CN201975776U - 降低变压器雷电侵入波陡度的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种变压器防雷保护设备，特别是一种降低变压器雷电侵入波陡度的装置，其结构要点在于，还包括有复数个高频磁环依序排列组成的磁环串，其安装在避雷器前端，即变压器和避雷器之间，或者是安装在避雷器后端，即避雷器和母线之间。其优点在于，能显著降低侵入波陡度就可以达到显著降低匝间电位梯度，从而大幅度降低匝间电压水平和击穿的风险，这样匝间绝缘放电故障率就可以成倍甚至数十倍地降低，对降低侵入变压器的雷电波幅值和陡度具有明显、有效的技术效果，进一步完善了变压器的防雷保护措施，对于保证变压器的安全运行具有较大的实际意义，也对多雷地区的变压器的长期安全稳定运行营造了十分有利的条件。

Description

降低变压器雷电侵入波陡度的装置

技术领域

本实用新型涉及一种变压器防雷保护设备，特别是一种降低变压器雷电侵入波陡度的装置。

背景技术

变电站雷电侵入波是导致变压器绝缘损坏的一个重要因素。当变电站出线线路发生近距离雷击时，雷电波传播到变电站的距离短，衰减小，到达变压器的雷电侵入波通常具有很高的陡度，在变压器绕组上将产生严重的不均匀分布，常常使端部绕组的匝间绝缘遭受严重的过电压，对变压器绕组将带来较大的危险，特别雷电频发的南方地区，发生变压器雷电损坏的事件是比较频繁的。尤其对于终端变，通常进线回路少，主接线相对较为简单，侵入主变绕组的雷电波幅值和陡度都较高，其危险性也更大。因此，侵入波对终端变的变压器带来的伤害将更大。分析表明，变压器绕组端部故障主要是雷电侵入波陡度过高带来的局部匝间电位梯度过大所致，由于绕组存在对地寄生电容，侵入波瞬态过电压大部分降落在绕组首端附近，使得首端附近绕组特别容易发生匝间绝缘故障而损坏。作为保护用的避雷器能够限制雷电侵入波的幅值，但对陡度的影响比较小，对于近区雷击故障侵入的高陡度过电压危害不能够进行有效防护，因此单一的避雷器作为限制幅值的雷电防护措施并不十分充分和完善。

实用新型内容

本实用新型的目的在于根据现有技术的不足之处而提供能够充分、完善的雷电保护措施的降低变压器雷电侵入波陡度的装置。

本实用新型是通过以下途径来实现的：

降低变压器雷电侵入波陡度的装置，包括有避雷器，其结构要点在于，还包括有复数个高频磁环依序排列组成的磁环串，其安装在避雷器前端，即变压器和避雷器之间，或者是安装在避雷器后端，即避雷器和母线之间。

高频磁环套在架空导线上，相当于线路中串联了一个电感元件，以增大导线的电感，有效抑制了侵入变压器的雷电波的上升速度，并强制反射，改变雷电波在变电站内的传播和分布，减小变压器端口雷电波的幅值和陡度。由于高频磁环的阻抗很小，损耗也小，对导线正常运行性能几乎没有影响，因此可以在不影响正常运行的情况下，对现有设备增设新的技术措施。

高频磁环主要用在电子行业中，对抗干扰信号，对干扰信号起到屏蔽作用，电力行业中也有将高频磁环用于抑制暂态过电压上，但是由于雷电波的特殊性，其产生的幅值和陡度并非一般线路因运行而产生的暂态过电压所能比拟的，其频率完全不同，雷电波属性具有不可确定性，无法预知，因此项目组特别就该技术进行了大量仿真分析和模拟实验，观察和分析高频磁环对雷电波的影响、高频磁环的结构要求以及高频磁环安装位置的有效性。因此将高频磁环依序排列组成磁环串安装在变压器和避雷器之间或者避雷器和母线之间，能显著降低侵入波陡度就可以显著降低匝间电位梯度，从而大幅度降低匝间电压水平和击穿的风险，这样匝间绝缘放电故障率就可以成倍甚至数十倍地降低，对降低变压器雷电波幅值和陡度具有明显、有效的技术效果，补充和完善了变压器的防雷保护措施，对于保证变压器的安全运行具有较大的实际意义，也对变压器在多雷地区的长期安全稳定运行创造了十分有利的条件。

高频磁环可以有如下选择：

高频磁环采用多层结构的非晶磁芯材料构成，复数个磁环紧密靠触形成磁环串。

简易磁环串可由纯磁环单元串联组成。磁芯材料应选择高饱和磁通密度和高磁导率的材料。

还可以是复合磁环串：

复合磁环串包括磁环、绝缘层和阻尼层，磁环由环形磁芯形构成，绝缘层包覆在磁芯外表层面上，阻尼层是导电的金属材料则嵌套在绝缘层的外表层面上，复数个加装阻尼层的磁环依序靠触形成磁环串。

