SCI论文（www.lunwensci.com）:
摘要：针对大型油浸式隔离变压器用的同轴排布金属隔离层的真实屏蔽效果，进行了验证性的研究工作。从仿真和实验的两个角度出发对隔离雷击电磁脉冲和削弱共模干扰电压这种作用进行重点论证。仿真中将屏蔽层等效为单匝线圈，并使用暂态分析软件进行全波分析，根据结果提出了强电感耦合结构下屏蔽效果有限的假设。进而设计了纯电容和电容电感两款样机，通过低电压冲击感应实验来验证该假设。结果表明，大型隔离变中所用的同轴屏蔽层并无法起到隔离雷击电磁脉冲的作用，而其对高频干扰的限制也仅限于0.91 MHz以上。因此最后提出屏蔽层对该类变压器并无必要的观点。另一方面，通过设置不同的屏蔽层材质，样机实验也验证了碳黑纸/铜片组合式屏蔽层结构可作为纯金属屏蔽的替代方案的可行性。
关键词：大型隔离变压器；屏蔽层；电感传递
Research on Shielding Layer for Large Oil-immersed Isolating Transformer
Duan Xiaojun，Chi Zhusheng，Li Linda
(Siemens Transformer(Guangzhou)Co.,Ltd.,Guangzhou 510530,China)
Abstract:The actual effect of coaxial metal isolating layer used for large oil-immersed isolating transformer was studied.The effects of isolating lightning impulse and weakening common-mode interference voltage were demonstrated from simulation and experiment.The shielding layer was equivalent to single-turn coil,and the transient analysis software was used for full-wave analysis.Based on the results,the hypothesis of limited shielding effect under strong inductively coupled structure was proposed.Then pure-capacitor prototype and capacitive-inductor prototype were designed to verify the hypothesis via low voltage impulse testing.The results show that the coaxial shielding layer used in large isolation transformer cannot isolate the electromagnetic pulse of lightning strike,and its limitation of high frequency interference is only above 0.91 MHz.Finally,the viewpoint that shielding layer is not necessary for this kind of transformer is put forward.On the other hand,by setting different shielding materials,the prototype experiment also verified the feasibility of carbon black paper/copper composite shielding structure as an alternative to pure metal shielding.
Key words:large oil-immersed isolating transformer;shielding layer;inductive transfer
