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1、哈尔滨理工大学学士学位论文- -变压器波过程的仿真分析变压器波过程的仿真分析 摘要摘要电力变压器是电力系统中的重要设备之一，必须保证其可靠运行。要 保证电力变压器的可靠运行，就要使其具有良好的绝缘能力，因为电力变 压器的故障主要是绝缘被破坏造成的。当电力变压器受到雷电冲击时，其 绕组的绝缘很容易被破坏，因此必须对电力变压器绕组的波过程进行研究。本文首先介绍了变压器的等值电容、等值电感和电阻参数的计算方法， 然后给出了变压器绕组的等值电路和绕组波过程的计算方法。进而计算了 SFP-180000/220 三相无励磁调压电力变压器的等值电容、等值电感和电阻， 在其等效电路的基础上利用 Matlab/
2、Simulink 分别建立了中性点接地和中 性点绝缘的电路模型。分别对这两种电路模型进行仿真分析，得到了对应 的初始电位分布、振荡电位分布以及最终电位分布等，分析各电位分布的 特点，可以为该型号变压器的绝缘结构设计提供参考。关键词关键词 过电压；波过程；电位分布；纵绝缘哈尔滨理工大学学士学位论文- I -The simulation analysis on the transient process of transformerAbstractPower transformer is one of the important equipments in the power grid, we m
3、ust ensure its reliable operation. To achieve that goal, the insulation property of power transformer must be fine, for its breakdown mainly caused by the insulation damage. When the power transformer suffered from the lightning surges, the windings insulation was damaged easily, so we have to optim
4、ize and design on the power transformers windings insulation structure.Firstly, the computational methods of the inductance, capacitance and the resistance parameter were introduced in this paper, then an equivalent circuit of the transformer was established and the computational methods of the wind
5、ings transient process were given. Furthermore, the inductance, capacitance and the resistance parameters of SFP-180000/220 three-phase no load power transformer were calculated. Based on the equivalent circuit of transformer, the circuit model in the Matlab/Simulink was established and simulated wh
6、en the neutrals were grounded and isolated respectively. The relevant initial potential distribution, the oscillating potential distribution, and the final potential distribution and so on were gotten by the simulation. Finally, the characteristics of each potential distribution were analyzed, which
7、 could provide some references to the insulation structure design of this transformer.Keywords overvoltage；transient process；potential distribution；winding insulation哈尔滨理工大学学士学位论文- II -目录目录摘要.I AbstractII 第 1 章 绪论1 1.1 课题背景及意义.1 1.2 变压器绕组的波过程国内外研究现状.2 1.3 课题研究内容.3 第 2 章 变压器的参数计算4 2.1 变压器的等值电容的计算.4 2
8、.1.1 线饼间介质的等值介电常数 de.4 2.1.2 线圈间介质的等值介电常数 we.6 2.1.3 变压器线圈几何电容的计算7 2.1.4 等值纵向电容的计算8 2.2 变压器的电感参数的计算.13 2.3 变压器的电阻参数的计算.14 2.4 具体变压器的参数计算.14 2.4.1 电容的计算15 2.4.2 电感的计算15 2.4.3 电阻的计算16 2.5 本章小结.16 第 3 章 波过程的模拟17 3.1 变压器绕组的等值电路与波过程的求解方法.17 3.2 波过程的仿真分析.18 3.2.1 电源的选择18 3.2.2 中性点接地时绕组的初始电位分布18 3.2.3 中性点绝
