变压器过电压及其保护

　　摘 要： 电力系统在特定条件下所出现的超过工作电压的异常电压升高，属于电力系统中的一种电磁扰动现象。电工设备的绝缘长期耐受着工作电压，同时还必须能够承受一定幅度的过电压，这样才能保证电力系统安全可靠地运行。研究各种过电压的起因，预测其幅值，并采取措施加以限制，是确定电力系统绝缘配合的前提，对于电工设备制造和电力系统运行都具有重要意义。
　　关键词： 变压器 过电压 保护措施
　　
　　变压器的过电压是指在变压器运行时的电压超过变压器本身的最大允许工作电压。变压器的过电压往往对变压器的绝缘有很大的危害，甚至使绝缘击穿。
　　一、变压器过电压及产生原因
　　过电压分为内部过电压和大气过电压两种。变压器的这两种过电压都是作用时间短促的瞬变过程。
　　1.大气过电压的产生原因
　　又称雷电过电压、外部过电压，由大气中的雷云对地面放电而引起的。分直击雷过电压和感应雷过电压两种。
　　直击雷过电压的持续时间约为几十微秒，具有脉冲的特性，故常称为雷电冲击波。直击雷过电压是雷闪直接击中电工设备导电部分时所出现的过电压。雷闪击中带电的导体，如架空输电线路导线，称为直接雷击。雷闪击中正常情况下处于接地状态的导体，如输电线路铁塔，使其电位升高以后又对带电的导体放电称为反击。直击雷过电压幅值可达上百万伏，会破坏电工设施绝缘，引起短路接地故障。
　　感应雷过电压是雷闪击中电工设备附近地面，在放电过程中由于空间电磁场的急剧变化而使未直接遭受雷击的电工设备（包括二次设备、通信设备）上感应出的过电压。因此，架空输电线路需架设避雷线和接地装置等进行防护。通常用线路耐雷水平和雷击跳闸率表示输电线路的防雷能力。
　　大气过电压是输电线路直接遭受雷击或雷云放电时，电磁场的剧烈变化所引起的。当输电线路直接遭受雷击时，雷云所带的大量电荷（设为正电荷）通过放电渠道落到输电线上，大量的自由电荷向输电线路的两端传播，在输电线上引起冲击过电压波，称为雷电波。雷电波向输电线两端传播的速度接近于光速，持续的时间只有几十微秒，电压由零上升到最大值的时间只有几微秒。雷电波的典型波形为：
　　曲线由零上升到最大值这一段称为波头，下降部分称为波尾。如果把波头所占时间看成是周期波的四分之一周期，则雷电波可看成是频率极高的周期性波。这样，当过电压波到达变压器出线端时，相当于给变压器加上了一个频率极高的高电压。这一瞬变过程很快，一开始，由于高频下，ωL很大的，1/ωC很小，电流只从高压绕组的匝电容和对地电容中流过。由于低压绕组靠近铁心，它的对地电容很大（即容抗很小），可近似地认为低压绕组接地。可雷电波袭击时，沿绕组高度上的电压分布取决于匝间电容C和C对电容的比例。在一般情况下，由于两种电容都存在，过电压时，一部分电流由对地电容分流，因此每个匝间电容流的电流不相等，上面的匝间电容流过的电流最大愈往下面则愈小，随着电压沿绕组高度的分布变为不均匀，见下图：图中UAX是过电压波加在变压器两端的电压。
　　从图中可见，起始电压分布很不均匀，靠近输电线A端的头几匝间出现很大的电压梯度。因此，在头几个线匝里，匝间绝缘和线饼之间的绝缘都受到很大的威胁，这时最高匝间电压可能高达额定电压的50—200倍。
　　2.内部过电压的产生原因
　　电力系统内部运行方式发生改变而引起的过电压。有暂态过电压、操作过电压和谐振过电压。
　　暂态过电压是由于断路器操作或发生短路故障，使电力系统经历过渡过程以后重新达到某种暂时稳定的情况下所出现的过电压，又称工频电压升高。常见的有：①空载长线电容效应（费兰梯效应）。在工频电源作用下，由于远距离空载线路电容效应的积累，使沿线电压分布不等，末端电压最高。②不对称短路接地。三相输电线路a相短路接地故障时，b、c相上的电压会升高。③甩负荷过电压，输电线路因发生故障而被迫突然甩掉负荷时，由于电源电动势尚未及时自动调节而引起的过电压。
　　操作过电压是由于进行断路器操作或发生突然短路而引起的衰减较快持续时间较短的过电压，常见的有：①空载线路合闸和重合闸过电压；②切除空载线路过电压；③切断空载变压器过电压；④弧光接地过电压。
　　谐振过电压是电力系统中电感、电容等储能元件在某些接线方式下与电源频率发生谐振所造成的过电压。一般按起因分为：①线性谐振过电压；②铁磁谐振过电压；③参量谐振过电压。
　　现以降压变压器空载拉闸为例说明内部电压产生的原因。根据变压器参数的折算法可知，把二次侧（低压侧）电容折算到一次侧（高压侧）时，电容折算值为实际值的倍，所以二次侧电容的影响可以略去不计。这就是说，空载时可以忽略二次侧的影响。就一次绕组来说，由于每单位长度上的对地电容C是并联的，故对地总电容为C=∑C。
　　由于一次侧单位长度上的匝间电容C是串联的，因此它的匝间总电容为：C=。
　　在电力变压器中，通常C?垌C，所以定性分析时，匝间电容的影响也可略去不计。当再忽略绕组电阻R时，可得空载拉闸过电压时的简化等效电路：
　　其中L是一次绕组的全自感。
