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侵入波对变压器电气绝缘劣化影响研究

时间:2018-02-28 17:54来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是电气工程论文,本文利用变压器绕组绝缘模型,通过试验深入研究变电站侵入波对变压器匝间绝缘的暂态冲击规律以及累积效应对变压器绝缘劣化的影响,提出变电设备的侵入波
第 1 章 绪 论
 
1.1 课题背景及意义
在变电站内变压器是站内的主要设备,其重要性是毋庸置疑的。因此,变电站内变压器的安全性问题必须得到重视。变压器一旦损坏将会破坏电网运行的安全性,造成严重的后果。目前,我国的变电设备事故时有发生,其中包含大量无征兆的突发性设备绝缘事故。分析原因,侵入波对变电站内变压器的冲击累积效应是导致设备绝缘劣化,进而引发突发性事故的重要原因之一。例如在雷电密度较高的地区(如广东、福建等沿海地区),每年都会有相当数量的侵入波冲击着设备,相关设备中每次有侵入波过电压时,就会对设备绝缘的性能造成一次冲击,这种效应累积起来就会逐步使设备的绝缘劣化,当变压器的绝缘耐受水平不足时,将最终导致变压器突发事故。现场经验表明,雷电流对变电站的危害主要包括两方面,一是雷直击在变电站内,损坏了站内的设备,这种现象为站内直击雷;二是雷击到避雷线或输电线路杆塔上,抑或是雷击到输电线路上而产生的雷电波沿输电线路传到变电站中,这几种情况都会在站内设备上引起雷电过电压,从而使设备的绝缘被破坏,这种现象称为雷电侵入波。从我国电网的运行经验可以看出,变电所只要按照规程中的要求来正确装设避雷线、避雷针和接地装置,站内的直击雷、线路反击和绕击的概率都是非常低的。由于输电线路上落雷的概率很大,所以威胁变压器安全运行的主要原因是沿线侵入的雷电波。目前对于侵入波对变压器绝缘影响还缺乏系统性研究,特别是缺少对侵入波的暂态冲击规律,侵入波与设备绝缘劣化因果关系的研究,继而无法建立针对变电设备侵入波危害的有效评估体系,难以指导设备突发性事故的预防和设备检修。因此,本文利用变压器绕组绝缘模型,通过试验深入研究变电站侵入波对变压器匝间绝缘的暂态冲击规律以及累积效应对变压器绝缘劣化的影响,提出变电设备的侵入波危害评价指标,以减少电网无征兆的设备绝缘事故,并降低电网设备故障率及提高电网安全运行水平。
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1.2 国内外研究现状
站内运行的变压器难免会遭受到内部过电压、外部过电压多种过电压的作用,侵入波根源来自于雷电过电压,属于外部过电压。国内外学者为了研究不同系统中不同过电压对变压器的影响,主要通过仿真计算以及试验研究。其中,仿真计算主要基于变压器内部结构设计仿真计算模型,利用电磁暂态计算程序(EMTP-ATP 程序)等手段求得过电压在变压器绕组上分布情况,以此研究侵入波对变压器绝缘的影响。另一方面,试验研究由于全真模型造价十分昂贵,一般基于变压器典型绝缘结构,设计变压器绝缘模型开展试验研究。下面将分别对仿真计算和试验研究的国内外研究现状进行介绍。变压器线圈暂态过程的研究方法目前主要有绕组建模仿真和实验测量,主要通过仿真计算获取侵入波作用下变压器线圈过电压分布情况。绕组建模仿真往往存在模型复杂,计算量巨大,难以精确模拟实际情况等问题。实验测量往往存在测量设备安装和连接困难,影响绕组结构或分布参数等问题。
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第 2 章 侵入波站域传播仿真研究
 
2.1 引言
本课题拟基于变电站入口处安装侵入波电流、电压一体化监测系统,用于监测侵入波波形。为了研究侵入波对站内设备的影响,评估侵入波入侵到站内设备时对设备的危害,需要计算获得侵入波在站内的分布情况。为了能够对现场实测侵入波数据进行仿真计算,本文结合了 MATLAB 与 ATP 软件建立了联合仿真计算程序。实现了对实测侵入波数据的,实时计算与分析。因此,本章基于依托工程实际工程佛山市某 500kV 变电站建立了仿真计算模型,并利用实测侵入波波形开展了过电压计算工作。
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2.2 电力系统数字仿真软件
根据调研,EMTP/PsCAD/EMTDC 是现阶段较为主流的电力系统暂态仿真程序,本文选取 ATP 软件开展仿真计算工作。EMTP(Electro-Magnetic Transient Program)是世界上应用最为广泛的电磁暂态计算标准程序。1962 年多默尔在根据流体力学中的 Schnyder-Bergeron 流体计算方法应用到电力行波的计算当中,这标志着 EMTP 计算程序的诞生。毕业后多默尔就职于 Bonneville Power Administration(美国邦纳维尔电力局),并于 1968 年初步完成了 EMTP 计算程序的开发工作。目前有 BPA-EMTP、ATP-EMTP 和 DCG-EMTP 三个版本。其中,ATP-EMTP 是可以无偿使用的,拥有全世界上最多的用户,图形接口为 ATP Draw。DCG-EMTP 为有偿使用,图形接口为 EMTP Works。ATP 的基本原理是:在暂态稳定计算程序中,引进潮流计算过程中使用的节点导纳矩阵,并采取稀疏矩阵的处理方法来处理。经过对逆矩阵的求解来得到各节点的电压。在稳态计算时,EMTP 是利用线性元件来代替非线形元件,并用输电线路的集中参数的 π 型模型来模拟具有分布参数的线路,建立复数节点导纳方程式并进行求解,如下式所示,进而得到各节点的复数电压。ATP 程序能够在不同模型下来计算电力系统的稳态问题和暂态问题。计算时复杂网络的任意结构都可用电路来模拟,控制并分析系统、电子设备以及电弧或电晕等非线性元件。允许雷电浪涌,不同倒闸操作等对称或不对称干扰,除此之外,ATP 还支持相量网络频率相应的计算。
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第 3 章 侵入波累积效应对变压器绝缘劣化影响研究 ..........23
3.1 引言 ..........23
3.2 侵入波累积效应冲击试验平台研究 .........23
3.2.1 变压器匝间绝缘模型研究........23
3.2.2 冲击试验回路设计..........27
3.3 侵入波累积效应冲击试验研究 .......28
3.4 本章小结 ............38
第 4 章 基于 S 变换的侵入波危害评价体系研究........39
4.1 引言 ..........39
4.2 侵入波危害评价方法研究 .............39
4.2.1 时域波形转换法 (TDWC)........39
4.2.2 时域危害因子法 (TDSF) .........40
4.2.3 频域危害因子法(FDSF)............41
4.3 基于 S 变换的改进 FDSF 方法研究..........44
4.3.1 S 变换技术研究 .....44
4.3.2 S 变换与傅里叶变换对比..........46
4.3.3 S 变换改进的 FDSF 方法研究 ............47
4.4 本章小结 ............50
第 5 章 结论与展望.....51
5.1 结论 ..........51
5.2 今后的工作展望...........51
 
