CN101800119B

CN101800119B - 耐雷配电变压器

Info

Publication number: CN101800119B
Application number: CN2010101418308A
Authority: CN
Inventors: 李景禄; 曹斌; 彭利强
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-04-08
Filing date: 2010-04-08
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2030-04-08
Also published as: CN101800119A

Abstract

本发明公开了一种耐雷配电变压器，它包括变压器外壳(1)、装设于变压器外壳(1)内的高压侧绕组(2)、低压侧绕组(3)和铁芯(4)，所述高压侧绕组(2)和所述低压侧绕组(3)均为曲折绕组单元，所述曲折绕组单元由绕设于所述铁芯(4)的各个芯柱上的绕组单元组成，所述绕组单元的数量与配电变压器的相数相同，所述绕组单元由前半绕组和后半绕组组成，所述曲折绕组单元中前半绕组和后半绕组的绕数相同、绕向相反，所述曲折绕组单元中任一个前半绕组与不同绕组单元的一个后半绕组相连。本发明可以有效防御来自高压侧和低压侧的雷电来波，可以有效保护低压侧的弱电设备，具有耐雷性能好、输出电压稳定、使用寿命长的优点。

Description

耐雷配电变压器

技术领域

本发明涉及变压器领域，具体涉及一种耐雷性能好的配电变压器。

背景技术

雷电是一种极具破坏力的自然现象，其电压可高达数百万伏，瞬间电流可高达数十万安培。我国土地辽阔，南方大多地区地处亚热带，雷电活动频繁，平均雷暴日在70日左右，某些地区年雷暴日甚至高达100～130日。根据我国雷害频繁地区雷击变压器事故的资料统计，雷害事故主要有两个方面：

1)雷击造成配电变压器损坏，一般是高压线路遭雷，雷电冲击波沿配电线路侵入，造成配电变压器被雷击毁，且雷电过电压传递到变压器的副边，打坏重要的弱电设备。比如雷达站、微波站、移动通信站、风电厂、民航、军工部门等采用了大量的弱电设备，这些微电子设备对雷电干扰大都非常敏感，在雷电活动时，配电变压器相对来说绝缘裕度比较大，雷击时可能并不损坏，但雷电过电压可能通过变压器传递到低压侧而把低压侧的弱电设备打坏，这类事故随着计算机在电力系统的大量应用而成为事故频发的原因，不仅给供电企业带来极大的经济损失，也严重影响了供电可靠性和人民的日常生活。

长期以来，为了减少雷害事故的发生，提高供电可靠性，人们采取各种防雷措施对配电网进行保护。配电网绝缘水平低，雷害事故发生频繁，对配电网的影响较大，随着人们对电力系统供电可靠性越来越高的要求，对电力系统防雷保护的重视程度也越来越高。目前DL/T620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》建议配电变压器采用如图1所示的防雷措施。在实际应用中，很多现有技术都是采用图2所示的防雷保护接地方式：配电变压器包括变压器外壳1、装设于变压器外壳内的高压侧绕组2和低压侧绕组3，高压侧绕组2采用Y型联接结构，高压侧绕组2的A、B、C三相外接避雷器A3、B3、C3，A、B、C三相的中性点o无引出线；低压侧绕组3采用yn型联接结构，低压侧绕组3的a、b、c三相无避雷器，低压侧绕组3的中性点n有中性点引出线N，且中性点引出线N接地，变压器外壳1保持接地。但是大量研究和运行经验均表明，该防雷措施仅在高压侧采用避雷器保护时，在雷电波作用下仍有损坏现象，一般地区年损坏率为1％、多雷区可达5％左右，个别100雷暴日的雷电活动特殊强烈地区，年损坏率高达50％左右。如图3所示，以容量为500kVA，高压侧线路为10kV线路，变比为10/0.4kV的配电变压器为例分析雷击浪涌的传播途径，绕组间的互电容C₁₂为944pF，低压侧对地电容C₀为1239pF，避雷器与所用变压器之间的电气距离为l，则施加在变压器高压侧的电压约为：

U_{t} = U_{r} + 2 a \frac{l}{v} + L \frac{di}{dt}

式中，U_t为施加在所用变压器高压侧绕组的电压，单位kV；

U_r为避雷器动作后的残压，单位kV；

a为雷电波的陡度，单位kV/us；

l为避雷器与变压器之间沿连接线分开的距离即电气距离，单位m；

v为雷电波的波速，单位m/us；

L为避雷器接地引下线的电感，uH；

i为通过避雷器的雷电流，单位kA。

在10kA，8/20μs的雷电波下，10kV避雷器的残压最大不超过45kV，取L＝1μH，di/dt＝1.25kA，则引下线上的压降为1.25kV。取避雷器与配电变压器之间的距离l＝50m，v＝300m/μs则可得配电变压器的高压侧的电压最大值约为：

