高频磁环并联阻尼电阻抑制变压器雷电过电压的方法

摘要

采用避雷器可以限制雷电过电压的幅值，但不能抑制陡度，变压器因雷电过电压造成的事故还时有发生。提出将高频磁环并联阻尼电阻后串接在线路的适当位置来抑制变电站变压器雷电过电压的方法。通过振荡回路的试验和仿真建立了高频磁环的EMTP仿真计算模型。针对某实际220 kV变电站的仿真计算结果表明，通过选择适当的磁环材料和优化磁环的形状和尺寸，采用该方法可有效降低变压器雷电过电压的幅值和陡度，可作为避雷器保护的 补充和完善措施。

引言

我国电力行业标准规定在变电站的母线和主变端口安装金属氧化物避雷器作为过电压保护措施之一。研究表明，避雷器对雷电过电压有比较好的抑制效果。实际运行中，仍有因雷电过电压导致变压器损坏的事故发生，可见雷电过电压仍是导致变压器绕组匝间绝缘损坏的一个重要原因。

当变电站附近发生近距离雷击时，雷电侵入波传播到变电站的距离短、衰减小。避雷器仅能限制过电压的幅值，不能降低过电压的陡度，即到达变压器的过电压波仍可能具有很高的陡度，造成变压器绕组上电压分布很不均匀，严重时可造成变压器端部绕组的匝间绝缘损坏。因此，同时抑制雷电过电压的幅值和陡度对于确保变压器的安全运行具有实际意义，仅用避雷器作为变压器的雷电防护措施并不十分充分。

在利用高频磁环抑制电力系统快速过电压的研究领域，本文作者已经取得一定成果。在以往工作的基础上，提出了利用高频磁环并联阻尼电阻来抑制变压器雷电过电压的方法，作为避雷器保护的补充和完善措施，并进行了相应的模拟试验和仿真分析，证明了该方法的可行性。

过电压抑制原理

利用高频磁环抑制变压器雷电过电压的方法是将高频磁环和阻尼电阻并联后安装到与变压器相连接的线路上，改变线路的参数，增加雷电波传播路径中的电感和能量损耗。雷电波经过高频磁环和阻尼电阻之后幅值和陡度被削弱，从而保护了变压器。

单独使用磁环仅可以降低雷电波的陡度，不能消耗其能量;而且，由于雷电波幅值很高，磁环很容易因磁饱和而失去作用。因此，作为避雷器保护的补充，本文使用高频磁环并联阻尼电阻来抑制雷电过电压，图1为原理示意图。由多个磁环组成的磁环串套装在变压器的连接导线上， 阻尼电阻并接在磁环两端。雷电波到达磁环串后，由于磁环电感的作用，一部分雷电流通过阻尼电阻分流，雷电波的幅值被衰减。研究表明，磁环串电感越大，则可以选择越大的阻尼电阻，获得更大的衰减作用;在磁环串电感一定的情况下，阻尼电阻有一个最优值，产生最大衰减。阻尼电阻的存在还有另一个重要作用，即通过 对雷电流的分流作用，减小磁环饱和程度。

图1 高频磁环串和阻尼电阻并联结构

图2 为所采用的非晶磁芯材料(FJ37 型)的磁化曲线。如需有效抑制雷电波陡度，即需要足够大的磁环串电感。磁环串电感取决于磁环材料特性和磁环串尺寸。在实际应用中，须尽可能选择高饱和、高磁导率、高工作频率的磁性材料。要保证高频磁环串的工频阻抗很小，在工频电流通过时损耗和压降很小，不影响系统的正常运行。此外，还应根据应用条件优化磁环的几何形状和尺寸。本文选取的磁环由非晶磁芯构成，非晶磁性材料的频率范围为300kHz，相对磁导率200~1000，饱和磁感应强度约1.5T。非晶磁芯为铁基材料，卷制加工，便于制做大尺寸磁环，价格合理。