0引言
大型油浸式隔离变压器所用的屏蔽层具有一定的结构特点，这类产品均为一次绕组-金属静电屏蔽层-二次绕组的同心排布的型式，这与小型变压器的主次线圈分列结构有着根本上的区别。因此同轴屏蔽结构可以作为隔离变细分类型的特征，其原理和效果上的研究不多。
隔离变压器是一种实现一二次的完全电气隔离的变压器，在结构上，隔离变压器应使两个绕组之间不存在任何连接的可能(不论是直接连接还是通过其他金属件简介相连)，以避免偶然同事触及带电梯(或因绝缘损坏而可能带电的金属部件)和地所带来的危险[1]。文献中对其主要的作用和应用场合总结如下：物理上的电气隔离[2]、削弱共模高频干扰电压[3]、限制短路电流、减小三次谐波干扰[4]、隔离雷击电磁脉冲[4]。但是大多数隔离变的研究都针对电源电压不超过1 100 V小型低电压隔离变[5-6]，几乎很少有对10.5 kV-10.5 kV油浸式电力隔离变压器的研究。
传统的同轴屏蔽层大多购置成品，但是隔离变由于没有相关的验证试验。所以变压器的出厂试验仅能验证其安全性，并不会验证其屏蔽效果。本文通过仿真分析、样品验证等方式对屏蔽真实效果进行研究。另一方面，纯金属屏蔽存在损耗偏高，成本较高等缺陷，这些缺陷会随着产品电压和容量的提高而更加明显。验证非全金属的替代屏蔽方案也是本文研究重点。为自主生产制造屏蔽层提供依据，也为电网用户选用类似产品提供参考。
1仿真研究
从文献中指出的隔离变的5个作用出发，逐一分析如下。
(1)电气隔离是通过物理隔离实现的，其实除了自耦变压器之外，所有的变压器的一次侧和二次侧都不存在电气连接，能量转换是通过电磁感应实现的。而屏蔽层的作用是在一次侧和二次侧之间增加了地电位，进而增加一二次线圈间的物理距离，所以不易发生一二次之间的电击穿。但是线圈与屏蔽层之间有电压差，线圈到屏蔽层的击穿依然会损坏变压器。而屏蔽层一般很薄，其端部电场相对集中，端部电场将会是隔离变设计的一个主要内容，必须引起重视。
(2)削弱共模高频干扰电压[7]，该作用是通过接地屏蔽层直接实现的，因此是本文的重点研究方向。
(3)限制短路电流是通过一二次之间的阻抗实现的[8-9]，与屏蔽层无关。本文也不做展开讨论。
(4)减小三次谐波干扰[10-12]，包含电源三次电压谐波和非线性负载的电流谐波，按照文献描述该功能是通过角接绕组实现的，与屏蔽层无关，本文也不展开讨论。
(5)隔离雷击电磁脉冲[13-14]，这个也是客户最为期待的功能之一。同时该功能扩展开来还可以通过磁饱和原理消除浪涌。是本文重点研究的内容之一。
因此，重点研究屏蔽层对削弱高频干扰的效果。具体的方法将使用波过程仿真软件MWSTS，对屏蔽层进行建模，对比有无屏蔽层时的雷电冲击传递效果。
1.1参考变压器
选用一台的SFG-63000/10.5典型隔离变压器进行研究。该变压器容量为63 MVA，一二次侧阻抗为8%，且均采用角接，额定电压均为10.5 kV。
1.2屏蔽层的等效建模
模拟工况为一次侧的全波冲击电压105 kV和截波波冲击电压115 kV。对应的线圈排布如图1所示，重点关注的二次侧线圈中部层间电压U2(o-i)，二次侧线圈内层中部对地传递电压U2(i-G)，二次侧线圈外层中部对屏蔽层传递电压U2(o-S)，一次侧线圈中部对屏蔽层传递电压U1-S。对于无屏蔽方案，采用保持线圈间距的同时，去除屏蔽层，如图2所示。重点关注的二次侧线圈中部层间电压U2(o-i)，二次侧线圈内层中部对地传递电压U2(i-G)，二次侧线圈外层中部对一次侧中部的传递电压U2o-1。
1.3仿真结果的对比分析
计算基于一次侧入波全波和截波，并考虑最大(Max)、额定(Rated)和最小(Min)3个分接状态。为了方便对比，将冲击仿真结果统一折算为工频电压并取最大值。其中全波折算系数为2.7，截波折算系数为2.97。整理后得到结果如表1所示。由数值可以发现，二次侧外层对屏蔽层电位低于无屏蔽层时对一次侧的电位，但由于不是一个条件下的电压，所以并不具备对比性。因为二次侧外层到屏蔽的距离只有到一次侧的一半，采用主空道平均场强Eave=来计算，有屏蔽比无屏蔽的截波更高，全波更低。另一方面，二次侧层间及二次侧内层对地的电压，有无屏蔽差别不大，甚至无屏蔽略低一些。但是这些趋势掺杂了不同分接及不同波形的影响，需要进一步进行波形分析。