U_t＝45+2×1.25×50/300+1.25＝46.6kV。

低压侧的最大电磁感应过电压为：

U_{d} = \frac{2 k Z_{2}}{Z_{1} + k^{2} Z_{2}} U_{t}

式中，U_d为感应到所用变压器低压侧的雷电过电压，单位kV；

k为所用变压器的变压比；

Z₁为变压器高压侧线路的波阻，单位Ω；

Z₂为变压器低压侧线路的波阻，单位Ω。

取Z₁＝500Ω，Z₂＝50Ω，可求得U_d＝3.67kV

除电磁感应感应到配电变压器低压侧的电压以外，高压侧的电压还会通过配电变压器高低压绕组间的电容耦合至低压侧。如配电变压器的低压侧开路，高压侧遭受雷击，出现雷电过电压U_t时，它将通过绕组间相互部分电容C₁₂与低压侧三相对地部分电容C₀所组成的电容耦合回路传递至低压侧，使低压侧出现传递过电压U₂，由图4可知，则有：

U_{2} = U_{t} \frac{C_{12}}{C_{12} + 3 C_{0}} = 46.6 \times \frac{944}{944 + 1239} \approx 9.32 kV

因此通过电磁感应感应、电容耦合，雷电干扰经变压器传输至低压侧的雷电浪涌最大值约为13kV，由于大多数所用变压器的低压侧都没装避雷器保护，且大多没有任何防雷措施，这一过电压必然波及到发电厂、变电所的整个低压电源系统。由于所用变压器低压侧的绝缘裕度比较大，一般不会造成绝缘击穿，但是变电站在低压电源没有过电压保护措施，雷电过电压得不到有效限制，就会在低压电源系统中的绝缘薄弱处造成击穿。微机系统的电子元件则正是绝缘的薄弱环节，微机系统的电源模块又首当其冲，所以往往造成电源模块的击穿、损坏。此外，由于高压侧中性点没有引出中性线，中性点容易受雷击损坏。

2)当雷电波从低压侧侵入配变时，由于没有避雷器的保护，雷电波直接侵入低压侧绕组，导致低压侧绕组中性点电位偏移，从而按电磁感应定律以变比的倍数升高到高压侧，使其电位高出额定值的十几倍，极大地威胁着配电变压器的的绝缘。由此可见，配电变压器低压侧没有装设避雷器保护是配电变压器产生正变换过电压、导致配电变压器被雷击坏的主要原因之一。

发明内容

本发明针对上述现有技术的缺点，提供一种可以有效防御来自高压侧和低压侧的雷电来波，可以有效保护低压侧的弱电设备，具有耐雷性能好、输出电压稳定、使用寿命长的耐雷配电变压器。

本发明采用的技术方案为：一种耐雷配电变压器，它包括变压器外壳、装设于变压器外壳内的高压侧绕组、低压侧绕组和铁芯，所述高压侧绕组和所述低压侧绕组均为曲折绕组单元，所述曲折绕组单元由绕设于所述铁芯的各个芯柱上的绕组单元组成，所述绕组单元的数量与配电变压器的相数相同，所述绕组单元由前半绕组和后半绕组组成，所述曲折绕组单元中前半绕组和后半绕组的绕数相同、绕向相反，所述曲折绕组单元中任一个前半绕组与不同绕组单元的一个后半绕组相连，所述低压侧绕组的各相分别与一个避雷器相连，所述低压侧绕组的中性点引出线接地，所述高压侧绕组的各相分别与一个避雷器相连，所述变压器外壳接地；所述高压侧绕组的中性点引出线与一个避雷器相连；连接所述低压侧绕组各相的各个避雷器、所述低压侧绕组中性点引出线、连接所述高压侧绕组各相的各个避雷器、所述连接高压侧绕组中性点引出线的避雷器以及所述变压器外壳与同一接地点相连。

本发明具有下述优点：

本发明通过高压侧绕组和低压侧绕组的联接结构可以有效抵消高压侧与低压侧之间的电磁感应，从而可以有效抑制正变换过电压和逆变换过电压，耐雷性能好，输出电压稳定，可以有效保护变压器自身和低压侧的弱电设备。

通过低压侧绕组分别与避雷器相连，可以抑制低压侧受雷击产生的正变换过电压，从而可以有效保护配电变压器的高压侧不受正变换过电压损坏；高压侧绕组的中性线与避雷器相连，可以有效保护高压侧的中性点，从而可以提高整个配电变压器的使用寿命。