9、缘时绕组的初始电位分布19 3.2.4 中性点接地时绕组的振荡电位分布21 3.2.5 中性点绝缘时绕组的振荡电位分布23 3.2.6 中性点接地时的最终电位分布24 3.2.7 中性点绝缘的最终电位分布25 3.3 本章小结.25 结论26 致谢27 参考文献28 附录30哈尔滨理工大学学士学位论文- 0 -第第 1 章章 绪论绪论1.1 课题背景课题背景及意义及意义研究变压器的主要目的就是提高变压器运行时的可靠性并延长它的使用年 限，而变压器运行时的可靠性和它的使用年限又主要决定于它的绝缘水平1, 2。 影响变压器绝缘水平的主要因素包括绝缘所处环境的温度、湿度、油保护方式 和过电压，其中与
10、变压器绝缘关系最大的因素是过电压3。 电力变压器在运行中要经受大气过电压、操作过电压的作用。变压器绕组 在这两种冲击电压作用下产生的过电压，主要是由绕组内部自由振荡过程和绕 组之间的静电或电磁感应过程所引起的4。在过电压的作用下，变压器线圈的 电压分布是不均匀的，而这对线圈的绝缘是很不利的5。为保证安全运行，变 压器投入运行前夕一般进行耐压试验6。根据国家标准，在变压器设计中，电 压等级小于 35kV 的变压器在设计计算时可以不考虑过电压下的绕组的波过程。 但是，对于 110kV 及以上电压等级的大变压器，过电压下的绕组波过程就需要 进行计算，并且要根据计算结果选取合适的导线及绕组结构进行变压
11、器绕组的 绕制，从而保证其绝缘强度符合要求。 变压器内部的电压分布受电压的频率和变压器的电阻、感抗、容抗的影响 7，在工频电压情况下容抗是很大的，由它构成的电路相当于断路，因此正常情况下变压器内部电压分布只考虑电阻和电感就可以了，其分布基本均匀。而 雷电过电压或操作过电压基本是冲击波，由于冲击波的频率很高，波前陡度很 大，波前时间为 1.5s 的冲击波其频率相当于 160kHz8。因此，在过电压冲击 波的作用下，变压器容抗很小，对变压器内部电压的分布影响很大。 对于雷电过电压，变压器实际运行情况表明，其使变压器绝缘损坏所占的 比例是很大的，也就是雷电波沿输电线侵入变电所，使变压器绕组上遭受到冲
12、 击电压作用，在变压器绕组上产生复杂的电磁过程。在这个过程中将在绕组匝 间、层间、线饼间以及绕组与绕组之间和绕组对接地部件间引起过电压。而且 同一雷电波在不同变压器中所产生的过电压现象也是不同的9, 10 。因此，我们 必须研究不同变压器绕组在雷电冲击波作用下的波过程，即研究在冲击波作用 下，对于不同绕组结构、绕组不同排列方式以及不同联结方式下，电位及梯度 分布情况，从而找到绕组的绝缘薄弱点，以便为设计者提供合理的绝缘数据。 对于操作过电压，在超高压电网中其成为控制绝缘的主要指标11，为了考 核大型号变压器耐受过操作电压的能力，应该用操作电压波对变压器进行试验。 变压器耐受操作过电压能力的越来
13、越重要，甚至在某种意义上说，是必需进行 的试验项目。哈尔滨理工大学学士学位论文- 1 -在近些年，电力部门大力更新和制造了许多大型变压器，检验变压器的耐 冲击绝缘水平是一个重要环节。但以前采用的试验方法存在着设备笨重、调试 费工等缺点，甚至要停下运行中的发电机和变压器作为试验设备。为此，迫切 需要一种适当的试验方法，以满足人们的实际要求，即在设计阶段就能确定变 压器运行中可能出现的各种过电压，计算出变压器线圈中的冲击电位分布，从 而合理地布置绝缘，确定变压器内各线圈的电压分布，选取最佳的线圈结构形 式。随着我国电力系统的发展和各种测试装置的不断完善，应用电子计算机进 行变压器波过程计算已成为变
14、压器绝缘结构研究的重要课题。国内外一些学者 已经提出了一些针对不同种变压器的波过程的电子计算机的计算方法。研究冲 击电压条件下变压器线圈中的电磁暂态过程并利用电子计算机实现仿真，对于 线圈绝缘结构设计具有重要意义。1.2 变压器绕组的波过程国内外研究现状变压器绕组的波过程国内外研究现状当冲击电压作用于变压器高压线圈的时候，除了高压线圈本身产生振荡过 电压外，低压线圈也可能产生很高的感应过电压。这是因为在高、低线圈之间 存在着静电和电磁感应。在某些条件下，这种感应过电压可能超过低压线圈和 连接于低压线圈上的电气设备的绝缘水平，造成绝缘击穿事故。近些年来，对 超高压变压器的高压线圈进行截波试验时，
15、多次发生低压线圈对地击穿的绝缘 事故，引起了人们的极大注意。分析表明，这种事故是由高压线圈对低压线圈 的感应过电压所引起的。 在近些年使用三线圈变压器时，也遇到低压线圈未曾使用，也没有连接至 母线和其他设备，而继续运行另外两组线圈的情况。这时如果从高压线圈进波， 由于开路的低压线圈对地电容很小，在它上面将感应出很高的冲击电压，从而 使线圈和套管的绝缘损坏。因此必须设法降低这种过电压，同时在设计低压线 圈主绝缘和纵绝缘时，应保证它能耐受这种过电压。 同理，当冲击电压作用于变压器低压线圈时，高压线圈也可能产生很高的 感应过电压。在某些条件下，它可能超过高压线圈的绝缘水平，造成绝缘击穿 事故。上海交
16、通大学高电压技术教研组进行的配电变压器防雷研究工作已经查 明，Ydn0-12 配电变压器雷击损坏的主要原因就是这种低压线圈对高压线圈的 感应过电压12。 变压器绕组的冲击特性，尤其是振荡过程，用一般的数学方法和简单的计 算工具对其求解很困难13。在上个世纪中期，P.Abetti 提出通过制造电磁模型 来研究变压器绕组波过程的方法，这种方法可以作为设计变压器绝缘结构的工 具。虽然这种方法可以较好的研究变压器绕组波过程，但是每开发一种变压器 都要制造电磁模型，需花费不少的人力、物力。因此，这种方法存在不足14。 从 20 世纪 80 年代初开始，国内的学者对变压器冲击电压波过程进行了具体的哈尔滨理工大学学士学位论文- 2 -研究，开始用电子计算机计算变压器的波过程的理论算法和波形拟合15, 16，实 际上就是确定线圈上各点的电位分布和梯度分布17。上世纪 80 年代中期，沈 阳变压器厂等单位先后引进大型计算机，大大推动了像波过程计算这样的大型 软件的研制。1987 年，由清华大学和沈阳变压器厂、西安变压器厂和上海交通
