浅谈变压器绕组波过程及防雷保护措施

2017-07-19李文杰

卷宗 2017年11期

李文杰

摘要：变压器是是利用电磁感应原理来改变交流电压的装置，绕组为变压器的重要组成部分，雷电过电压是绕组的一大威胁，了解雷电波在变压器绕组中的波过程对防雷保护至关重要。本文着力分析了变压器绕组中的波过程，并由此针对性的提出了变压器的防雷保护措施，为变电站雷雨季节可靠运行提供了有力的支撑。

关键词：变压器；绕组；波过程；防雷保护

[Abstract] The transformer is using the principle of electromagnetic induction to change the AC voltage of the device， Windings are important components of transformers， Lightning over voltage is a great threat to winding， It is essential to understand lightning wave in transformer windings for lightning protection. The article analyzes the wave process in transformer windings， and made appropriate measures for lightning protection. So， it provided a strong support for reliable operation of substation during thunderstorm season.

[Key words] Transformers Windings Wave process Lightning protection

电力变压器在运行中除了要经受工频电压的长期作用以外，还会遭受幅值特别高的雷电冲击过电压的作用，由于雷电冲击过电压具有幅值高且波前陡的特点，所以当它侵袭到变压器绕组上时，它急剧大量的降落在绕组绝缘的端部，从而导致此处的电场高度集中，这就可能引起电压器主绝缘的损坏。因此，需要对电力变压器的波过程进行研究。本文通过详细分析变压器绕组中波过程的基本规律，给出了变压器绝缘结构和变电站防雷保护接线方法。

1 变压器绕组中的波过程

1.1 单相变压器绕组内的波过程

由于变压器绕组的结构特点，在冲击电压作用下，电磁耦合尤为复杂。单相变压器绕组等值电路[1]如图1所示，图中L0为沿绕组高度方向单位长度的电感，C0、K0分别表示沿绕组高度方向单位长度的对地电容与匝间电容。

在冲击电压作用的波前部分等值频率较高，容抗比感抗小得多，故等值电路只包含C0、K0的电容链，即冲击波作用起始阶段由C0、K0决定电位的起始分布；而在冲击波尾部分，等值频率下降，L0相当于短路，C0、K0相当于开路，等值电路可视为一直流电阻，即稳态阶段由绕组直流电阻决定其稳态电压分布；由于电感和电容之间能量的轉换，使起始阶段向稳态阶段过渡时存在振荡过程。

1.1.1起始电压分布与入口电容

经分析可知绕组末端绝缘或末端接地的起始电压分布表达式[2，3]为：

（1）

其中：

由式（1）可知，al越大，起始电压分布曲线下降速度越快。

此外，a愈大，绕组首端附近的压降越大，即绕组首端的电位梯度

最大，值为：

（2）

式（2）表明，在时，绕组首端的电位梯度比平均值（）大al倍，因此，对绕组首端的绝缘应采取保护措施。

分析变电站防雷保护时，因等值频率很高，可以忽略电感的影响，变压器可用归算至首端的对地电容来代替，通常叫做入口电容。它的数值为：

（3）

式中C—变压器绕组总的对地电容，F；

K—变压器绕组总的匝间电容，F。

即入口电容为变压器绕组全部对地电容与匝间电容的几何均值。

变压器绕组入口电容与其容量、电压等级和结构等有关。通常变压器绕组入口电容[2]可参见表1，对于纠结式绕组，因匝间电容较大，其入口电容比表1的数值大。

1.1.2 稳态电压分布

当时，绕组的稳态电压分布完全由绕组的电阻决定。当绕组中性点绝缘时，绕组上各点对地电位相同；而中性点接地时，电压自首端至中性点均匀下降。

1.1.3 过渡过程中绕组各点最大对地电位包络线

由于沿绕组的起始电压分布与稳态电压分布不同，加之绕组是分布参数的振荡回路，故由初始状态过渡到稳态分布必有一个振荡过程。显然，振荡过程的剧烈程度由绕组电压起始分布和稳态分布的差决定。把记录的各个时刻振荡过程中绕组各点出现的最大电位连成曲线，可得到绕组中各点的最大电位包络线。

由图2可知：末端接地的绕组中，在绕组首端附近将出现最大电位，其值可达左右；末端不接地的绕组中，在中性点附近将出现最大电位，其值可达左右。但在实际中，由于绕组内存在损耗，最大值将低于上述值。这时绕组的设计与纵绝缘保护是非常重要的参数。

1.2 三相变压器绕组内的波过程

电力变压器一般按照Y、Y0、接线，三相绕组中波过程的基本规律[4]与单相绕组相同，当变压器高压绕组星形连接且中性点接地时，无论是一相、两相或三相进波，都可以按三个独立绕组波过程分析。

当变压器高压侧星形接线且中性点不接地时，设A相进波，如图3所示，由于线路的波阻抗远小于绕组对冲击波的阻抗，故在冲击电压作用下可近似认为B、C两相绕组的线路侧是接地的，可等效为B、C两相绕组并联与A相绕组串联，长度增加一倍。绕组中电压的起始分布与稳态分布如图3（b）所示。稳态电压是按绕组的电阻分布，故中性点O的稳态分布电压为，因而在振荡过程中中性点O的最大对地电位可达。如果两相、三相同时进波，可用叠加法来估算中性点对地电位。显然，中性点最高电位分别可达和。