此外，通过连接低压侧绕组的避雷器、低压侧绕组中性点引出线、连接高压侧绕组的避雷器、连接高压侧绕组中性点引出线的避雷器以及所述外壳共同接地，使得变压器的主绝缘在避雷器动作时可承担避雷器的残压，抑制逆变换过电压，且可有效保护变压器最容易被击毁的中性点，进一步提高配电变压器的使用寿命。

附图说明

图1为现有技术的一种配电变压器的绕组联结组别与防雷保护接线示意图；

图2为现有技术的另一种配电变压器的结构示意图；

图3为图2的电容分布示意图；

图4为图1和图2中电容耦合的电路原理示意图；

图5为本发明实施例中的配电变压器的结构示意图；

图6为本发明实施例中高压侧绕组、低压侧绕组的结构示意图；

图7为本发明实施例中高压侧绕组、低压侧绕组的联结结构示意图。

具体实施方式

如图5和图6所示，本实施例的配电变压器包括变压器外壳1、装设于变压器外壳1内的高压侧绕组2、低压侧绕组3和铁芯4。高压侧绕组2和低压侧绕组3均为曲折绕组单元，曲折绕组单元由绕设于铁芯4的各个芯柱上的绕组单元组成，绕组单元的数量与配电变压器的相数相同，绕组单元由前半绕组和后半绕组组成，曲折绕组单元中前半绕组和后半绕组的绕数相同、绕向相反，曲折绕组单元中任一个前半绕组与不同绕组单元的一个后半绕组相连。

如图6和图7所示，在本实施例中的配电变压器为三相配电变压器，高压侧包括A、B、C三相，低压侧包括a、b、c三相，铁芯4上设有用于绕设绕组线圈的芯柱41～46。

高压侧绕组2和低压侧绕组3分别采用曲折绕组，形成双曲折联结结构。高压侧的曲折绕组单元分别由前半绕组A1、B1、C1和后半绕组A2、B2、C2组成，前半绕组A1、B1、C1和后半绕组A2、B2、C2的绕数相同、绕向相反。前半绕组A1和后半绕组A2作为一个绕组单元绕设于芯柱41上，前半绕组B1和后半绕组B2作为一个绕组单元绕设于芯柱42上，前半绕组C1和后半绕组C2作为一个绕组单元绕设于芯柱43上。前半绕组A1与后半绕组B2相连，前半绕组B1与后半绕组C2相连，前半绕组C1与后半绕组A2相连。

低压侧的曲折绕组单元分别由前半绕组a1、b1、c1和后半绕组a2、b2、c2组成，前半绕组a1、b1、c1和后半绕组a2、b2、c2的绕数相同、绕向相反。前半绕组a1和后半绕组a2作为一个绕组单元绕设于芯柱44上，前半绕组b1和后半绕组b2作为一个绕组单元绕设于芯柱45上，前半绕组c1和后半绕组c2作为一个绕组单元绕设于芯柱46上。前半绕组a1 与后半绕组b2相连，前半绕组b1与后半绕组c2相连，前半绕组c1与后半绕组a2相连。

由于同一侧的前半绕组与后半绕组的绕数相同、绕向相反，且前半绕组与同一侧的不同相的后半绕组相连，以低压侧为例，前半绕组a1的零序磁通Φa1和后半绕组a2的零序磁通Φa2相反，前半绕组b1的零序磁通Φb1和后半绕组b2的零序磁通Φb2相反，前半绕组c1的零序磁通Φc1和后半绕组c2的零序磁通Φc2相反，从而零序磁通Φa1和Φa2相抵消、Φb1和Φb2相抵消、Φc1和Φc2相抵消，高压侧依此类推。

本实施例中的配电变压器耐雷的原理如下：

1、低压侧绕组在冲击电压作用下，绕组电感中会逐渐通过电流，所产生的磁通将在高压侧绕组中感应出电压，这种电压就是电磁感应分量，电磁感应分量与变压器绕组的变比有关，但在冲击波作用下，铁芯中损耗很大，所以又不是与变比成正比关系。由于低压绕组的相对冲击强度(冲击耐压与额定相电压之比)要比高压绕组大得多，因此，凡是高压绕组能够耐受的过电压波按变比传递到低压侧时，对低压绕组是没有危险的。但是，这个电磁感应分量在低压绕组进波时，很可能在高压绕组中引起危险，例如它往往成为配电变压器在低压侧线路遭雷击时，发生高压绕组绝缘击穿的事故原因。低压侧绕组a、b、c三相零序磁通相互抵消，这样就不会在高压侧产生电磁感应分量，因此当低压侧遭雷击时，高压绕组不会出现绝缘击穿的现象，提高了配电变压器的耐雷性能。

