大型油浸式隔離變壓器用屏蔽層的研究

段曉軍，遲主升，李林達

（廣州西門子變壓器有限公司，廣州 510530）

0 引言

大型油浸式隔離變壓器所用的屏蔽層具有一定的結(jié)構(gòu)特點，這類產(chǎn)品均為一次繞組-金屬靜電屏蔽層-二次繞組的同心排布的型式，這與小型變壓器的主次線圈分列結(jié)構(gòu)有著根本上的區(qū)別。因此同軸屏蔽結(jié)構(gòu)可以作為隔離變細分類型的特征，其原理和效果上的研究不多。

隔離變壓器是一種實現(xiàn)一二次的完全電氣隔離的變壓器，在結(jié)構(gòu)上，隔離變壓器應(yīng)使兩個繞組之間不存在任何連接的可能（不論是直接連接還是通過其他金屬件簡介相連），以避免偶然同事觸及帶電梯（或因絕緣損壞而可能帶電的金屬部件）和地所帶來的危險[1]。文獻中對其主要的作用和應(yīng)用場合總結(jié)如下：物理上的電氣隔離[2]、削弱共模高頻干擾電壓[3]、限制短路電流、減小三次諧波干擾[4]、隔離雷擊電磁脈沖[4]。但是大多數(shù)隔離變的研究都針對電源電壓不超過1 100 V小型低電壓隔離變[5-6]，幾乎很少有對10.5 kV-10.5 kV油浸式電力隔離變壓器的研究。

傳統(tǒng)的同軸屏蔽層大多購置成品，但是隔離變由于沒有相關(guān)的驗證試驗。所以變壓器的出廠試驗僅能驗證其安全性，并不會驗證其屏蔽效果。本文通過仿真分析、樣品驗證等方式對屏蔽真實效果進行研究。另一方面，純金屬屏蔽存在損耗偏高，成本較高等缺陷，這些缺陷會隨著產(chǎn)品電壓和容量的提高而更加明顯。驗證非全金屬的替代屏蔽方案也是本文研究重點。為自主生產(chǎn)制造屏蔽層提供依據(jù)，也為電網(wǎng)用戶選用類似產(chǎn)品提供參考。

1 仿真研究

從文獻中指出的隔離變的5個作用出發(fā)，逐一分析如下。

（1）電氣隔離是通過物理隔離實現(xiàn)的，其實除了自耦變壓器之外，所有的變壓器的一次側(cè)和二次側(cè)都不存在電氣連接，能量轉(zhuǎn)換是通過電磁感應(yīng)實現(xiàn)的。而屏蔽層的作用是在一次側(cè)和二次側(cè)之間增加了地電位，進而增加一二次線圈間的物理距離，所以不易發(fā)生一二次之間的電擊穿。但是線圈與屏蔽層之間有電壓差，線圈到屏蔽層的擊穿依然會損壞變壓器。而屏蔽層一般很薄，其端部電場相對集中，端部電場將會是隔離變設(shè)計的一個主要內(nèi)容，必須引起重視。

（2）削弱共模高頻干擾電壓[7]，該作用是通過接地屏蔽層直接實現(xiàn)的，因此是本文的重點研究方向。

（3）限制短路電流是通過一二次之間的阻抗實現(xiàn)的[8-9]，與屏蔽層無關(guān)。本文也不做展開討論。

（4）減小三次諧波干擾[10-12]，包含電源三次電壓諧波和非線性負載的電流諧波，按照文獻描述該功能是通過角接繞組實現(xiàn)的，與屏蔽層無關(guān)，本文也不展開討論。

