在變壓器內(nèi)部絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中氧化鋅避雷器的應(yīng)用

張晶宇

摘要：隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)電力能源需求量日益提高，且對(duì)供電穩(wěn)定性與質(zhì)量提出更高要求?；诖?，為保證變壓器平穩(wěn)運(yùn)作，本文探討將氧化鋅避雷器安裝于變壓器內(nèi)部結(jié)緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的意義，著重分析具體應(yīng)用，以供相關(guān)工作參考。

關(guān)鍵詞：變壓器;絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);氧化鋅避雷器

引言：作為一種過電壓保護(hù)裝置，氧化鋅避雷器的安裝能夠有效防止雷擊帶來的過電壓對(duì)變壓器設(shè)備造成損傷。為保證該避雷器的應(yīng)用效果，應(yīng)分析該裝置在變壓器內(nèi)部絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用的選用及安裝要點(diǎn)，做好計(jì)算工作，從而切實(shí)發(fā)揮保護(hù)作用。

1.探討將氧化鋅避雷器應(yīng)用于變壓器內(nèi)部絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的意義

所謂氧化鋅避雷器，其核心為氧化鋅電阻片，是一種過電壓保護(hù)裝置，一旦遭受過電壓，該裝置則處于導(dǎo)通狀態(tài)并釋放能量，能夠?qū)ψ儔浩髌鸬接行У谋Ｗo(hù)作用。這是因?yàn)檠趸\電阻片具有良好的非線性伏安特性，當(dāng)變壓器處于正常運(yùn)作狀態(tài)時(shí)，其通過的電流在0.001A以下，即高阻抗，但是在過電壓情況下，能夠通過幾十千安故障電流，轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥杩?，而且，氧化鋅電阻片兩端具有較小殘壓，能夠?yàn)樽儔浩鞣€(wěn)定運(yùn)作提供有效保障[1]。一般情況下，該裝置安裝于變壓器內(nèi)部，安裝后，一方面能夠減小引線和調(diào)壓繞組的絕緣厚度，另一方面還能夠降低有載開關(guān)分接選擇器絕緣水平，且成本相對(duì)較低，能夠有效降低變壓器內(nèi)部結(jié)緣結(jié)構(gòu)及整個(gè)設(shè)備的設(shè)計(jì)制造成本，滿足使用需求的同時(shí)提高相關(guān)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

2.分析氧化鋅避雷器在變壓器內(nèi)部絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1變壓器及其絕緣結(jié)構(gòu)計(jì)算

變壓器基本結(jié)構(gòu)由低壓繞組、公共繞組、鐵心、調(diào)壓繞組以及串聯(lián)繞組構(gòu)成，不同繞組其結(jié)構(gòu)和出線方式存在差異，而且，根據(jù)不同側(cè)重點(diǎn)，帶氧化鋅避雷器的連接方法也存在不同，在雷電沖擊電壓作用下，采用調(diào)壓繞組級(jí)間并聯(lián)氧化鋅避雷的方法，這是因?yàn)樵摲椒軌蛴行拗圃摾@組沖擊電位振蕩。

第一，計(jì)算分析變壓器縱絕緣結(jié)構(gòu)。當(dāng)不應(yīng)用氧化鋅避雷器時(shí)，串聯(lián)繞組內(nèi)屏結(jié)構(gòu)和連續(xù)結(jié)構(gòu)的全波安全裕度分別為1.42δ和1.53δ，截波安全裕度分別為1.49δ、1.45，公共繞組結(jié)構(gòu)的全波安全裕度和截波安全裕度分別為1.20δ和1.30δ。在安裝氧化鋅避雷器后，串聯(lián)繞組內(nèi)屏結(jié)構(gòu)和連續(xù)結(jié)構(gòu)的全波安全裕度分別為1.43δ和1.56δ，截波安全裕度分別為1.51δ和1.46δ，公共繞組連續(xù)結(jié)構(gòu)的全波安全裕度和截波安全裕度分別為1.22δ和1.33δ。由此可見，串聯(lián)繞組段間最小安全裕度提高0.7%，公共繞組提高1.6%，該避雷器的應(yīng)用對(duì)公共、串聯(lián)繞組縱絕緣結(jié)構(gòu)安全裕度影響不大。在沒有安裝氧化鋅避雷器時(shí)，調(diào)壓繞組對(duì)地電位為138.0%，調(diào)壓全范圍梯度為40.5%，而應(yīng)用該避雷器裝置后，對(duì)地電位和全范圍梯度分別降至107.0%和20.1%，該裝置能夠有效改善調(diào)壓繞組沖擊電壓分布。

