed for calculating the electromagnetic fields generated by substation grounding systems[J].IEEE Transaction on Magnetics, 1995, 31 (3) :2150-2153.
[6]GOLDE R H.雷电[M].北京:电力工业出版社, 1982:24-25.
[7]李中新, 袁建生, 张丽萍.变电站接地网模拟计算[J].中国电机工程学报, 1999, 19 (5) :76-79.
[8]李中新.变电站接地网模拟计算[D].北京:清华大学, 1999:76-77.
雷电冲击试验 篇5
电缆绕组变压器是1种新型干式电力变压器,其主要的结构特点就是把XLPE电力电缆直接绕制成变压器绕组,利用XLPE绝缘代替了传统的油浸式绝缘,从而为解决传统油浸式变压器的油纸绝缘问题提供了新的思路[1,2,3,4]。在其挂网运行时,由于自身结构的特殊性,当有雷电电压侵入这种绕组时,其芯线及外半导电屏蔽层上出现与侵入传统油浸纸绝缘结构绕组时不同的暂态电压,这一电压既有行波的特点,又有耦合和感应的特点[5,6,7,8]。
一方面,它会引起变压器内部不均匀的匝间电压分布;另一方面,暂态电压中含有的振荡谐波的频率与变压器中的若干谐振频率匹配,可能引起谐振过电压,从而破坏绕组与铁心以及匝间的绝缘。为了防止过电压对绕组的绝缘造成损坏,并且为改进此类变压器的绝缘设计提供理论依据,在建立宽频带等效模型的基础上对其进行幅频特性的分析是非常必要的。所以,对电缆绕组变压器的防雷保护问题进行研究也是非常必要的[9]。
1 电缆绕组的试验模型
1.1 绕组模型
电缆绕组线圈的XLPE电缆为同轴圆柱结构,图1为其剖面图,和一般电力电缆不同,它没有外金属屏蔽及护套,只有1层外半导电层。绕组工作时,外半导电层在若干处以一定规律作金属性接地,以保证外半导电层的电位在稳态工作时尽量接近地电位。
由于只有漏磁通才对线圈的冲击电压响应起作用,且空心电感计算简单快捷等原因,有相当的学者认为可以不考虑铁心的影响,用空心线圈电感来分析变压器绕组的波过程,不会引起很大的误差。故本文所研究的XLPE电缆绕组为一筒形空心线圈。绕组全长239 m,径向2层,轴向32匝,高约1.1 m,内半径为0.56 m,2层绕组之间沿轴向方向有8根直径1 cm的绝缘杆支撑。该绕组XLPE电缆剖面外直径33.4 mm,芯线导体直径8.0 mm,内外半导电层厚度分别为0.7 mm、0.8 mm。绕组每匝的外半导电层上有对称2点通过铜线引出相连后接地。试验时绕组立式放置,绕组底部离地1 m,由绝缘支架支撑。
绕组的输入端与末端均在最下部。将外层绕组的最下一匝视为第1匝,对绕组的匝数由下到上再到下进行编号,内层最下面一匝为第64匝。图2为试验所用绕组照片。
该双层绕组的结构尺寸如图3所示。
2 模拟雷电波作用下芯线电位分布
2.1 试验方法
本文采用HAEFELY Type 481冲击电压发生器作激励源,在该绕组的首端施加一标准雷电波,用数字存储示波器Tek TDS3052等进行测量。被试对象为图2所示的试验绕组。
通过调节HAEFELY Type 481发生器的R、C可获得不同波形的冲击电压。它能产生峰值在500 V以下的冲击电压全波和截断波。该发生器具有重复脉冲输出和单次脉冲输出的功能,但使用重复脉冲输出时,其脉冲频率为25 Hz。仪器内部已根据通常的使用要求设置了电容、电感、电阻的选择范围,当所需参数超出其选择范围时还可以利用外接元件的方法解决。其电路构成如图4所示。图4中Cs、Cb、Rs、Rp的值可调。
2.2 绕组末端开路时芯线电位分布
本文详细测取了绕组的芯线电压分布。末端开路时,由图5可以看出,第17匝电压波形除起始的十几个微秒的高频部分外,其电压波形与首端电压加32匝的芯线电压和的平均值是十分吻合的,电缆绕组第17匝波形前部谐振频率以外的高频分量衰减比较快。从图6可以看到第32匝的芯线电压与首端电压加末端电压和的一半以及17匝电压加48匝电压和的平均值基本吻合。
图7为双层绕组芯线电压的输入电压与其他各匝电压减去输入电压之后的比较。即其他各匝芯线电压减去波尾的偏置电压后的振荡电压幅值与首匝电压大小的比较,图中所示振幅比值为1:1.965:3.018:3.947。可以看出绕组振荡的幅值几乎是随匝数增加严格按线性增加的,这说明绕组的初始电压分布值随匝数增加按线性减少。图8为初始电压分布、最终电压分布与最大电位分布的相对值示意图。由图5—图8可以看出与传统变压器绕组类似的是,芯线的电压都可看作雷电波波头引起的振荡叠加波尾的偏置。而不同的是:与首端电压相比振荡的幅值相当高,末端振荡幅值的最大值超过首端电压的最大值,芯线电压出现了负值。此外除波形前部有高频振荡外各处振荡的频率、相位严格相等,振荡的主要频率只有1个。
