淺析電力變壓器過電壓與防護措施

楊雄鈞

（四川樂至供電有限責任公司，四川 樂至 641500）

前言

在電力系統中變壓器主要起到升壓和降壓的作用，其工作原理簡單，由于變壓器長時間的運行,往往導致電壓超過它的最大允許工作電壓,即為過電壓，這對變壓器的絕緣造成很大危害,甚至使絕緣擊穿。過電壓分為操作過電壓和大氣過電壓兩種。輸電線路直接遭雷擊或雷云放電時，電磁場的劇烈變化所引起的過電壓稱為大氣過電壓；當變壓器或線路上的開關合閘或拉閘操作時，因系統中電磁能量振蕩和積聚而產生的過電壓稱為操作過電壓。變壓器的這兩種過電壓都是作用時間短促的瞬變過程。

操作過電壓一般為額定電壓的3至4.5倍,而大氣過電壓數值很高,可達額定電壓的8至2倍,并且繞組中電壓分布極不均勻,端頭部分線匝受到的電壓很高。因此,必須采取防范措施,防止過電壓的發生和進行有效的保護。

過電壓在變壓器中破壞絕緣有兩種情況,一是將繞組與鐵心(或油箱)之間的絕緣高壓繞組與低壓繞組之間的絕緣 (這些絕緣稱為主絕緣)擊穿;另一種是在同一繞組內將匝與匝之間或一段繞組與另一段繞之間的絕緣(這些絕緣稱為縱絕緣)擊穿。

由于過電壓的時間極短,電壓從零上升到最大值再下降到零均在極短的時間內完成,因而具有高頻振蕩的特性,其頻率可達100kHZ以上。在正常運行時,電網的頻率是50HZ,變壓器的容抗很大,而感擴ωL很小,因此可以忽略電容的影響,認為電流完全從繞組內部流過。但對高頻過電壓波來說,變壓器的容抗變成很小,而感抗變成很大,此時電流主要由電容流過,所以必須考慮電容的影響。考慮電容影響后,變壓器的分布參數電路（見圖1）

圖1

其中:

CFe-為繞組每單位長度上的對地電容;C'-為高低壓繞組之間每單位長度上的電容;Ct-為繞組每單位長度上的匝間電容;L'-為過電壓時繞組每單位長度上的漏電感;R'-為繞組每單位長度上的電阻。

1.操作過電壓和大氣過電壓產生的原因分析

1.1.操作過電壓

在一般配電網中，使用的絕大多數是降壓變壓器，下面就以降壓變壓器空載拉閘操作為例說明操作過電壓產生的原因。

根據變壓器參數的折算法可知,把二次側(低壓側)電容折算到一次側(高壓側)時,電容折算值為實際值的(1/K2)倍,所以二次側電容的影響可以略去不計。這就是說,空載時可以忽略二次側的影響。就一次繞組來說,由于每單位長度上的對地電容CFe是并聯的,故對地總電容為

由于一次側單位長度上的匝間電容Ct是串聯的,故它的匝間總電容為

在電力變壓器中,通常 CFe＞＞Ct,所以定性分析時,匝間電容的影響也可略去不計。當再忽略繞組電阻R1時,可得空載拉閘過電壓時的簡化等效電路

其中L1是一次繞組的全自感。

把空載變壓器從電網上拉閘時,假如空載電流的瞬時值不等于零而是某一數值Ia,這時相應的外施電壓瞬時值為Ua。于是在拉閘瞬間,電感L1中儲藏的磁場能量為1/2L1i2a,電容CFe上儲藏的電場能量為1/2CFeU2a。由于這時變壓器的電路是由電感L1和電容CFe并聯的電路,故在拉閘瞬間,回路內將發生電磁振蕩過程。在振蕩過程中,當某一瞬間電流等于零時,此時磁場能量全部轉化為電場能量,由電容吸收,電容上的電壓便升高到最大值Ucmax。

