段曉軍，遲主升，李林達(dá)

（廣州西門(mén)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(diǎn)，這類(lèi)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(xiàn)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(xì)分類(lèi)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(shí)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(gè)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(guò)其他金屬件簡(jiǎn)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(lái)的危險(xiǎn)[1]。文獻(xiàn)中對(duì)其主要的作用和應(yīng)用場(chǎng)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(duì)電源電壓不超過(guò)1 100 V小型低電壓隔離變[5-6]，幾乎很少有對(duì)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(gòu)置成品，但是隔離變由于沒(méi)有相關(guān)的驗(yàn)證試驗(yàn)。所以變壓器的出廠(chǎng)試驗(yàn)僅能驗(yàn)證其安全性，并不會(huì)驗(yàn)證其屏蔽效果。本文通過(guò)仿真分析、樣品驗(yàn)證等方式對(duì)屏蔽真實(shí)效果進(jìn)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(huì)隨著產(chǎn)品電壓和容量的提高而更加明顯。驗(yàn)證非全金屬的替代屏蔽方案也是本文研究重點(diǎn)。為自主生產(chǎn)制造屏蔽層提供依據(jù)，也為電網(wǎng)用戶(hù)選用類(lèi)似產(chǎn)品提供參考。

1 仿真研究

從文獻(xiàn)中指出的隔離變的5個(gè)作用出發(fā)，逐一分析如下。

（1）電氣隔離是通過(guò)物理隔離實(shí)現(xiàn)的，其實(shí)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(guò)電磁感應(yīng)實(shí)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(jìn)而增加一二次線(xiàn)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(xiàn)圈與屏蔽層之間有電壓差，線(xiàn)圈到屏蔽層的擊穿依然會(huì)損壞變壓器。而屏蔽層一般很薄，其端部電場(chǎng)相對(duì)集中，端部電場(chǎng)將會(huì)是隔離變?cè)O(shè)計(jì)的一個(gè)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(guò)接地屏蔽層直接實(shí)現(xiàn)的，因此是本文的重點(diǎn)研究方向。

（3）限制短路電流是通過(guò)一二次之間的阻抗實(shí)現(xiàn)的[8-9]，與屏蔽層無(wú)關(guān)。本文也不做展開(kāi)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(xiàn)性負(fù)載的電流諧波，按照文獻(xiàn)描述該功能是通過(guò)角接繞組實(shí)現(xiàn)的，與屏蔽層無(wú)關(guān)，本文也不展開(kāi)討論。

（5）隔離雷擊電磁脈沖[13-14]，這個(gè)也是客戶(hù)最為期待的功能之一。同時(shí)該功能擴(kuò)展開(kāi)來(lái)還可以通過(guò)磁飽和原理消除浪涌。是本文重點(diǎn)研究的內(nèi)容之一。

因此，重點(diǎn)研究屏蔽層對(duì)削弱高頻干擾的效果。具體的方法將使用波過(guò)程仿真軟件MWSTS，對(duì)屏蔽層進(jìn)行建模，對(duì)比有無(wú)屏蔽層時(shí)的雷電沖擊傳遞效果。

1.1 參考變壓器

選用一臺(tái)的SFG-63000/10.5典型隔離變壓器進(jìn)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(duì)應(yīng)的線(xiàn)圈排布如圖1所示，重點(diǎn)關(guān)注的二次側(cè)線(xiàn)圈中部層間電壓U2(o-i)，二次側(cè)線(xiàn)圈內(nèi)層中部對(duì)地傳遞電壓U2(i-G)，二次側(cè)線(xiàn)圈外層中部對(duì)屏蔽層傳遞電壓U2(o-S)，一次側(cè)線(xiàn)圈中部對(duì)屏蔽層傳遞電壓U1-S。對(duì)于無(wú)屏蔽方案，采用保持線(xiàn)圈間距的同時(shí)，去除屏蔽層，如圖2所示。重點(diǎn)關(guān)注的二次側(cè)線(xiàn)圈中部層間電壓U2(o-i)，二次側(cè)線(xiàn)圈內(nèi)層中部對(duì)地傳遞電壓U2(i-G)，二次側(cè)線(xiàn)圈外層中部對(duì)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(duì)比用無(wú)屏蔽層變壓器基本排布及工況