（5）隔離雷擊電磁脈沖[13-14]，這個也是客戶最為期待的功能之一。同時該功能擴展開來還可以通過磁飽和原理消除浪涌。是本文重點研究的內(nèi)容之一。

因此，重點研究屏蔽層對削弱高頻干擾的效果。具體的方法將使用波過程仿真軟件MWSTS，對屏蔽層進行建模，對比有無屏蔽層時的雷電沖擊傳遞效果。

1.1 參考變壓器

選用一臺的SFG-63000/10.5典型隔離變壓器進行研究。該變壓器容量為63 MVA，一二次側(cè)阻抗為8%，且均采用角接，額定電壓均為10.5 kV。

1.2 屏蔽層的等效建模

模擬工況為一次側(cè)的全波沖擊電壓105 kV和截波波沖擊電壓115 kV。對應(yīng)的線圈排布如圖1所示，重點關(guān)注的二次側(cè)線圈中部層間電壓U2(o-i)，二次側(cè)線圈內(nèi)層中部對地傳遞電壓U2(i-G)，二次側(cè)線圈外層中部對屏蔽層傳遞電壓U2(o-S)，一次側(cè)線圈中部對屏蔽層傳遞電壓U1-S。對于無屏蔽方案，采用保持線圈間距的同時，去除屏蔽層，如圖2所示。重點關(guān)注的二次側(cè)線圈中部層間電壓U2(o-i)，二次側(cè)線圈內(nèi)層中部對地傳遞電壓U2(i-G)，二次側(cè)線圈外層中部對一次側(cè)中部的傳遞電壓U2o-1。

圖1 參考用隔離變壓器基本排布及工況

圖2 對比用無屏蔽層變壓器基本排布及工況

1.3 仿真結(jié)果的對比分析

計算基于一次側(cè)入波全波和截波，并考慮最大（Max）、額定（Rated）和最小（Min）3個分接狀態(tài)。為了方便對比，將沖擊仿真結(jié)果統(tǒng)一折算為工頻電壓并取最大值。其中全波折算系數(shù)為2.7，截波折算系數(shù)為2.97。整理后得到結(jié)果如表1所示。由數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)，二次側(cè)外層對屏蔽層電位低于無屏蔽層時對一次側(cè)的電位，但由于不是一個條件下的電壓，所以并不具備對比性。因為二次側(cè)外層到屏蔽的距離只有到一次側(cè)的一半，采用主空道平均場強Eave=來計算，有屏蔽比無屏蔽的截波更高，全波更低。另一方面，二次側(cè)層間及二次側(cè)內(nèi)層對地的電壓，有無屏蔽差別不大，甚至無屏蔽略低一些。但是這些趨勢摻雜了不同分接及不同波形的影響，需要進一步進行波形分析。

表1 折算為工頻的數(shù)值結(jié)果對比

單獨提取同工況（全波額定檔）二次側(cè)外層電壓進行對比，如圖3所示。并提取同工況（全波最小檔）二次側(cè)層間電壓進行對比，如圖4所示?？梢钥吹接袩o屏蔽的方案之間并無明顯的波形區(qū)別。而對于截波，二次側(cè)傳遞電壓可能略小，但波形幾乎也沒有明顯差別。

圖3 有無屏蔽條件下二次側(cè)外層中部電壓的差別

圖4 有無屏蔽條件下二次側(cè)層間電壓的差別

隔離層對于降低傳遞電壓（含高頻）影響很小，這與文獻中的說法差別很大。通過理論分析，可能的原因是傳遞電壓并非完全依賴于線圈間電容分布，而電感及鐵心傳遞也有非常大的影響。為了證實這樣的觀點并尋找最合理的屏蔽材料，接下來開展了一系列的樣機試驗。

2 樣機試驗研究

2.1 一號樣機

2.1.1 樣機目的及設(shè)定

一號樣機為銅板電容試驗，有兩個需要驗證的方向：（1）在沒有電感和鐵芯的影響下，隔離層的實際效果；（2）對比不同材質(zhì)隔離層的效果。

具體的方案原理如圖5所示，取兩塊銅板模擬無電感的線圈，銅板間設(shè)置1 mm層壓紙板（PSP）+接地屏蔽材料+1 mm層壓紙板（PSP）的結(jié)構(gòu)，外側(cè)設(shè)定防護和夾持。

圖5 樣品基本結(jié)構(gòu)

