應(yīng)用高頻磁環(huán)并聯(lián)阻尼電阻抑制變壓器雷電過(guò)電壓方法

我國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在變電站的母線和主變端口安裝金屬氧化物避雷器作為過(guò)電壓保護(hù)措施之一。研究表明，避雷器對(duì)雷電過(guò)電壓有比較好的抑制效果。實(shí)際運(yùn)行中，仍有因雷電過(guò)電壓導(dǎo)致變壓器損壞的事故發(fā)生，可見(jiàn)雷電過(guò)電壓仍是導(dǎo)致變壓器繞組匝間絕緣損壞的一個(gè)重要原因。

當(dāng)變電站附近發(fā)生近距離雷擊時(shí)，雷電侵入波傳播到變電站的距離短、衰減小。避雷器僅能限制過(guò)電壓的 幅值，不能降低過(guò)電壓的陡度，即到達(dá)變壓器的過(guò)電壓波仍可能具有很高的陡度，造成變壓器繞組上電壓分布很不均勻，嚴(yán)重時(shí)可造成變壓器端部繞組的匝間絕緣損 壞。因此，同時(shí)抑制雷電過(guò)電壓的幅值和陡度對(duì)于確保變壓器的安全運(yùn)行具有實(shí)際意義，僅用避雷器作為變壓器的雷電防護(hù)措施并不十分充分。

在利用高頻磁環(huán)抑制電力系統(tǒng)快速過(guò)電壓的研究領(lǐng)域，本文作者已經(jīng)取得一定成果。在以往工作的基礎(chǔ)上，提出了利用高頻磁環(huán)并聯(lián)阻尼電阻來(lái)抑制變壓器雷電過(guò)電壓的方法，作為避雷器保護(hù)的補(bǔ)充和完善措施，并進(jìn)行了相應(yīng)的模擬試驗(yàn)和仿真分析，證明了該方法的可行性。

1 過(guò)電壓抑制原理

利用高頻磁環(huán)抑制變壓器雷電過(guò)電壓的方法是將高頻磁環(huán)和阻尼電阻并聯(lián)后安裝到與變壓器相連接的線路上，改變線路的參數(shù)，增加雷電波傳播路徑中的電感和能量損耗。雷電波經(jīng)過(guò)高頻磁環(huán)和阻尼電阻之后幅值和陡度被削弱，從而保護(hù)了變壓器。

單獨(dú)使用磁環(huán)僅可以降低雷電波的陡度，不能消耗其能量;而且，由于雷電波幅值很高，磁環(huán)很容易因磁飽和而失去作用。因此，作為避雷器保護(hù)的補(bǔ)充，本文使用高頻磁環(huán)并聯(lián)阻尼電阻來(lái)抑制雷電過(guò)電壓，圖1 為原理示意圖。由多個(gè)磁環(huán)組成的磁環(huán)串套裝在變壓器的連接導(dǎo)線上， 阻尼電阻并接在磁環(huán)兩端。雷電波到達(dá)磁環(huán)串后，由于磁環(huán)電感的作用，一部分雷電流通過(guò)阻尼電阻分流，雷電波的幅值被衰減。研究表明，磁環(huán)串電感越大，則可 以選擇越大的阻尼電阻，獲得更大的衰減作用;在磁環(huán)串電感一定的情況下，阻尼電阻有一個(gè)最優(yōu)值，產(chǎn)生最大衰減。阻尼電阻的存在還有另一個(gè)重要作用，即通過(guò) 對(duì)雷電流的分流作用，減小磁環(huán)飽和程度。

圖1 高頻磁環(huán)串和阻尼電阻并聯(lián)結(jié)構(gòu)圖2 為所采用的非晶磁芯材料(FJ37 型)的磁化曲線。如需有效抑制雷電波陡度，即需要足夠大的磁環(huán)串電感。磁環(huán)串電感取決于磁環(huán)材料特性和磁環(huán)串尺寸。在實(shí)際應(yīng)用中，須盡可能選擇高飽和、高磁導(dǎo)率、高工作頻率的磁性材料。 要保證高頻磁環(huán)串的工頻阻抗很小，在工頻電流通過(guò)時(shí)損耗和壓降很小，不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。此外，還應(yīng)根據(jù)應(yīng)用條件優(yōu)化磁環(huán)的幾何形狀和尺寸。本文選取的 磁環(huán)由非晶磁芯構(gòu)成，非晶磁性材料的頻率范圍為300 kHz，相對(duì)磁導(dǎo)率200~1 000，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度約1.5 T。非晶磁芯為鐵基材料，卷制加工，便于制做大尺寸磁環(huán)，價(jià)格合理。

圖2 仿真用非晶磁芯材料的磁化曲線