電壓分布計算是為了確保電力變壓器能夠安全、可靠地運行，因此合理設計變壓器內部絕緣結構至關重要。
基本介紹
- 中文名：電壓分布計算
- 外文名：Voltage distribution calculation
- 描述：電磁振盪過程的電壓分析
- 套用：運行變壓器
- 學科：物理
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概念
電壓分布計算在變壓器正常工作運行中至關重要。特別是變壓器線圈的絕緣必須能可靠地承受住大氣過電壓、長期工作電壓、操作過電壓和暫態過電壓的作用。分析變壓器線圈在遭受到衝擊電壓時產生電磁振盪過電壓和感應過電壓的原因，對電力變壓器波過程進行計算與仿真，運用波過程計算軟體進行變壓器絕緣結構設計，最後指出波過程計算是變壓器縱絕緣設計的重要依據。
簡易衝擊電壓分布計算軟體的設計
根據國家標準，在變壓器設計中，電壓等級小於35kV的變壓器在設計計算時可以不考慮過電壓下的繞組的波過程。但是，對於110kV及以上電壓等級的大變壓器，過電壓下的繞組波過程就需要進行計算，並且要根據計算結果選取合適的導線及繞組結構進行變壓器繞組的繞制。
繞組波過程簡介
圖1 繞組波過程等效電容電路變壓器實際運行情況表明，過電壓中的雷擊過電壓使變壓器絕緣損壞所占比例是很大的。也就是雷電沿著輸電線侵入變電所內的變壓器，使變壓器繞組上受到衝擊電壓作用，在變壓器繞組上產生複雜的電磁過程。這種過程將在繞組匝間、層間、餅間及繞組與繞組之間和繞組對地部件間引起過電壓。因此，通過研究變壓器繞組在過電壓下波過程，可搞清楚不同繞組結構、不同排列方式及不同聯結方式下的電位梯度分布情況，從而找到繞組的薄弱點，進而為設計者提供合理的絕緣數據，這對提高變壓器的可靠性具有非常重要的意義。
由於衝擊過電壓可視為頻率很高的波，因此，在衝擊波過程作用下，變壓器繞組可以被看作是一個由電容、電感和電阻串並聯組成的複雜網路。但在衝擊波開始作用瞬間，相當於極高頻率的電壓波作用在繞組上，電感相當於開路，而由於繞組電阻十分小，可忽略，因此繞組波過程就相當於由電容構成的網路。雖然在衝擊波作用的發展過程中，頻率逐漸降低，電阻、電容、電感將同時起作用，但通過大量的衝擊測量結果和計算表明，按電容等效電路（ 如圖1）分析波過程還是可行的，進行變壓器的計算和設計也是能夠達到要求。
簡易雷電衝擊軟體的設計
從上面的分析可以看出，雷電衝擊的波過程對於電壓等級較高的變壓器繞組電位梯度的影響還是很大的。最新頒布的國家標準GB 1094.3-2003已將110kV及以上電壓等級的電力變壓器的雷電衝擊作為指定的例行試驗。由此可以看出，雷電衝擊波過程計算是變壓器可靠性設計必須考慮的。
圖2 雷電衝擊計算軟體界面1
圖2 雷電衝擊計算軟體界面1本計算軟體界面簡單，操作方便。在設計此軟體時，考慮到變壓器繞組的形式及其每一繞組中的連線形式，將每一繞組計算分為幾個段（考慮普通計算的需要，共分6段，其餘備用，計算時可選擇段數），分別連線不同的繞組形式，包括連線式、內糾結式、外糾結式、全糾結式、跨2餅內禁止式、跨4餅內禁止式。而每一繞組形式的雙餅數在界面上輸入，如圖2所示。
研究結果
套用該軟體計算得到的雷電衝擊波過程結果與手工計算的結果完全符合，在計算精度上比手工計算的要高。 採用此軟體的計算結果而設計的SFSZ9-36000/132變壓器已經通過雷電衝擊試驗，完全符合工程設計要求。該軟體可套用於對雷電衝擊有要求的變壓器設計中。
