变压器与输配电系统快速暂态相互作用建模的若干基础问题

近年来，变压器与输配电系统快速暂态相互作用引起变压器内部故障已经引起CIGRE的重视。除众所周知的短路故障、雷电冲击、GIS开关操作等所产生的快速暂态外，随着大规模风电并网、大容量电容应用于无功补偿、大容量城市电动车充电站投入运营等，新型开关暂态不断涌现，可能激发连接变压器局部振荡，产生过电压。本项目以变压器与输配电系统快速暂态相互作用的研究为背景，着重研究建模中的若干基础问题，包括新型开关暂态源的特征，各种类型输配电变压器在低压侧开路等工况下的电压转移频率特性，变压器高压侧连接线特性在传输快速暂态及激发线圈内部电磁振荡的作用，变压器建模中线圈复合绝缘损耗的频率特性、线圈电磁耦合的频率特性、叠片铁心磁化和损耗的频率特性等，改进、优化和完善电力变压器快速暂态仿真模型，形成一套比较系统、完整的变压器与电力系统快速暂态相互作用研究的模型和工具。所提出的研究内容及预期成果具有开拓性。

随着电网技术和电网规模的迅速发展，输配电系统中出现的暂态过电压现象变得日益复杂，对电力变压器的绝缘结构设计提出更严重的挑战。研究变压器与输配电系统快速暂态相互作用的机理具有重要的意义。本项目重点研究了特高压GIS系统与电力变压器之间特快速暂态过电压的相互作用、油纸复合绝缘材料和电力变压器线圈整机在10MHz以内的损耗特性、不同频率振荡电压在变压器线圈内的分布特性等，并计算了若干台典型结构特高压电力变压器线圈内快速暂态电压分布等，取得了若干重要成果。.首先，从理论上对国家电网公司某特高压GIS试验系统VFTO测量波形的频率分布特性及传输特性进行了深入分析，得出在变压器侧的VFTO波形中的主要振荡分量的频率低于10MHz的结论。.其次，用介电谱测试仪在10MHz范围内测量了超、特高压电力变压器常用油纸绝缘材料的复介电常数和损耗角正切的频率特性曲线，利用介电弛豫的理论确定了介电弛豫个数，选用四种典型模型函数分别对试验数据进行拟合，进而提出了适用于电力变压器特快速暂态仿真建模的定量描述绝缘介质频变损耗的有效方法。.第三，提出了基于实测变压器网络函数和通过矢量匹配确定电力变压器频变衰减因子的方法。通过扫频测量获得10MHz范围内电力变压器电压转移函数，利用矢量匹配的方法提取该函数的极点；同时通过对大型电力变压器损耗的理论分析，建立了变压器在宽频带范围内的频变衰减因子的近似公式；然后将所提取的极点实部与频变衰减因子的近似公式进行最小二乘拟合，从而可以确定频变衰减因子近似公式的系数。.第四，提出了表征各自然频率振荡分量对电压分布贡献的“响应因子”以及表征各自然频率振荡分量沿线圈空间分布的“振型”的概念和定义。对暂态电压分量在变压器线圈自然频率处的振荡特性进行了深入的分析，特别是对特高压电力变压器典型分区绝缘线圈结构进行了振型分析，从理论上论证了并不是在所有自然频率处都能激发过电压振荡的结论，揭示了低频振型和高频振型空间分布的不同规律。.最后，利用国家电网公司特高压GIS试验系统实测和仿真的VFTO波形，对具有典型线圈结构的特高压电力变压器线圈内暂态电压分布进行了深入分析，得到线圈内径向匝间电压和轴向匝间电压的分布规律，为电力变压器的绝缘结构设计和采取防护特快速暂态过电压的措施提供依据。