单独提取同工况(全波额定档)二次侧外层电压进行对比，如图3所示。并提取同工况(全波最小档)二次侧层间电压进行对比，如图4所示。可以看到有无屏蔽的方案之间并无明显的波形区别。而对于截波，二次侧传递电压可能略小，但波形几乎也没有明显差别。
隔离层对于降低传递电压(含高频)影响很小，这与文献中的说法差别很大。通过理论分析，可能的原因是传递电压并非完全依赖于线圈间电容分布，而电感及铁心传递也有非常大的影响。为了证实这样的观点并寻找最合理的屏蔽材料，接下来开展了一系列的样机试验。
2样机试验研究
2.1一号样机
2.1.1样机目的及设定
一号样机为铜板电容试验，有两个需要验证的方向：(1)在没有电感和铁芯的影响下，隔离层的实际效果；(2)对比不同材质隔离层的效果。
具体的方案原理如图5所示，取两块铜板模拟无电感的线圈，铜板间设置1 mm层压纸板(PSP)+接地屏蔽材料+1 mm层压纸板(PSP)的结构，外侧设定防护和夹持。用于对比的屏蔽样品包括，空白组(1张层压纸板)，铜箔组(0.5 mm铜箔)，铝箔组(0.6 mm铜箔)，碳黑纸组1(1层0.145 mm后的导电碳黑纸)，碳黑纸组2(3层0.435 mm后的导电碳黑纸)，碳黑纸组3(6层0.87 mm后的导电碳黑纸)，铜条+碳黑纸组1(铜条在碳黑纸表面均匀分布并连通，覆盖面积约占总碳黑纸面积的8%)，铜条+碳黑纸组2(铜条在碳黑纸表面均匀分布并连通，覆盖面积约占总碳黑纸面积的40%)，铜条+碳黑纸组1(铜条在碳黑纸表面均匀分布并连通，覆盖面积约占总碳黑纸面积的72%)。
2.1.2试验方案的设定
具体的试验方案如下：(1)屏蔽层接地，在一次侧铜板上施加100 V标准冲击波形电压，测量二次侧铜板对地电压；(2)更换屏蔽层材料，重复上述试验并记录。
等效电路如图6所示。其中铜板对屏蔽层之间的电容为C′，铜板对地电容为C。可以看到一二次侧的电压传递是通过铜板对屏蔽之间的电容完成的。因为这个模型都只有电容，并不会有电感和电阻。因此该样机可以称为电容样机。通常，业内认为在暂态过电压冲击中(特别是雷电冲击)，因为入波等效频率很高，变压器的内部电压分布将基于电容进行分布。
2.1.3样机的结果与结论
试验结果如表2所示。从结果中可以得到以下结论：(1)接地的金属箔作为屏蔽层，可以完美屏蔽纯电容耦合的传递电压；(2)碳黑纸作为屏蔽层，由于电荷移动速度有限，难以做到有效屏蔽；(3)铜条覆盖一定面积的碳黑纸的效果逊于金属屏蔽，但也能做到超过90%的效果。且随着铜条覆盖占比的增加，屏蔽效果也会相应增加。
2.2二号样机
2.2.1样机目的及设定
二号样机为小型变压器模型试验，有两个需要验证的方向：(1)在存在电感和铁芯的影响下，隔离层的实际效果；(2)对比不同材质隔离层在该样机条件下的效果；(3)屏蔽对频率响应的影响。
具体的方案原理如图7所示，取现有半成品变压器铁心，绕制两个小型线圈。线圈间放置不同类型的屏蔽层。整体布置从铁芯至外依次为：1 mm层压纸筒，12 mm厚二次侧线圈(该线圈每层25匝，绕制2层)，10 mm空道，2 mm层压纸筒，12 mm厚一次侧线圈(该线圈每层25匝，绕制2层)，1 mm层压纸筒。无需浸油干燥等工序。
由于一号样机已经证明了纯碳黑纸的结构的无效性，以及铜条+碳黑纸的结构的有效性。所以二号样机对铜条+碳黑纸仅准备了8%的一组样品。用于对比的屏蔽样品包括，空白组(1张层压纸板)，铜箔组(0.5 mm铜箔)，铝箔组(0.6 mm铜箔)，铜条组(多个铜条围成桶状，铜条间有绝缘间隔，并最终一点短接接地)，铜条+碳黑纸组(铜条在碳黑纸表面均匀分布并连通，覆盖面积约占总碳黑纸面积的8%)。
2.2.2试验方案的设定
具体的试验方案如下：(1)铁心插好上轭，使用三芯电工线绕制线圈；(2)屏蔽层接地，使用雷电冲击发生器在一次侧施加150 V标准冲击波形，测量二次侧波形并记录；(3)更换频率响应接线，在一次侧施加输入信号，测量二次侧的响应；(4)抬高一次线圈，露出二次侧外部的屏蔽层，更换屏蔽样品，重复上述试验并记录。
该样机的等效电路如图8所示。其中串联电容是相邻导线之间的电容，而串联电容与导线自感及等效电阻组成的支路并联。导线到地电位之间的电容为并联电容。并联电容是导致线圈整体电位分布不均匀的直接原因。一二次侧之间的电压由线圈到屏蔽之间的两个主电容及通过铁芯耦合的互感进行传递。