第二，計(jì)算分析主絕緣結(jié)構(gòu)。對(duì)于變壓器絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)而言，應(yīng)以雷電沖擊電壓分布計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，進(jìn)而明確掌握變壓器所承受雷電沖擊電壓作用絕緣弱點(diǎn)區(qū)域。在上述計(jì)算結(jié)果下，絕緣弱點(diǎn)區(qū)域分別在低壓繞組和調(diào)壓繞組之間（位置a）以及調(diào)壓繞組和中壓繞組之間（位置b）。對(duì)于位置a的絕緣結(jié)構(gòu)安全裕度計(jì)算，在未安裝氧化鋅避雷器時(shí)，公共繞組和調(diào)壓繞組的最小安全裕度分別為1.22δ和1.09δ，運(yùn)用該避雷器裝置后，公共繞組和調(diào)壓繞組最小安全裕度分別為1.22δ和1.21δ;對(duì)于位置b的絕緣結(jié)構(gòu)安全裕度計(jì)算，未加氧化鋅避雷器的最小調(diào)壓繞組和低壓繞組安全裕度分別為1.06氧化鋅避雷器和1.21氧化鋅避雷器，運(yùn)用該避雷器裝置的調(diào)壓繞組和低壓繞組最小安全裕度分別為1.19氧化鋅避雷器和1.21氧化鋅避雷器。由此可見，氧化鋅避雷器在變壓器內(nèi)部絕緣結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)應(yīng)用對(duì)提高調(diào)壓繞組到公共繞組、調(diào)壓繞組到低壓繞組主絕緣結(jié)構(gòu)安全裕度方面具有明顯效果[2]。

2.2應(yīng)用避雷器結(jié)構(gòu)電場(chǎng)分析計(jì)算

雖然氧化鋅避雷器安裝于變壓器內(nèi)部，但是為了保證該裝置作用的發(fā)揮，應(yīng)針對(duì)該裝置結(jié)緣結(jié)構(gòu)開展電場(chǎng)分析計(jì)算。一般情況下，調(diào)壓繞組電壓等級(jí)為220kV，若是氧化鋅避雷器選用規(guī)格不合理，可能出現(xiàn)金屬部件局部放電和擊穿事故，因此，應(yīng)分布計(jì)算氧化鋅避雷器端部金屬部件電場(chǎng)。

當(dāng)氧化鋅避雷器裝置調(diào)壓引出線距油箱較近時(shí)，由于該裝置與調(diào)壓引出線存在較小電位差，所以具有相對(duì)大的絕緣安全裕度，為此，在變壓器內(nèi)部絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用氧化鋅避雷器裝置時(shí)，應(yīng)分析裝置與油箱之間的絕緣安全裕度。一般情況下，氧化鋅避雷器在油箱中的內(nèi)部結(jié)構(gòu)從上至下分別是絕緣墊圈、均壓球、壓片彈簧、閥片、連接件以及絕緣紙板。開展電場(chǎng)計(jì)算分析時(shí)，主要對(duì)油箱蓋、避雷器均勻球、絕緣墊圈、油箱側(cè)壁、壓力彈簧以及避雷器閥片進(jìn)行模型計(jì)算，相較于其他部件，氧化鋅避雷器均壓球表面具有較大電場(chǎng)強(qiáng)度。因此，在設(shè)計(jì)均壓球結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮其電場(chǎng)分布控制，通常狀況下，當(dāng)其表面金屬半徑尺寸以及直徑尺寸變大時(shí)，能夠有效降低電場(chǎng)強(qiáng)度最大值。為此，可選擇均壓球直徑和表面金屬半徑分別為180mm和25mm的部件，進(jìn)而使工頻電場(chǎng)安全裕度在1.20以上，滿足使用需求。