这是一种加装阻尼层的磁环，阻尼层在电路上等效为阻尼电阻，加装了阻尼电阻的高频磁环通过阻尼电阻吸收电感能量，抑制上升幅度，可以提高抑制雷电波陡度和幅度的作用，由于磁环等效电感作用，使一部分雷电流取道阻尼电阻，消耗波头能量并产生衰减作用；另外，阻尼电阻对经过磁环串的雷电流产生分流作用，以减小磁环饱和深度，有利于大电流下发挥磁环串的作用。磁环的等效电感越大，相应选择阻值越大的阻尼电阻，获得更大的衰减作用。也可以直接在磁环串的外层加装合适的阻尼电阻，使之满足对雷电波的分流作用。

通过仿真分析和实验表明：

1、在不使用阻尼电阻的情况下，磁环串应安装在避雷器和母线之间，可获得的最佳抑制效果为：幅值下降约26％，陡度下降约46％；

2、当磁环加装阻尼电阻构成磁环串时，该磁环串应安装在变压器和避雷器之间，可获得 最佳抑制效果为：幅值下降约30％，陡度下降约60％；

磁环串相关参数选择如下：

磁环串的长度可选为3-10米，具体视当地雷电活动强度和期望获得的效果而定。

分析和实验表明，在变压器雷电波入侵的作用下，磁环串长度与抑制效果并非是呈线性关系，特别是在变压器和避雷器之间安装磁环串时，抑制效果会出现饱和迹象，因此磁环串长度最佳应在4-8米之间。

磁环串的外直径为30-50mm。具体视导线尺寸以及运行电流大小做相应调整。

根据运行电流的不同，磁环串的外直径也应有所不同，运行电流大时应考虑较大的磁环直径，因为加大磁环直径可以降低运行电流带来的不利影响。根据大量实验分析数据得出：对于220kV的变压器而言，最佳的磁环尺寸为内径30mm，外径40mm。

根据仿真计算和大量研究分析数据表明，对于多雷区运行的变压器，只要在避雷器和变压器或避雷器和母线之间安装带有阻尼电阻的磁环串时，无论是否存在运行电流，在设置合适的阻尼电阻范围内，对侵入变压器的雷电侵入波幅值和陡度的抑制效果都很显著，相对而言，前一种应用方式的技术效果更为显著和经济，为最佳的应用模式。

综上所述，本实用新型提供了一种降低变压器雷电侵入波陡度的装置，其采用高频磁环依序排列组成磁环串安装在变压器和避雷器之间或者避雷器和母线之间，能显著降低侵入波陡度就可以达到显著降低匝间电位梯度，从而大幅度降低匝间电压水平和击穿的风险，这样匝间绝缘放电故障率就可以成倍甚至数十倍地降低，对降低侵入变压器的雷电波幅值和陡度具有明显、有效的技术效果，进一步完善了变压器的防雷保护措施，对于保证变压器的安全运行具有较大的实际意义，也对多雷地区的变压器的长期安全稳定运行营造了十分有利的条件。

附图说明

图1、2所示为本实用新型所述降低变压器雷电侵入波陡度的装置的应用原理框图；

图3所示为本实用新型所述不带阻尼电阻的高频磁环串的结构示意图；

图4所示为本实用新型所述带阻尼电阻的高频磁环串的结构示意图；

下面结合实施例对本实用新型做进一步描述。

具体实施例

最佳实施例：

参照附图1和附图2，降低变压器雷电侵入波陡度的装置，包括有避雷器F和复数个高频磁 环依序排列组成的磁环串L，附图1为该高频磁环串安装在避雷器F前端，即变压器B和避雷器F之间，附图2为该高频磁环串L安装在避雷器F后端，即避雷器F和母线之间。

高频磁环串有两种选择：

1、参照附图3，不带阻尼电阻的磁环串，即纯磁环结构，采用多层缠绕的非晶磁芯材料构成，复数个磁环1紧密靠触形成磁环串，经由绝缘夹层2环套在架空线导线上。

2、参照附图4，带阻尼电阻的复合磁环串，包括有磁芯1、绝缘层2和阻尼层3，磁芯1形成环状构造，绝缘层2包覆在磁芯1外表层面上，阻尼层3则嵌套或包覆在绝缘层2的外表层面上，复数个加装阻尼层的磁环依序靠触形成磁环串环套在架空线导线上。