1.3 仿真結(jié)果的對(duì)比分析

計(jì)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?。∕in）3個(gè)分接狀態(tài)。為了方便對(duì)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(duì)屏蔽層電位低于無(wú)屏蔽層時(shí)對(duì)一次側(cè)的電位，但由于不是一個(gè)條件下的電壓，所以并不具備對(duì)比性。因?yàn)槎蝹?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(chǎng)強(qiáng)Eave=來(lái)計(jì)算，有屏蔽比無(wú)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(duì)地的電壓，有無(wú)屏蔽差別不大，甚至無(wú)屏蔽略低一些。但是這些趨勢(shì)摻雜了不同分接及不同波形的影響，需要進(jìn)一步進(jìn)行波形分析。

表1 折算為工頻的數(shù)值結(jié)果對(duì)比

單獨(dú)提取同工況（全波額定檔）二次側(cè)外層電壓進(jìn)行對(duì)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(jìn)行對(duì)比，如圖4所示?？梢钥吹接袩o(wú)屏蔽的方案之間并無(wú)明顯的波形區(qū)別。而對(duì)于截波，二次側(cè)傳遞電壓可能略小，但波形幾乎也沒(méi)有明顯差別。

圖3 有無(wú)屏蔽條件下二次側(cè)外層中部電壓的差別

圖4 有無(wú)屏蔽條件下二次側(cè)層間電壓的差別

隔離層對(duì)于降低傳遞電壓（含高頻）影響很小，這與文獻(xiàn)中的說(shuō)法差別很大。通過(guò)理論分析，可能的原因是傳遞電壓并非完全依賴(lài)于線(xiàn)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(shí)這樣的觀點(diǎn)并尋找最合理的屏蔽材料，接下來(lái)開(kāi)展了一系列的樣機(jī)試驗(yàn)。

2 樣機(jī)試驗(yàn)研究

2.1 一號(hào)樣機(jī)

2.1.1 樣機(jī)目的及設(shè)定

一號(hào)樣機(jī)為銅板電容試驗(yàn)，有兩個(gè)需要驗(yàn)證的方向：（1）在沒(méi)有電感和鐵芯的影響下，隔離層的實(shí)際效果；（2）對(duì)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(wú)電感的線(xiàn)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(hù)和夾持。

圖5 樣品基本結(jié)構(gòu)

用于對(duì)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(yàn)方案的設(shè)定

具體的試驗(yàn)方案如下：（1）屏蔽層接地，在一次側(cè)銅板上施加100 V標(biāo)準(zhǔn)沖擊波形電壓，測(cè)量二次側(cè)銅板對(duì)地電壓；（2）更換屏蔽層材料，重復(fù)上述試驗(yàn)并記錄。

等效電路如圖6所示。其中銅板對(duì)屏蔽層之間的電容為C′，銅板對(duì)地電容為C?？梢钥吹揭欢蝹?cè)的電壓傳遞是通過(guò)銅板對(duì)屏蔽之間的電容完成的。因?yàn)檫@個(gè)模型都只有電容，并不會(huì)有電感和電阻。因此該樣機(jī)可以稱(chēng)為電容樣機(jī)。通常，業(yè)內(nèi)認(rèn)為在暫態(tài)過(guò)電壓沖擊中（特別是雷電沖擊），因?yàn)槿氩ǖ刃ьl率很高，變壓器的內(nèi)部電壓分布將基于電容進(jìn)行分布。

圖6 試驗(yàn)等效電路

2.1.3 樣機(jī)的結(jié)果與結(jié)論

試驗(yàn)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(dòng)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(guò)90%的效果。且隨著銅條覆蓋占比的增加，屏蔽效果也會(huì)相應(yīng)增加。

表2 一號(hào)樣機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果

2.2 二號(hào)樣機(jī)