當拉閘電流和電容上的電壓一定時,繞組的電感愈大,對地電容愈小,則拉閘時過電壓愈高。電力系統中,拉閘過電壓通常不超過額定電壓的30～4.5倍。

1.2.大氣過電壓

大氣過電壓是輸電線路直接遭受雷擊或雷云放電時,電磁場的劇烈變化所引起的。當輸電線路直接遭受雷擊時,雷云所帶的大量電荷(設為正電荷)通過放電渠道落到輸電線上,大量的自由電荷向輸電線路的兩端傳播，就在輸電線上引起沖擊過電壓，稱為雷電過電壓。雷電波由零上升到最大值這一段稱為波頭，下降部分稱為波尾。如果把波頭所占時間看成是周期波的1/4周期，則雷電波可看成是頻率極高的周期性波。這樣，當過電壓波到達變壓器接線端時，相當于給變壓器加上了一個頻率極高的高電壓。這一瞬變過程很快,一開始,由于高頻下,ωL 很大的,1/ωC 很小,電流只從高壓繞組的匝電容和對地電容中流過。由于低壓繞組靠近鐵心,它的對地電容很大,(即容抗很小),可近似地認為低壓繞組接地。可雷電波襲擊時,沿繞組高度上的電壓分布取決于匝間電容Ct和對電容CFe的比例。由于兩種電容都存在,過電壓時,一部分電流由對地電容分流,故每個匝間電容流的電流不相等,上面的匝間電容流過的電流最大愈往下面則愈小,隨著電壓沿繞組高度的分布變為不均勻,起始電壓分布很不均勻,靠近輸電線A端的頭幾匝間出現很大的電壓梯度,因此,在頭幾個線匝里,匝間絕緣和線餅之間的絕緣都受到很大的威脅,這時最高匝間電壓可能高達額定電壓的50～200倍。

2.過電壓防護措施

為了防止變壓器繞組絕緣在過電壓時被擊穿,必須采取適當的過電壓保護措施,目前主要采用下列措施:

2.1.避雷器保護

在變壓器的高壓端裝設金屬氧化物避雷器，其特點是動作靈敏，殘壓低，通流容量大，當雷電波從輸電線侵入或者在操作過電壓發生時，避雷器動作，過電壓波對地導通，過電壓，這樣雷電波就不會侵入變壓器，從而保護了變壓器。在國家標準GB311.1-1997《高壓輸配電設備的絕緣配合》中對于變壓器的絕緣水平規定為："6kV變壓器的短時（1min）工頻耐受電壓（有效值）為25kV，雷電沖擊耐受電壓（峰值）為60kV；10kV變壓器的短時（1min）工頻耐受電壓（有效值）為35kV，雷電沖擊耐受電壓（峰值）為75kV"；

以6kV、10kV配電系統為例，分別列舉出保護變壓器的金屬氧化物避雷器參數如表1所示。國家標準GB311.1-1997《高壓輸配電設備的絕緣配合》對于變壓器等設備的操作過電的絕緣配合的規定有如下內容：

"相對地絕緣，范圍I的設備，根據設備上的統計操作過電壓水平或者避雷器的操作沖擊保護水平和設備的絕緣特性，并取一定的配合因數Kc計算、選取設備的額定操作沖擊耐受電壓"；

"選取配合因數Kc時應考慮到下列因素:絕緣類型及其特性；性能指標；過電壓幅值及分布特性；大氣條件；設備生產裝備中的分散性及安裝質量；絕緣在預期壽命間的老化，試驗條件及其它未知因素。對于雷電沖擊：根據我國情況，一般取Kc≥1.4；對于操作沖擊：一般取Kc≥1.15"。

表1 避雷器參數

結合國家標準的規定，可以計算出如下數據：

6kV變壓器用避雷器的絕緣配合因數值：

同理計算：

10kV變壓器用避雷器的絕緣配合因數值：

根據以上計算可以看出，金屬氧化物避雷器的參數完全可以滿足變壓器過電壓保護的需要。

2.2.加強絕緣

除了加強變壓器高壓繞組對地絕緣外,針對雷電波作用的特性,還要加強首端及末端部分線匝的絕緣,以承受由于起始電壓分布不均勻而出現的較高的匝間電壓。這種方法效果有限,而且加厚絕緣使散熱困難,同時減少了匝間電容,增大了匝間電壓梯度。目前只在35kV及以下的變壓器中采用。

2.3.增大匝間電容

匝間電容相對于對地電容愈大時,則電壓的起始分布愈均勻,電壓梯度越小,因此增加匝間電容是有效的過電壓保護措施。

3.結語

造成變壓器過電壓的原因多種多樣,針對不同的過電壓,有不同的過電壓保護措施。在實際工作中,我們應進行經濟上和技術上的全面研究,選擇有效的過電壓保護措施,確保變壓器的安全穩定運行。

[1]宋志明,主編.繼電保護原理與應用[M].中國電力出版社,2007.