2.3 绕组末端接地时芯线电位分布
图9可以看出绕组中部的32匝有振荡,较17匝、48匝的频率高但衰减较快。图10是首端输入电压与各匝振荡幅值的比较,其中振荡幅值是各匝电压波形减去输入电压波尾3/4、1/2和1/4电压得到的。
末端接地时,双层绕组的初始电压分布与开路时明显不同。不同层的同一匝绕组振荡电压的相位并不相同,相差接近180°,而电感较大的地方振荡幅值较大,电缆绕组的基频电压按匝数增加呈正弦形分布。
3 模拟雷电波作用下外半导电层上的电位特点
与单层电缆绕组相同:外半导电层上的电压是由芯线电压经电容耦合得到的。由于绕组前部芯线电位较高且陡度大,故绕组前部的外半导电层上感应的电压较高,是匝间绝缘最薄弱的部位。
图11与图12比较了芯线电压值差分后与对应匝的外半导电层电位值。可以看出波形的整体趋势吻合很好,波形后部完全吻合,但波形前部的峰值没有很好地吻合。文献[10]认为原因是:1)高频分量没有被很好地完全测量到;2)实际中高频分量没有完全传递到外半导电层。
由于各种频率的电压耦合系数不一样,而芯线电压含有的除了谐振基频之外的分量衰减很快,作用迅速减小,衰减后单一频率下芯线电压的微分值与外皮电压将呈固定比例。任取第17匝的芯线电压和外皮电压,将其绘制在图13、图14中,可以看出除了波形起始的几个微秒之外,芯线电压的极值与外皮电压的零值完全对应,进一步证明外皮上的电压完全是由芯线电压经电容耦合得到。
4 结论
本文主要介绍了对双层电缆绕组模拟雷电波作用的试验研究。研究发现:1)绕组的初始电压分布和强磁耦合的传统绕组类似,末端开路时初始电压分布呈直线形,末端接地的基频电压分布呈正弦形;2)外半导电层上的电压是由芯线电压经电容耦合得到的。由于绕组前部芯线电位较高且陡度大,故绕组前部的外半导电层上感应的电压较高,是匝间绝缘最薄弱的部位;3)电缆绕组在暂态下表现的强磁耦合特性可由电缆绕组的结构得到解释,因为外半导电层将电场限制在电缆内部,削弱了匝间的电耦合,相应必定加强了绕组磁耦合的联系。
参考文献
[1]ANDERSSON L,KJELLBERG M,PARKEGREN C,et aL. Powerformer Chosen for Swedish Com-bined Heat and Power Plant[J].ABB Review,1999,(3):19-23.
[2]ANDERSSON T,FORSMARK S,JAKSTS A.Drvformer:A New Type of Oil-free Power Transformer with Low Environmental Impact[J].ABB Review,2000,(3):59-64.
[3]HOLMBERG P,LEIJON M,JOHANSSON S.A Wideband Lumped Circuit Model of the Terminal and Internal Electromagnetic Response of Rotating Machine Windings with A Coaxial Insulation System[J].IEEE Transaction on Energy Conversion,2004,19(3 ):539-546.
[4]HOLMBERG P,LEIJON M,WASS T.A Wideband Lumped Circuit Model of Eddy Current Losses in A Coil with A Coaxial Insulation System and A Stranded Conductor[J]. IEEE Transaction on Power Delivery,2003,18(1 ):50-60.
[5]雷琅,吕亮,孟峥峥,等.雷电波侵入XLPE电缆绕组的暂态特性[J].电工电能新技术,2008,27(1):51-54.
[6]孙辉,喻岩珑,李晟,等.交联聚乙烯电缆中电树枝仿真与场强计算[J].陕西电力,2011,39(3):26-29.
[7]王军.谐振技术在XLPE电缆试验中的应用[J].陕西电力,2006,34(1):55-56.
[8]蒲路,郑建康,景晓东,等.交联电力电缆运行维护新技术评估[J].陕西电力,2009,37(7):57-61.
[9]雷琅,吕亮,孟峥峥,等.外半导电层经电阻接地后XLPE电缆绕组的暂态现象[J].高压电器,2008,44(4):368-370.