用于對比的屏蔽樣品包括，空白組（1張層壓紙板），銅箔組（0.5 mm銅箔），鋁箔組（0.6 mm銅箔），碳黑紙組1（1層0.145 mm后的導(dǎo)電碳黑紙），碳黑紙組2（3層0.435 mm后的導(dǎo)電碳黑紙），碳黑紙組3（6層0.87 mm后的導(dǎo)電碳黑紙），銅條+碳黑紙組1（銅條在碳黑紙表面均勻分布并連通，覆蓋面積約占總碳黑紙面積的8%），銅條+碳黑紙組2（銅條在碳黑紙表面均勻分布并連通，覆蓋面積約占總碳黑紙面積的40%），銅條+碳黑紙組1（銅條在碳黑紙表面均勻分布并連通，覆蓋面積約占總碳黑紙面積的72%）。

2.1.2 試驗方案的設(shè)定

具體的試驗方案如下：（1）屏蔽層接地，在一次側(cè)銅板上施加100 V標準沖擊波形電壓，測量二次側(cè)銅板對地電壓；（2）更換屏蔽層材料，重復(fù)上述試驗并記錄。

等效電路如圖6所示。其中銅板對屏蔽層之間的電容為C′，銅板對地電容為C。可以看到一二次側(cè)的電壓傳遞是通過銅板對屏蔽之間的電容完成的。因為這個模型都只有電容，并不會有電感和電阻。因此該樣機可以稱為電容樣機。通常，業(yè)內(nèi)認為在暫態(tài)過電壓沖擊中（特別是雷電沖擊），因為入波等效頻率很高，變壓器的內(nèi)部電壓分布將基于電容進行分布。

圖6 試驗等效電路

2.1.3 樣機的結(jié)果與結(jié)論

試驗結(jié)果如表2所示。從結(jié)果中可以得到以下結(jié)論：（1）接地的金屬箔作為屏蔽層，可以完美屏蔽純電容耦合的傳遞電壓；（2）碳黑紙作為屏蔽層，由于電荷移動速度有限，難以做到有效屏蔽；（3）銅條覆蓋一定面積的碳黑紙的效果遜于金屬屏蔽，但也能做到超過90%的效果。且隨著銅條覆蓋占比的增加，屏蔽效果也會相應(yīng)增加。

表2 一號樣機的試驗結(jié)果

2.2 二號樣機

2.2.1 樣機目的及設(shè)定

二號樣機為小型變壓器模型試驗，有兩個需要驗證的方向：（1）在存在電感和鐵芯的影響下，隔離層的實際效果；（2）對比不同材質(zhì)隔離層在該樣機條件下的效果；（3）屏蔽對頻率響應(yīng)的影響。

具體的方案原理如圖7所示，取現(xiàn)有半成品變壓器鐵心，繞制兩個小型線圈。線圈間放置不同類型的屏蔽層。整體布置從鐵芯至外依次為：1 mm層壓紙筒，12 mm厚二次側(cè)線圈（該線圈每層25匝，繞制2層），10 mm空道，2 mm層壓紙筒，12 mm厚一次側(cè)線圈（該線圈每層25匝，繞制2層），1 mm層壓紙筒。無需浸油干燥等工序。

圖7 樣品基本結(jié)構(gòu)

由于一號樣機已經(jīng)證明了純碳黑紙的結(jié)構(gòu)的無效性，以及銅條+碳黑紙的結(jié)構(gòu)的有效性。所以二號樣機對銅條+碳黑紙僅準備了8%的一組樣品。用于對比的屏蔽樣品包括，空白組（1張層壓紙板），銅箔組（0.5 mm銅箔），鋁箔組（0.6 mm銅箔），銅條組（多個銅條圍成桶狀，銅條間有絕緣間隔，并最終一點短接接地），銅條+碳黑紙組（銅條在碳黑紙表面均勻分布并連通，覆蓋面積約占總碳黑紙面積的8%）。

