旋转电机的冲击绝缘水平比较低，比同一电压等级的变压器冲击绝缘水平低的多，必须把旋转电机上的过电压限制在较低水平，一般通过加装避雷器来解决。同时，为了防止发电机定子绕组匝间绝缘损坏，还必须将侵入波的上升速度，限制在制造厂允许值以下，一般通过加装并联电容器来限制冲击电压侵入波的陡度。

　　主变压器高压侧承受的最大过电压幅值，受其高压侧避雷器的限制。由主变压器高压侧传递到低压侧的过电压波，主要由两部分组成：一部分是由高低压绕组间静电感应产生的，在施加冲击波的起始时刻，各个绕组的电感呈开路状态，起作用的只有绕组的纵向电容和横向电容，时间较短，在主变压器低压侧存在较大电容时，静电感应产生的冲击电压的幅值也较小，一般可以不考虑；另一部分是由高低压绕组间电磁感应产生的，冲击电压侵入高压绕组后，随着振荡过程的发展，电感中逐渐通过电流，产生磁通，并同时穿过次级绕组而产生感应电压。

　　本文讨论大容量发电机主变压器感应过电压的计算方法，并以上海外高桥发电厂三期1000MW机组为例进行计算。可供同类型工程设计时参考。

　　1静电感应电压在施加冲击波的起始时刻，各个绕组的电感呈开路状态，起作用的只是绕组的纵向电容和横向电容。此时，变压器二次侧的电压即为静电感应电压。利用集中参数进行近似计算，其单相等值电路如所示。

　　由等值电路可得：U 2 = C 12 C 12 + C 2 + C 3 U 1（ 1）式中U 1为变压器高压侧避雷器10kA的残压。当考虑发电机本身的电容时，发电机出口静电感应电压将比U 2还小。通常，发电机耐压水平远大于静电感应电压值，因此主变压器静电感应电压对发电机绝缘不会构成威胁。

　　2电磁感应电压2 1电磁感应电压计算方法冲击电压侵入高压绕组后，随着振荡过程的发展，电感中逐渐通过电流，产生磁通，并同时穿过次级绕组而产生感应电压。利用集中参数进行近似计算，其单相等值电路如所示。

　　在高压侧施加直角波电压U 1，高压绕组的电流和相应的磁链随时间而线性变化

　　，将在低压绕组中感应出直流电压U，其数值为U 1 k；为简化计算，将发电机冲击阻抗Z作为纯电阻性考虑。可以得到：U = L d i d t + U 2（ 2）i= C dU 2 dt + U 2 Z（ 3）所以L C d 2 U 2 d t 2 + L Z dU 2 d t + U 2 = U（ 4）初始条件： t= 0时， U 2 = 0，dU 2 d t = 0式（ 4）为二阶微分方程，该方程的特征值为：1， 2 = - L Z L Z 2 - 4LC 2LC = - 1 2ZC 1 4Z 2 C 2 - 1 LC（ 5）令= 1 2ZC = 1 LC设M = = L C 1 2Z，称为回路的阻尼系数。

　　这里，仅考虑2 > 2的情况，则：1 = - + j 2 - 2 = - - j 2 - 2二阶微分方程的解为：U 2 = Ae 1 t + Be 2 t + U（ 6）其中A = 2 1 - 2 U

　　B= - 1 - 2 U所以U 2 = 2 1 - 2 e 1 t - 1 - 2 e 2 t + 1 U（ 7）令= 2 - 2则式（ 7）可以写成：U 2 = 1- sin t+ cos t e！ t U（ 8）由式（ 8）可见， U 2是由0经过振荡，最后达到稳定值U.令式（ 8）的一阶导函数为零，即可求出U 2到达最大值的时刻，同时也可以求出最大值。

　　（ 9）将式（ 9）代入式（ 8），化简后可得：U 2max = 1+ e - M 1-M 2 U（ 10）式中= 1 LC为LC回路的振荡角频率。 LC为LC回路的振荡周期。

　　引入时间修正系数Y，也就是将t max表示成以T为基准值的标幺值：Y= t max T = 1 2 1-M 2（ 11）引入电压修正系数X，也就是将U 2max表示成以U为基准值的标幺值：X = U 2max U = 1+ e - M 1-M 2（ 12）按式（ 11）、（ 12）画成曲线，如所示。

　　实际作用于发电机的电磁感应电压的幅值为：U 2max =K j X U 1 k（ 13）式中k为变压器的变比；K j为变压器的接线系数。大容量机组主变压器的接线组别为Y 0 /，对于三相三柱式变压器，其接线系数K j = 0 866；对三台单相变压器，其接线系数K j = 0 577.