若变压器绕组是三角形接线，任一相进波时，同样可认为未受冲击的两相线路侧相当于接地，此时与末端接地绕组相同。两相进波和三相进波可以用叠加法处理。图4（b）曲线为三相进波时沿绕组的初始电压分布（曲线1）、稳态电压分布（曲线2）和绕组各点对地最大电位包络线（曲线3）。此时变压器绕组对地最大电位处于中部，高达。三相来波几率比较小，大致10%，基本15年一遇。

1.3 变压器绕组绝缘的内部保护

由变压器绕组波过程过程分析可知：改善起始电压分布使之接近稳态电压分布，可以降低绕组各点在振荡过程中的最大对地电位和最大电位梯度。

通常采用横向或纵向电容补偿来改善绕组起始电压分布的方法。

1.3.1横向电容补偿

在变压器绕组首端增设电容环或采用屏蔽线匝，利用绕组各点与电容环间的电容耦合向对地电容C0提供充电电荷，使所有纵向电容K0上的电荷都相等或接近相等，如图5所示。

1.3.2纵向电容补偿

尽量增大纵向电容的值，以消弱对地电容电流的影响，工程上常采用纠结式绕组[1]，如图6所示。

1.4 冲击电压在绕组间的传递

当过电压波投射到变压器的一个绕组时，会在别的绕组上感应出一定的电压，它也可能达到相当高的数值而引起绝缘故障，需要加以保护。

变压器绕组之间的传递过电压包括静电感应电压和电磁感应电压[11]。

（1）静电感应（电容传递）

这个分量是通过绕组之间的电容耦合而传递过来的，因而其大小跟变压器的变比没有什么关系。

C12=高、低压绕组间的电容

C2=低压绕组本身对地电容+相连设备对地电容+线路对地电容（电缆出线电容大）：一般C2>C12

低压侧若开路，C2仅是低压绕组本身电容，所以U2高，通常在一相的出线端接避雷器来对整个三相绕组提供保护。

（2）电磁感应（磁传递）

这个分量是因磁耦合而产生的。

初时电流为0，耦合为0；随电流增加，耦合按变比传递到其他绕组

通常依靠紧贴每相的高压绕组端安装的三相避雷器对这种电压进行保护。

2 变压器的防雷保护

2.1 电力变压器保护

当雷电波侵入变压器时，会对变压器绕组主绝缘、匝间绝缘和中性点绝缘构成威胁，依据变压器的结构的不同，采取保护的方式也不同[5]。

2.1.1三绕组变压器和自耦变压器保护

当雷电波由变压器高压侧侵入时，通过绕组间静电、电磁耦合，在低压侧绕组也将出现过电压。三绕组变压器在正常运行时，可能有高、中压绕组运行，低压绕组开路的情况。此时，若线路有入侵雷电波作用在高压侧或中压侧时，由于低压绕组的对地电容很小，开路的低压绕组上的静电耦合分量可能达到很高的数值，危及低压绕组的安全。限制這种过电压，只要在每一相低压绕组出线端对地加装一台避雷器即可。如果低压绕组连接有25m及以上的金属外皮电缆时，则相应的增加了低压侧的对地电容，限制了过电压，此时低压侧可不装避雷器。

三绕组变压器中压绕组，相对来说，绝缘水平比低压绕组要高，当其开路运行时，一般静电耦合分量不会损坏中压绕组，没有特殊情况，不必加装上述要求的避雷器。

双绕组变压器在正常运行时，高压与低压侧断路器都是闭合的，两侧都有避雷器。

自耦变压器一般除有高、中压自耦绕组外，还带有三角形接线的低压绕组，以减少零序电抗和改善波形。因此，它有可能只有两个绕组运行而另一个绕组开断的情况。

当高压端线路袭来雷电侵入波时，设端电压为U0，其初始和稳态分布及最大电位包络线都和中性点接地的绕组相同，如图7（a）所示，在开路的中压端上可能出现的最大电位为高压侧电压U0的（K为高压侧与中压侧绕组的变比），这样可能造成开路的中压端套管闪络。因此在中压端与断路器之间应装设一组避雷器，以便在中压端断路器开路时，保护中压端绕组的绝缘。

当高压侧开路，中压侧有一雷电波侵入时，初始和稳态分布如图7（b）所示，由中压端A&apos；到开路的高压端A的稳态分布，是由中压端A&apos；到中性点O稳态分布的电磁感应形成的，高压端稳态电压为KU&apos；0。在振荡过程中，A端的电位可达2KU&apos；0，这将危及开路的高压绕组。因此，在高压侧与断路器之间也应装一组避雷器。当中压侧有出线（相当于A&apos；经线路波阻抗接地），高压侧有雷电波入侵时，雷电波电压将大部分加在AA&apos；绕组上，可能使绕组损坏。同样，中压侧进波，高压侧有出线时，情况与上述类似。这种情况，显然AA&apos；绕组愈短（即变比K愈小）时，愈危险。为此，当变比小于1.25时，在AA&apos；之间应装设一组避雷器。