第 4 章 基于 S 变换的侵入波危害评价体系研究
 
4.1 引言
变压器在日常运行期间,绕组绝缘经常由于不同类型的瞬态事件遭受不同侵入波的电应力作用。现场经验表明,即使变压器绝缘设计合理且绝缘状态良好,仍有大量变压器遭受电应力而损坏。本文基于变电站侵入波电流、电压一体化监测系统,探寻侵入波对变压器绝缘的危害,建立侵入波危害评价体系。第 2、3 章分别研究了侵入波站域仿真计算以及侵入波暂态冲击对变压器绝缘劣化影响研究,本章将基于前两章的研究结果,主要研究侵入波对变压器危害的评估方法。目前国内外侵入波对变压器绝缘危害评估方法主要有三种:时域波形转换法(TDWC, Time Domain Waveform Conversion),时域危害因子法(TDSF, TimeDomain Severity Factor),频域危害因子法(FDSF, Frequency Domain SeverityFactor),下面将分别展开介绍。变压器厂家为了能够保证变压器绝缘设计的合理,必须根据变压器内部几何结构,评估变压器内部电应力的分布情况,以保证变压器内部绝缘所处场强均低于绝缘介质击穿的最低场强。因此,为了建立电应力(kV)与介电材料绝缘强度(kV/mm)的关系,定义了变压器绝缘设计的安全系数 SF(Safety Factor)。变压器在运行过程中要长期承受工作电压,偶尔还要承受系统中不同类型的过电压。变压器的额定电压可以考察长期工作电压的耐受程度,为了衡量变压器绝缘耐受冲击过电压的影响,一般会在生产厂家进行雷电冲击试验、操作冲击试验以及短时工频耐压试验证明变压器基本绝缘水平(Basic InsulationLevel, BIL)。
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结论
 
基于现场变压器无征兆突发性事故分析,结合国内外研究现状,本文开展了侵入波对变压器绝缘劣化影响的研究,主要结论如下:
1、本文对佛山市某 500kV 变电站开展了站域侵入波传播仿真计算研究,基于 ATP 模型以及 MATLAB 软件,编制了联合仿真程序,实现了实测侵入波波形的自动仿真计算。计算结果与文献对比表明,波形的形状、上升沿、衰减周期等均相差较小,证明该站域模型及联合仿真方法能够用于变电站侵入波过电压的自动快速仿真计算。
2、设计了匝间绝缘侵入波累积效应冲击试验研究平台,研究了 500kV 变压器绕组换位导线匝间绝缘模型的 V-N 特性曲线,变压器绕组换位导线匝间绝缘在侵入波的长期作用下,存在较小的累积效应,随着老化程度的增加,变压器油进入老化后的绝缘纸中,绝缘纸的耐受累积冲击能力小幅度增强。由于匝间绝缘击穿电压都在 150kV 以上,显著高于侵入波在变压器匝间实际可能产生的过电压,可以认为现场运行的变压器如果没有承受过短路力,或者没有存在缺陷,可不考虑侵入波累积效应的影响。
3、依照短路力实际作用效果人为制造了纸绝缘缺陷,开展了累积冲击试验,研究了有缺陷 500kV 变压器绕组换位导线匝间绝缘模型的 V-N 特性曲线,绝缘在受短路力破损后,其冲击耐受特性会急剧下降,与新纸相比将会降低 50%左右,且有明显的累计效应。因此,短路力作用或存在缺陷会导致变压器在侵入波的累积冲击作用下发生损坏,造成突发性、无征兆故障。
4、对现有时域波形转换法、时域危害因子法(TDSF)以及频域危害因子法(FDSF)三种方法开展了研究,提出了利用 S 变换技术改进原有 FDSF 方法,并利用 MATLAB 编程实现。与原有 FDSF 方法相比,改进的方法可以获得不同频率下侵入波超出标准线持续的时间,综合考虑频域与时域评估侵入波的危害。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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