2.2.3样机的结果与结论
试验结果如表3所示。
频率响应结果对比如图9所示，其中橘色为空白组响应波形，蓝色为铜箔组响应波形。可以看出，铜箔组在0.2~0.91 MHz之间的部分不仅没有衰减，反而比空白组有更高的响应。只有0.91 MHz以上才有明显的衰减效果。类似的现象在其他屏蔽组的对比中也有体现，此处不再逐一列出其曲线。
从结果中可以得到以下结论：(1)屏蔽对冲击波形的感应电压幅值并无明显影响，等效电路中的电感电阻结构起到了主要的能量传递作用，该结果与仿真结果能够匹配；(2)通过频率响应，可以看到屏蔽仅对0.91 MHz以上的波形才会产生相对明显的衰减效果；(3)二号样机结果与一号样机结果可以证实仿真数据，并足以验证了对该现象的假设。
3结束语
本文针对类型变压器未表述清晰的原理出发，通过仿真的方法研究大型油浸式隔离变典型结构的屏蔽层效果，对仿真结果进行了原理上的假设。并通过设置两组样机，实测证实了之前的理论假设。在试验过程中，也得到了一些可以支撑工程实践的设计原则。综上，得到以下结论。
(1)大型隔离变压器采用的一次绕组-金属静电屏蔽层-二次绕组同轴排布的方式，可以削弱0.91 MH以上的电磁干扰。但是在电网运行中，这部分干扰因为分量小基本不会影响电能质量，同时0.2~0.91 MHz之间的干扰传递甚至比无屏蔽结构更强。所以对于电力变压器来说并没有实际意义。
(2)该结构并不能削弱雷电冲击带来的传递过电压。原因是电力变压器中的电感分量很大，足以将雷电冲击波形感应到其他侧。
(3)结合以上两点，电力变压器本身阻抗可以抗短路，连接组别可以抗谐波，一二次线圈间击穿故障很少发生等情况，屏蔽层不能起到预期效果，是完全可以不要的。
(4)另一方面，采用铜条覆盖部分碳黑纸的结构，能够接近纯金属屏蔽的效果，且可以预见到将产生更小的损耗及更优质的经济性。该结构也在后续的真机产品中得以验证。
参考文献：
[1]GB/T19212.5-2011,电源电压为1 100 V及以下的变压器、电抗器、电源装置和类似产品的安全第5部分:隔离变压器和内装隔离变压器的电源装置的特殊要求和试验[S].
[2]严威.隔离变压器在孤岛电站中的应用研究[J].电力勘测设计,2021(6):68-71.
[3]彭钰,魏巍.浅谈隔离变压器的使用[J].有色冶金节能,2021,37(3):70-74.
[4]周方君,周萌,张佳晖,等.隔离变压器在电源系统防雷中的应用[J].气象科技,2015,43(5):969-972.
[5]张弘,刘光辉,任坤.铁路客车隔离变压器烧损故障试验分析[J].铁道技术监督,2021,49(4):24-28.
[6]李慧,邹越华.爆炸危险场所电气设计探讨[J].现代建筑电气,2021,12(11):35-38.
[7]葛斯乔,刘卫东,丁登伟,等.变电站就地化电子装置供电电源的电磁骚扰耦合和抑制[J].高电压技术,2021,47(12):4483-4492.
[8]刘杰.隔离变压器与磁力变压器在精炼炉并联使用的探讨[J].盐科学与化工,2020,49(2):43-45.
[9]曲道武.浅谈三相隔离变压器在机床上的应用[J].装备维修技术,2020(1):98.
[10]马威,房丽婷,叶敬伟,等.隔离变压器励磁电流对电路系统影响分析[J].电工技术,2019(15):8-9.
[11]余志涛,郑春龙,徐莉杰.以隔离变压器作负载的变频器功率考核技术[J].企业技术开发,2019,38(5):18-21.
[12]李吉生.电厂主变压器直流偏磁影响分析及对策[J].内蒙古电力技术,2021,39(1):85-88.
[13]于磊,李宝华.对电源中自然界雷电电磁脉冲的分析[J].西部广播电视,2019(5):240-241.
[14]董锦川.隔离变压器B相绕组绝缘击穿原因分析与处理[J].水电站机电技术,2018,41(10):48-49.
关注SCI论文创作发表，寻求SCI论文修改润色、SCI论文代发表等服务支撑，请锁定SCI论文网！
文章出自SCI论文网转载请注明出处：https://www.lunwensci.com/ligonglunwen/49325.html