　　作用于发电机的电磁感应电压的平均陡度为：R s = U 2max TY（ kV /s）（ 14）2 2发电机的绝缘强度按GB/T 7064 2002 透平型同步电机技术要求，发电机定子绕组的交流工频耐压试验值（有效值）为（ 2U N + 1）。当选择发电机引出回路的避雷器时，发电机冲击绝缘强度（峰值）可按0 75 1 25 2 （ 2U N + 1），其中1 25为冲击系数（如美国、日本等）。考虑到发电机绝缘的老化，也有将冲击系数取1 0的。这样取值基本上与DL /T 596 1996 ？电力设备预防性试验规程相吻合。

　　冲击电压的（平均）陡度过大，会损坏发电机的匝间绝缘。而发电机绝缘允许的冲击电压陡度，与发电机线圈结构（如单匝绕组、多匝绕组的匝数、主绝缘等）有关。现代大容量汽轮发电机一般为单匝线圈，也就是每个定子线槽中只有一匝线圈，侵入发电机的冲击电压施加于导体和铁芯之间，而导体对铁芯的绝缘为主绝缘。因此，对单匝线圈的发电机，一般不需要装设并联电容器保护匝间绝缘。为美国发电机绝缘对冲击电压陡度的耐受能力。

　　如果冲击电压陡度超过规定值，则应该装设并联电容器。增加并联电容器虽然可以减小侵入波的陡度，但同时又会增加冲击电压的幅值。为安全起见，具体工程中应请发电机厂商提供上述参数，发电机是否装设避雷器和电容器保护，宜经过发电机厂商确认。

　　顺便指出，有些国外引进工程中，在大容量发电机引出回路均装设避雷器和并联电容器，而并未进行详细的计算。

　　3电磁感应电压算例3 1设备原始数据本工程中发电机为1000MW机组，无刷励磁，装设GCB；主变为三台单相变压器；配备两台高厂变；发电机出口通过封闭母线与主变和厂变相连接。

　　（ 1）发电机额定电压U N（ kV ）： 27冲击阻抗（ ）： 70（ 2） GCB主变侧对地电容（ f）： 0 26发电机侧对地电容（ f）： 0 13 GCB总电容C GCB（ f）： 0 26+ 0 13= 0 39（ 3）主变压器（一台单相）额定容量S m t（MVA ）： 380短路电抗x m t（% ）： 19 77电压比（ kV /kV）：525 3 /27 525kV侧避雷器的10kA残压U 1（ kV）： 974高压套管对地电容C a（ f/Ph）： 0 0005低压套管对地电容C b（ f/Ph）： 0 0005高压绕组对地电容C c（ f/Ph）： 0 005低压绕组对地电容C d（ f/Ph）： 0 018高低压绕组之间电容C d（ f/Ph）： 0 0023（ 4）高厂变（两台）两台高厂变电容C UT（ f/Ph）： 0 00104（ 5）封闭母线封闭母线电容C IPB（ f/Ph）： 0 013 3 2变压器电磁感应电压计算利用上述数据，使用电磁感应电压计算方法进行如下计算。

　　（ 1）主变电抗有名值X m t = x mt U 2 N 3S mt = 0 1264 L = X mt 2f = 402 6240 （ H ）（ 2）总等值电容C MT = C b + C d +（C a + C c）C e C a + C c + C e = 0 0201（ f）C= C MT + C U T + C IPB + C GCB = 0 4241 （ f）（ 3）阻尼系数M = L C 1 2Z = 0 2201（ 4）时间修正系数Y= 1 2 1-M 2 = 0 5126（ 5）电压修正系数X = 1+ e -M 1- M 2 = 1 4924（ 6）时间常数T = 2 LC = 82 0623 （ s）（ 7）上升至峰值时间R = T Y= 42 0651 （ s）（ 8）电磁感应电压幅值主变压器的变比k= 525 3 /27，变压器的接线系数K j = 0 577 U 2max = K j X

　　U 1 k = 74 7111 （ kV ）（ 9）供校验发电机绝缘水平用的电磁感应电压幅值如考虑避雷器配合系数K p = 1 4，则：U？

　　2max = U 2m ax K p = 104 5955 （ kV）（ 10）发电机的耐压水平U G = 0 75 1 25 2（ 2 27 + 1 ） = 72 9204 （ kV ）计算表明，该工程主变压器的电磁感应电压幅值已超过发电机的耐压水平。因此，必须装设避雷器。按照发电机的耐压水平，可选用额定电压为32 5kV， 5kA时残压为63kV的氧化锌避雷器。

　　（ 11）绝缘配合裕度

　　K c = 72 9204 63 = 1 16也就是说，按预防性试验电压考虑的发电机的冲击电压耐受强度与避雷器5kA时残压的绝缘配合裕度为16%.

　　（ 12）冲击电压上升速度R s = U 2m ax /R = 1 7761 （ kV /s）该发电机出口不另外装设电容器。但需指出，该工程GCB的两侧均带并联电容器。

　　4结论冲击电压波作用于变压器高压绕组时，在低压绕组会产生过电压。在开始时刻主要为静电感应电压，在变压器低压侧等值电容比较大时，其数值较小；当在绕组中形成冲击电流时，变压器低压侧过电压主要为电磁感应电压。采用本文方法可以计算出电磁感应电压的幅值和平均陡度（电压上升速度），将其作为是否需要装设过电压保护设备的判据，以及选择避雷器和电容器的依据。