330kV OPGW感應電壓分布計算和影響因素研究
光纖複合架空地線兼具通信通道和避雷線的功能，十多年來已在高壓輸電線路中得到了廣泛套用。中國在 220 kV 及以上中性點有效接地系統中普遍採用兩根地線對稱架設方式，一根採用鋼絞(GJ)地線，一根採用光纖複合地線(optical fiber composite overhead ground wire，OPGW)。
圖3 地線感應電量示意圖
圖3 地線感應電量示意圖輸電線路運行過程中，導線帶有一定電壓，並通過一定的負荷電流，在其周圍形成強 烈的電磁場，架空地線處於該電磁場中，其上會產生感應電壓。若地線通過一定的路徑構成閉合迴路，如通過大地或兩地線間構成迴路，則會有感應電流出現，產生損耗。感應電壓、電流可分為電磁感應、靜電感應兩部分，見圖3。
據統計 220 kV單回線路的地線在逐塔接地方式下，感應環流損耗約(5~10)萬kW·h/(百 km·a)，330 kV輸電線路約為(40~60)萬kW·h/(百 km·a)，500 kV 輸電線路約為(300~500)萬 kW·h/(百 km·a)；按照 0.2 元/(kW· h)來計算，一條 500 kV、100 km 長的線路一年將有大約(60~100)萬元的損失；美國765 kV輸電線路，其地線感應環流損耗約為236.52萬kW· h/(百 km· a)，僅 765 kV 線路每年地線電能損耗費用高達百萬美元，數額相當可觀。按國內電力總容量估算，全國每年地線上的電能損耗將達百億千瓦時。因此有必要研究地線感應電量及其影響因素，從而減小能量損耗。
OPGW 地線感應電壓分布的計算
330 kV 輸電線路一個絕緣分段內 OPGW 地線感應電壓的等值計算網路圖見圖4。 圖4中：ZLi 為桿塔 i 和桿塔 i+1 間檔距內地線的阻抗，Rgi 為桿塔 i的接地電阻，Ui(i+1)為桿塔 i 和桿塔 i+1 計間檔距內的地線上的電磁感應電壓。1、2、…、k、…、n為桿塔編號，其中，1~k 為每個絕緣分段內桿塔編號，1~n為整條線路的桿塔編號。
圖4 地線感應電壓等值計算網路圖
圖4 地線感應電壓等值計算網路圖EMTP 是電力系統電磁暫態分析套用最廣泛並得到普遍認可的仿真軟體。雙回導線逆相序排列，反向換位時，地線分別為 3 km 首端接地和 6 km 中點接地時，使用 EMTP 程式計算 OPGW 地線感應電壓分布，計算結果見圖5。由圖5可知，OPGW 的感應電壓與分段長度及分段方式有關。
圖5 OPGW 地線感應電壓分布
圖5 OPGW 地線感應電壓分布地線感應電壓的影響因素
研究結果表明，桿塔接地電阻對地線感應電壓、環流及損耗影響不大，若 OPGW 逐基塔接地，則桿塔接地電阻的增大會抬高桿塔的塔頂電位。從地線感應電壓的計算原理，可以推斷地線感應電壓與地線的分段方式、接地方式、線路輸送潮流、導線的布置方式等因素有很大關係。根據現有輸電系統中地線普遍採用的接地方式和上節的計算分析結果，筆者以 GJ 地線和 OPGW 地線分段絕緣、首端接地為例，分析研究導線換位方式、導線排列方式、地線分段長度等因素對 OPGW 地線感應電壓的影響。
研究結論
筆者對系統多種運行工況下，330 kV 豐源—張村架空輸電線路 OPGW 感應電壓沿線分布進行了理論分析和仿真計算，並研究了 OPGW 感應電壓的影響因素，得出以下結論：
1)當 GJ 地線和 OPGW 採用相同的分段絕緣、中點接地的接地方式，與首端接地和末端接地相比，在系統穩定運行時，OPGW 感應電壓均保持在較低水平；