上述的磁芯需要采用高饱和磁通密度和高磁导率的材料制作。

这样本实用新型可以衍生出四种记述方案：

1、在变压器和避雷器间安装无阻尼磁环串：

在此种应用方式中，雷电侵入波过电压的波前陡度有所下降，但幅值高于没有安装磁环串时的情况，在考虑运行工况的情况下则更为不利，因此该技术方案一般不予采用。

2、在避雷器和母线之间安装无阻尼磁环串：

在此种应用方式中，雷电侵入波过电压的陡度和幅值都受到抑制，效果优于安装在变压器和避雷器之间。最佳抑制效果为：幅值下降约26％，陡度下降约46％；在考虑运行工况的情况下，以工频正电压反电流情况最优，在反向运行电流作用下，雷电过电压的幅值和陡度进一步减小。运行工频电流抵消了一部分雷电流，使得磁环更不容易饱和，对减小雷电过电压更加有利。以工频负电压正电流的工况最不利，此时磁环串的抑制效果最差，工频电压和侵入波电压方向相反，电路中出现了振荡。同时，工频电流和雷电流方向相同时，磁环更容易饱和，降低了抑制雷电过电压的效果。

3、在变压器和避雷器之间安装带有阻尼电阻的复合磁环串：

在此种应用方式中，雷电侵入波过电压的陡度和幅值都受到很大的抑制，此时的阻尼电阻存在一个优化取值范围，才能产生更好的过电压抑制效果。抑制效果需要综合考虑对陡度和幅值的抑制。在仿真计算中，当阻尼电阻取值在200～1000Ω时，为500Ω±300Ω时效果接近最佳状态，即L/R时间常数在0.5～1.0μs左右，太大和太小，对过电压陡度抑制效果将显著降低。因此，在选择磁环材料时，选择较高的饱和磁密及磁导率系数的材料就更有利。

在考虑运行工况的情况下，以工频正电压、反电流情况最优，侵入波的幅值和陡度都更小了。反方的工频电流减小了磁环的饱和程度。在阻尼电阻优化的情况下，可提供17％的幅度抑制以及79％的陡度抑制效果。此技术方案也是所有应用模式中的最佳技术方案。

4、在避雷器和母线之间安装带有阻尼电阻的复合磁环串：

在此种应用方式中，雷电侵入波过电压的陡度和幅值也受到很大的抑制，同样，阻尼电阻存在一个优化取值范围，才能产生较好的过电压抑制效果。当阻尼电阻为400～1000Ω左右时，也即L/R时间常数在0.5～1.0μs左右，变压器雷电过电压的幅值和陡度的抑制效果接近最佳。阻尼电阻显著分流了磁环串中的雷电流，从而减小了磁环串的饱和程度，改善抑制效果。

在考虑运行工况的情况下，以工频正电压、反电流为最优，磁环串和阻尼电阻抑制效果最好，其过电压幅值也最小。在参数优化的情况下，可提供28％的幅度抑制以及76％的陡度抑制效果。

根据仿真分析，在上述技术方案中，磁环串的参数选择也有优化范围：

在雷电侵入波的作用下，磁环串长度与抑制效果呈成正比关系，但并非是呈线性关系，同样长度的磁环串，安装在变压器和避雷器之间比安装在母线与避雷器之间的效果更好。且在达到一定长度后，抑制效果会出现饱和迹象。因此磁环串长度宜选择在3-10米之间，最经济长度在4-8米之间。

根据运行电流的不同，磁环串的外直径也应有所不同，一般选择在30-50mm之间。运行电流大时应考虑较大的磁环直径，因为加大磁环直径可以降低运行电流带来的不利影响。根据大量运行数据统计可知，对于220kV的变压器而言，最佳的磁环尺寸为内径30mm，外径40mm。

本实用新型未述部分与现有技术相同。

Claims (6)

1.降低变压器雷电侵入波陡度的装置，包括有避雷器，其特征在于，还包括有复数个高频磁环依序排列组成的磁环串，其安装在避雷器前端，即变压器和避雷器之间，或者是安装在避雷器后端，即避雷器和母线之间。

2.根据权利要求1所述的降低变压器雷电侵入波陡度的装置，其特征在于，高频磁环采用复数层缠绕的非晶磁芯材料构成，复数个磁环紧密靠触形成纯高频磁环串。

3.根据权利要求1所述的降低变压器雷电侵入波陡度的装置，其特征在于，高频磁环包括有磁芯、绝缘层和阻尼层，磁芯形成环状构造，绝缘层包覆在磁芯外表层面上，阻尼层则嵌套或包覆在绝缘层的外表层面上，复数个加装阻尼层的磁环依序靠触形成磁环串。

4.根据权利要求1所述的降低变压器雷电侵入波陡度的装置，其特征在于，磁环串的长度为3-10米。

5.根据权利要求1所述的降低变压器雷电侵入波陡度的装置，其特征在于，磁环串的外直径为30-50mm。

6.根据权利要求3所述的降低变压器雷电侵入波陡度的装置，其特征在于，阻尼电阻为500Ω±300Ω。 

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