2.2.1 樣機(jī)目的及設(shè)定

二號(hào)樣機(jī)為小型變壓器模型試驗(yàn)，有兩個(gè)需要驗(yàn)證的方向：（1）在存在電感和鐵芯的影響下，隔離層的實(shí)際效果；（2）對(duì)比不同材質(zhì)隔離層在該樣機(jī)條件下的效果；（3）屏蔽對(duì)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(gè)小型線(xiàn)圈。線(xiàn)圈間放置不同類(lèi)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(xiàn)圈（該線(xiàn)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(xiàn)圈（該線(xiàn)圈每層25匝，繞制2層），1 mm層壓紙筒。無(wú)需浸油干燥等工序。

圖7 樣品基本結(jié)構(gòu)

由于一號(hào)樣機(jī)已經(jīng)證明了純碳黑紙的結(jié)構(gòu)的無(wú)效性，以及銅條+碳黑紙的結(jié)構(gòu)的有效性。所以二號(hào)樣機(jī)對(duì)銅條+碳黑紙僅準(zhǔn)備了8%的一組樣品。用于對(duì)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(gè)銅條圍成桶狀，銅條間有絕緣間隔，并最終一點(diǎn)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(yàn)方案的設(shè)定

具體的試驗(yàn)方案如下：（1）鐵心插好上軛，使用三芯電工線(xiàn)繞制線(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)沖擊波形，測(cè)量二次側(cè)波形并記錄；（3）更換頻率響應(yīng)接線(xiàn)，在一次側(cè)施加輸入信號(hào)，測(cè)量二次側(cè)的響應(yīng)；（4）抬高一次線(xiàn)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(yàn)并記錄。

該樣機(jī)的等效電路如圖8所示。其中串聯(lián)電容是相鄰導(dǎo)線(xiàn)之間的電容，而串聯(lián)電容與導(dǎo)線(xiàn)自感及等效電阻組成的支路并聯(lián)。導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)圈到屏蔽之間的兩個(gè)主電容及通過(guò)鐵芯耦合的互感進(jìn)行傳遞。

圖8 試驗(yàn)等效電路

2.2.3 樣機(jī)的結(jié)果與結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 一號(hào)樣機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果

頻率響應(yīng)結(jié)果對(duì)比如圖9所示，其中橘色為空白組響應(yīng)波形，藍(lán)色為銅箔組響應(yīng)波形?？梢钥闯觯~箔組在0.2～0.91 MHz之間的部分不僅沒(méi)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(lèi)似的現(xiàn)象在其他屏蔽組的對(duì)比中也有體現(xiàn)，此處不再逐一列出其曲線(xiàn)。

圖9 頻響試驗(yàn)曲線(xiàn)對(duì)比

從結(jié)果中可以得到以下結(jié)論：（1）屏蔽對(duì)沖擊波形的感應(yīng)電壓幅值并無(wú)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(guò)頻率響應(yīng)，可以看到屏蔽僅對(duì)0.91 MHz以上的波形才會(huì)產(chǎn)生相對(duì)明顯的衰減效果；（3）二號(hào)樣機(jī)結(jié)果與一號(hào)樣機(jī)結(jié)果可以證實(shí)仿真數(shù)據(jù)，并足以驗(yàn)證了對(duì)該現(xiàn)象的假設(shè)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)類(lèi)型變壓器未表述清晰的原理出發(fā)，通過(guò)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(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了原理上的假設(shè)。并通過(guò)設(shè)置兩組樣機(jī)，實(shí)測(cè)證實(shí)了之前的理論假設(shè)。在試驗(yàn)過(guò)程中，也得到了一些可以支撐工程實(shí)踐的設(shè)計(jì)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(yùn)行中，這部分干擾因?yàn)榉至啃』静粫?huì)影響電能質(zhì)量，同時(shí)0.2～0.91 MHz之間的干擾傳遞甚至比無(wú)屏蔽結(jié)構(gòu)更強(qiáng)。所以對(duì)于電力變壓器來(lái)說(shuō)并沒(méi)有實(shí)際意義。

（2）該結(jié)構(gòu)并不能削弱雷電沖擊帶來(lái)的傳遞過(guò)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(diǎn)，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(xiàn)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(jiàn)到將產(chǎn)生更小的損耗及更優(yōu)質(zhì)的經(jīng)濟(jì)性。該結(jié)構(gòu)也在后續(xù)的真機(jī)產(chǎn)品中得以驗(yàn)證。