2.3氧化鋅避雷器選用計(jì)算

在應(yīng)用氧化鋅避雷器時(shí)，應(yīng)根據(jù)變壓器運(yùn)行條件以及調(diào)壓繞組的最高電圧確定氧化鋅避閥片使用數(shù)量，保證最高電圧在氧化鋅閥片許用值以下。以明電舍為例，氧化鋅閥片最大連續(xù)運(yùn)行電壓、最大鉗制電壓、感應(yīng)試驗(yàn)峰值動(dòng)作電壓分別為2.4kV、7.6kV、6kV，最大施加電壓率為80%，耐受沖擊電流標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)和特殊試驗(yàn)下的技術(shù)參數(shù)為0.8kA和100kA，閥片直徑和高度分別為64.5mm和22.5mm。需要開展的計(jì)算工作如下：①由于每個(gè)分接級(jí)間并聯(lián)該閥片，在計(jì)算元件數(shù)量時(shí)，應(yīng)先確定分接級(jí)之間最大的工作電壓，公式為：UT=ET×WT，即2.76kV，其中ET和WT分別為每匝電壓和調(diào)壓繞組每級(jí)匝數(shù)。在長期工作電壓下，調(diào)壓繞組需要使用的氧化鋅閥片總數(shù)量為，即2片。②在LTAC試驗(yàn)電壓下，每分接之間的感應(yīng)試驗(yàn)電壓為ULTAC=ET×WT×K，即5.73kV，其中，K為線端交流耐壓試驗(yàn)感應(yīng)倍數(shù)。那么在該電壓下，所需要的元件數(shù)量為，即2片。③在IVPD試驗(yàn)電壓下計(jì)算元件數(shù)量，每分接之間的感應(yīng)試驗(yàn)電壓為UIVPD=ET×WT×K’，即4.75kV，那么元件數(shù)量為，即2片。如上可知，在調(diào)壓繞組每個(gè)分接級(jí)間使用2片元件即可。④在發(fā)生雷電沖擊時(shí)，氧化鋅避雷器需要保護(hù)變壓器安全運(yùn)作，所以，還需要開展雷電沖擊電壓試驗(yàn)下的前置電壓計(jì)算，鉗制的調(diào)壓繞組每分接級(jí)間最高沖擊電壓UL1和鉗制的調(diào)壓繞組首末端最高沖擊電壓UL1M分別為15.2kV和121.6kV，由此可見，鉗制電壓小于沖擊過電壓，氧化鋅避雷器能夠充分發(fā)揮作用。

2.4安裝氧化鋅避雷器

在將氧化鋅避雷器安裝在變壓器內(nèi)部絕緣結(jié)構(gòu)中時(shí)，應(yīng)以并聯(lián)的方式安裝在變壓器調(diào)壓繞組每個(gè)分接頭之間，其中，氧化鋅閥片安裝在絕緣紙筒中，保證其垂直狀態(tài)，使用彈簧將兩個(gè)端部壓緊固定，并在中間引出接線端子。之后，使用導(dǎo)線夾對(duì)絕緣紙筒進(jìn)行固定，使其牢固裝置在有載開關(guān)附近，最后與調(diào)壓繞組分接引線并聯(lián)連接。

結(jié)論：綜上所述，氧化鋅避雷器的應(yīng)用對(duì)變壓器運(yùn)作安全、穩(wěn)定性的提高具有極強(qiáng)現(xiàn)實(shí)意義。因此，應(yīng)深入研究氧化鋅避雷器及變壓器結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際使用條件和需求計(jì)算分析電場(chǎng)和元件數(shù)量，并合理安裝該裝置，從而降低變壓器設(shè)計(jì)制造成本的同時(shí)，優(yōu)化其絕緣結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王仁，孫優(yōu)良，程偉，等.換流變壓器內(nèi)置氧化鋅避雷器選擇及動(dòng)作累計(jì)能量仿真分析[J].變壓器，2020，57（12）：14-17+21.

[2]梁海生，趙宏成，張旭航，等.特高壓主變中性點(diǎn)間隙保護(hù)與氧化鋅避雷器保護(hù)配合分析[J].電力與能源，2019，40（05）：510-513.