2、当落雷于高压侧线路时，由于接地电阻实际上并不会为理想的零值，因此流经避雷器的雷电流在接地电阻上形成压降U_ch1。因为配电变压器低压线圈中性点与配电变压器外壳是相连的，此压降就作用在低压线圈和连接的低压线路上，又因为低压线圈波阻比低压线路波阻大得多，此压降U_ch的绝大部分电压都加在低压线圈上，通过高、低压侧绕组的电磁耦合作用，将按配电变压器变比比例在高压线圈上产生一个很高的过电压(称为反变换过程)，使高压线圈绝缘损坏。这种引起高压侧中性点过电压的现象叫逆变换过电压。由于高压侧绕组A、B、C三相零序磁通相互抵消、低压侧绕组a、b、c三相零序磁通相互抵消，因此高、低压侧绕组不会耦合产生逆变换过电压，提高了配电变压器的耐雷性能，提高输出电压的稳定性，可以有效保护低压侧的弱电设备。

3、低压侧线路落雷时，雷电波沿线直接侵入低压绕组，经其中性点接地体入地，雷电流在接地电阻上产生压降U，使低压侧中性点电位偏移。此压降一方面叠加在低压绕组相电压上；另一方面通过铁芯按电磁感应定律以变比的倍数升高到高压侧，与高压绕组相电压叠加，使高压绕组出现危险的过电压。这种引起高压侧中性点过电压的现象叫正变换过电压。此电压的大小与进波电压的幅值、变比成正比，与接地电阻的大小成反比。根据雷电侵入波幅值的大小，高压绕组中性点附近电位约高于额定值的十几倍，导致变压器高压绕组绝缘击穿。由于高压侧绕组A、B、C三相零序磁通相互抵消、低压侧绕组a、b、c三相零序磁通相互抵消，因此高、低压侧绕组不会耦合限制了低压进波时的电磁感应分量，零序磁通相互抵消，所以不会通过铁芯以变比的倍数升高到高压侧，所以就限制了正变化过电压，提高了配电变压器的耐雷性能。

本实施例中，变压器外壳1接地，高压侧绕组2的A相与避雷器A3相连、B相与避雷器B3相连、C相与避雷器C3相连，高压侧绕组2的中性点o的中性点引出线O与避雷器O1相连。低压侧绕组3的a相与避雷器a3相连、b相与避雷器b3相连、c相与避雷器c3相连，低压侧绕组3的中性点n的中性点引出线N接地，避雷器均为y5w5-0.5型的氧化锌避雷器。本实施例中，避雷器A3、B3、C3的接地端作为一点，避雷器O1的接地端作为一点，避雷器a3、b3、c3的接地端作为一点，低压侧绕组3中性点n的中性点引出线N和变压器外壳1一起作为一点，上述四点共同与一个接地点G相连，实现“四点共地”。通过在低压侧加装避雷器，可以将正、逆变换过电压限制在一定范围之内，从而可以进一步保护配电变压器，避免由于正、逆变换过电压而损坏配电变压器，通过在高压侧引出中性线并外接避雷器可以有效保护配电变压器的中性点。此外，本实施例中“四点共地”还可以通过改善一处接地电阻就可以实现良好的接地效果，提高配电变压器的耐雷性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，例如改变各个前半绕组和后半绕组之间的曲折连接方式等等，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种耐雷配电变压器，它包括变压器外壳（1）、装设于变压器外壳（1）内的高压侧绕组（2）、低压侧绕组（3）和铁芯（4），其特征在于：所述高压侧绕组（2）和所述低压侧绕组（3）均为曲折绕组单元，所述曲折绕组单元由绕设于所述铁芯（4）的各个芯柱上的绕组单元组成，所述绕组单元的数量与配电变压器的相数相同，所述绕组单元由前半绕组和后半绕组组成，所述曲折绕组单元中前半绕组和后半绕组的绕数相同、绕向相反，所述曲折绕组单元中任一个前半绕组与不同绕组单元的后半绕组相连；所述低压侧绕组（3）的各相分别与一个避雷器相连，所述低压侧绕组（3）的中性点引出线接地，所述高压侧绕组（2）的各相分别与一个避雷器相连，所述变压器外壳（1）接地；所述高压侧绕组（2）的中性点引出线与一个避雷器相连；连接所述低压侧绕组（3）各相的各个避雷器、所述低压侧绕组（3）中性点引出线、连接所述高压侧绕组（2）各相的各个避雷器、所述连接高压侧绕组（2）中性点引出线的避雷器以及所述变压器外壳（1）与同一接地点相连。