2.2.2 試驗方案的設(shè)定

具體的試驗方案如下：（1）鐵心插好上軛，使用三芯電工線繞制線圈；（2）屏蔽層接地，使用雷電沖擊發(fā)生器在一次側(cè)施加150 V標準沖擊波形，測量二次側(cè)波形并記錄；（3）更換頻率響應(yīng)接線，在一次側(cè)施加輸入信號，測量二次側(cè)的響應(yīng)；（4）抬高一次線圈，露出二次側(cè)外部的屏蔽層，更換屏蔽樣品，重復(fù)上述試驗并記錄。

該樣機的等效電路如圖8所示。其中串聯(lián)電容是相鄰導(dǎo)線之間的電容，而串聯(lián)電容與導(dǎo)線自感及等效電阻組成的支路并聯(lián)。導(dǎo)線到地電位之間的電容為并聯(lián)電容。并聯(lián)電容是導(dǎo)致線圈整體電位分布不均勻的直接原因。一二次側(cè)之間的電壓由線圈到屏蔽之間的兩個主電容及通過鐵芯耦合的互感進行傳遞。

圖8 試驗等效電路

2.2.3 樣機的結(jié)果與結(jié)論

試驗結(jié)果如表3所示。

表3 一號樣機的試驗結(jié)果

頻率響應(yīng)結(jié)果對比如圖9所示，其中橘色為空白組響應(yīng)波形，藍色為銅箔組響應(yīng)波形。可以看出，銅箔組在0.2～0.91 MHz之間的部分不僅沒有衰減，反而比空白組有更高的響應(yīng)。只有0.91 MHz以上才有明顯的衰減效果。類似的現(xiàn)象在其他屏蔽組的對比中也有體現(xiàn)，此處不再逐一列出其曲線。

圖9 頻響試驗曲線對比

從結(jié)果中可以得到以下結(jié)論：（1）屏蔽對沖擊波形的感應(yīng)電壓幅值并無明顯影響，等效電路中的電感電阻結(jié)構(gòu)起到了主要的能量傳遞作用，該結(jié)果與仿真結(jié)果能夠匹配；（2）通過頻率響應(yīng)，可以看到屏蔽僅對0.91 MHz以上的波形才會產(chǎn)生相對明顯的衰減效果；（3）二號樣機結(jié)果與一號樣機結(jié)果可以證實仿真數(shù)據(jù)，并足以驗證了對該現(xiàn)象的假設(shè)。

3 結(jié)束語

本文針對類型變壓器未表述清晰的原理出發(fā)，通過仿真的方法研究大型油浸式隔離變典型結(jié)構(gòu)的屏蔽層效果，對仿真結(jié)果進行了原理上的假設(shè)。并通過設(shè)置兩組樣機，實測證實了之前的理論假設(shè)。在試驗過程中，也得到了一些可以支撐工程實踐的設(shè)計原則。綜上，得到以下結(jié)論。

（1）大型隔離變壓器采用的一次繞組-金屬靜電屏蔽層-二次繞組同軸排布的方式，可以削弱0.91 MH以上的電磁干擾。但是在電網(wǎng)運行中，這部分干擾因為分量小基本不會影響電能質(zhì)量，同時0.2～0.91 MHz之間的干擾傳遞甚至比無屏蔽結(jié)構(gòu)更強。所以對于電力變壓器來說并沒有實際意義。

（2）該結(jié)構(gòu)并不能削弱雷電沖擊帶來的傳遞過電壓。原因是電力變壓器中的電感分量很大，足以將雷電沖擊波形感應(yīng)到其他側(cè)。

（3）結(jié)合以上兩點，電力變壓器本身阻抗可以抗短路，連接組別可以抗諧波，一二次線圈間擊穿故障很少發(fā)生等情況，屏蔽層不能起到預(yù)期效果，是完全可以不要的。

（4）另一方面，采用銅條覆蓋部分碳黑紙的結(jié)構(gòu)，能夠接近純金屬屏蔽的效果，且可以預(yù)見到將產(chǎn)生更小的損耗及更優(yōu)質(zhì)的經(jīng)濟性。該結(jié)構(gòu)也在后續(xù)的真機產(chǎn)品中得以驗證。