　　把空载变压器从电网上拉闸时，如果空载电流的瞬时值不等于零而是某一数值I，这时相应的外施电压瞬时值为U。于是在拉闸瞬间，电感L中储藏的磁场能量为，电容C上储藏的电场能量为。由于这时变压器的电路是由电感L和电容C并联的电路，因此在拉闸瞬间，回路内将发生电磁振荡过程。在振荡过程中，当某一瞬间电流等于零时，此时磁场能量全部转化为电场能量，由电容吸收，电容上的电压便升高到最大值U。当不考虑能量损失时，根据能量守恒原理有：CU=Li+CU，故得：U=。
　　上式表明，当拉闸电流和电容上的电压一定时，绕组的电感愈大，对地电容愈小，则拉闸时过电压愈高。电力系统中，拉闸过电压通常不超过额定电压的3.0—4.5倍。
　　二、变压器过电压的危害
　　变压器设计的绝缘强度一般考虑能承受2.5倍的过电压。因此超过2.5倍的过电压，不论哪一种过电压都有可能使变压器绝缘损坏。变压器内部的电压分布受电压的频率和变压器的电阻、感抗、容抗的影响有很大差异，在工频电压情况下容抗是很大的，由它构成的电路相当于断路，因此正常情况下变压器内部电压分布只考虑电阻和电感就可以了，其分布基本均匀。大气过电压或操作过电压基本是冲击波，由于冲击波的频率很高，波前陡度很大，波前时间为1.5μs的冲击波其频率相当于160kHz。因此，在过电压冲击波的作用下，变压器容抗很小，对变压器内部电压的分布影响很大。冲击波作用于变压器绕组时的危害可分成起始瞬间和振荡过程两个阶段来说明。
　　1.起始瞬间
　　当t=0时，绕组的电容起主要作用，电阻和电感的影响可以忽略不计。当冲击波一进入高压绕组，由于有对地电容的存在，绕组每一匝间电容流过的电流不同，起始瞬间的电压分布使绕组首端几匝间出现很大的匝间电压。因此，头几匝的线圈间的绝缘受到严重威胁，最高的匝间电压可达额定电压的50—200倍。
　　2.振荡过程
　　当t＞0时，从起始电压分布过渡到最终电压分布的这个阶段，有振荡现象。在此过程中，起作用的不仅有电容，而且有电感和电阻，在绕组不同的点上将分别在不同时刻出现最大电位（对地电压）。绕组不同点出现的对地电压可升到2倍的冲击波电压值，绕组对地主绝缘有可能损坏。绕组上的电压分布均匀与否和绕组对地电容和匝间电容的比值大小有关，比值越小绕组上的电容分布越均匀。
　　三、变压器过电压保护
　　
　　变压器在运行时，难免会发生过电压现象。为了防止变压器绕组绝缘在过电压时被击穿，必须采取适当的过电压保护措施，目前主要采用下列措施。
　　1.避雷器保护
　　在变压器的高压端装设金属氧化物避雷器，其特点是动作灵敏、残压低、通流容量大，当雷电波从输电线侵入或者在操作过电压发生时，避雷器动作，过电压波对地导通，这样雷电波就不会侵入变压器，从而保护了变压器。在国家标准GB311，1—1997《高压输配电设备的绝缘配合》中对于变压器的绝缘水平规定为：“6kV变压器的短时（1min）工频耐受电压（有效值）为25kV，雷电冲击耐受电压（峰值）为60kV；10kV变压器的短时（1min）工频耐受电压（有效值）为35kV，雷电冲击耐受电压（峰值）为75kV。”
　　国家标准GB311.1—1997《高压输配电设备的绝缘配合》对于变压器等设备的操作过电压的绝缘配合的规定还有如下内容：
　　（1）相对地绝缘、范围1的设备，根据设备上的统计操作过电压水平或者避雷器的操作冲击保护水平和设备的绝缘特性，并选取一定的配合因数K计算，选取设备的额定操作冲击耐受电压。
　　（2）选取配合因数K时应考虑到下列因素：绝缘类型及其特性；性能指标；过电压幅值及分布特性；大气条件；设备生产装备中的分散性及安装质量；绝缘在预期寿命间的老化、试验条件及其他未知因素。对于雷电冲击，根据我国情况，一般选取K＞=1.4；对于操作冲击，一般选取K＞=1.15。
　　结合国家标准的规定，可以计算出6kV变压器用避雷器的绝缘配合因数值为：
　　K==2?准1.4。
　　同理，10kV变压器用避雷器的绝缘配合因数值为：
　　K==1.5?准1.4。
　　根据以上计算可以看出，金属氧化物避雷器的参数完全可以满足变压器过电压保护的需要。
　　2.加强绝缘
　　除了加强变压器高压绕组对地绝缘外，针对雷电波作用的特性，我们还要加强首端及末端部分线匝的绝缘，以承受由于起始电压分布不均匀而出现的较高的匝间电压。这种方法效果有限，而且加厚绝缘使得散热困难，同时减少了匝间电容，增大了匝间电压梯度。目前只在35kV及以下的变压器中采用。
　　3.增大匝间电容
　　匝间电容相对于对地电容越大时，电压的起始分布越均匀，电压梯度越小，因此增加匝间电容是有效的过电压保护措施。
　　四、结语
　　造成变压器过电压的原因多种多样，针对不同的过电压，有不同的过电压保护措施。在实际工作中，我们应进行经济上和技术上的全面研究，选择有效的过电压保护措施，确保变压器的安全稳定运行。
　　
　　参考文献：
　　［1］赵玉林.高电压技术.北京：中国电力出版社，2008.
　　［2］鲁铁成.电力系统过电压.北京：水利水电出版社，2009.