自耦变压器的防雷接线如图8（a），也可以采用图8（b）所示的避雷器保护方式。与8（a）相比，它可以节省避雷器原件，但引线比较麻烦，还需验算自耦绕组任一侧接地短路条件下，避雷器所承受的最高工频电压不应超过其灭弧电压。

（1）在中压侧和断路器之间装设一组避雷器FZ2；

（2）在高压断路器的内侧也必须装一组避雷器FZ1；

（3）在高中压绕组间装设一组避雷器FZ3；

（4）三绕组变压器的低压侧开路运行时，在任一相的低压绕组出线端对地接一台避雷器，便可以限制静电耦合作用产生的过电压，保护三项低压绕组。

2.1.2 变压器中性点保护

（1）中性点绝缘水平的分类

全绝缘：中性点的绝缘水平与绕组首端（相线段）的绝缘水平相等（60kV及以下变压器）。

分级绝缘：中性点的绝缘水平低于绕组首端（相线段）的绝缘水平（110kV及以上变压器）。

（2）不同电压等级的中性点保护

60kV及以下电网，一般都是非直接接地，采用全绝缘，一般不需要保护。但在单台变压器单路进线情况下，应安装一个与绕组首端同样电压等级的避雷器作为保护。

在中性点直接接地的系统中，为了减少单相接地的短路电流，有部分变压器的中性点采取不接地运行。此时，变压器的中性点需要保护。

110kV及以上的电网，一般是中性点直接接地，但部分为了继电保护要求，中性点不直接接地，属分级绝缘。要求：需选用与中性点绝缘等级相同的避雷器进行保护，并且避雷器的灭弧电压必须大于中性点可能出现的最大工频电压。特点：中性点的绝缘水平比相电压低得多，110kV变压器中性点采用的是35kV级绝缘，220kV中性点采用110kV级绝缘，330kV变压器采用154级绝缘；如果中性点采用分级绝缘且未装設保护间隙，应在中性点加装避雷器，宜选变压器中性点MOA；如果变压器中性点全绝缘，一般不需保护。

但在多雷区单路进线的中性点非直接接地的35～110kV变电站，宜在中性点加装避雷器保护。装有消弧线圈的变压器且有单路进线的可能性时，也应在中性点上加装避雷器，并且后者在非雷雨季节也不许退出运行，以限制操作过电压。所有这些避雷器的额定电压都可按线电压选择，至少不应低于相电压，具体按表2[6]选用。

110kV及以上电网，电网中性点一般是直接接地的，但为了限制单相短路电流并满足继电保护需要[7]，部分变压器中性点是不接地的，如果中性点是半绝缘的，就要进行保护。这是因为对于中性点不接地的变压器，当雷电波从线路侵入变电站到达变压器中性点时，对于三相同时进波，雷电波在中性点全反射，产生近2倍入射波过电压，幅值很高，将危及变压器中性点绝缘。这种情况虽属少见，但在单台变压器的变电站中，如果变压器中性点绝缘损坏，损失惨重，故需在中性点加装一个与首端有同等电压等级的避雷器。

避雷器选择方法[2]是，灭弧电压高于单相接地时中性点电位升高，残压低于中性点冲击耐压值。为可靠灭弧，中性点避雷器至少采用灭弧电压为35%ULmax（ULmax为系统最高运行线电压）的避雷器，一般用40%ULmax避雷器。对于220kV变压器的半绝缘中性点，则用Y1.5W-96/260避雷器保护即可。变压器中性点使用金属氧化锌避雷器保护时，应符合下列要求：

（1）避雷器的持续运行电压和额定应不低于DL/T620-1997标准[8]。

（2）避雷器能承受所在系统的暂时过电压和操作过电压能量。

110～220kV系统中部分变压器中性点不接地，只需在部分变压器中性点上加装对地的间隙[9]，其间隙距离的选择应保证只在内部过电压下动作，而在雷电过电压时不动作。

500kV变压器的中性点直接接地或经小电抗接地，其绝缘水平为35kV级，并用相应等级的避雷器保护。

2.2 配电变压器保护

6～10kV配电线路绝缘水平低，直击雷常使线路绝缘闪络，但大部分雷电流流入大地，限制了侵入波以及通过避雷器的雷电流幅值；加之避雷器与变压器靠的很近，两者之间电位差很小，因此可以不设进线保护。

考虑变压器的正反变换过电压[10]，在高低压侧均应安装避雷器，保护接线如图10所示，避雷器的接地线应与变压器金属外壳，以及低压侧中性点连在一起三点联合接地，降低高压绕组上的电压。

（1）安装位置

应该在变压器的高压侧和低压侧分别安装避雷器。

（2）安装方式

避雷器应当尽可能靠近变压器装设，其接地线应与变压器的金属外壳以及低压侧中性点共同接地，并减小接地线的长度，以减小电压降。

2.3 GIS变电所防雷保护（全封闭SF6气体绝缘变电所）