變壓器過電壓及其保護

　　摘 要： 電力系統在特定條件下所出現的超過工作電壓的異常電壓升高，屬于電力系統中的一種電磁擾動現象。電工設備的絕緣長期耐受著工作電壓，同時還必須能夠承受一定幅度的過電壓，這樣才能保證電力系統安全可靠地運行。研究各種過電壓的起因，預測其幅值，并采取措施加以限制，是確定電力系統絕緣配合的前提，對于電工設備制造和電力系統運行都具有重要意義。
　　關鍵詞： 變壓器 過電壓 保護措施
　　
　　變壓器的過電壓是指在變壓器運行時的電壓超過變壓器本身的最大允許工作電壓。變壓器的過電壓往往對變壓器的絕緣有很大的危害，甚至使絕緣擊穿。
　　一、變壓器過電壓及產生原因
　　過電壓分為內部過電壓和大氣過電壓兩種。變壓器的這兩種過電壓都是作用時間短促的瞬變過程。
　　1.大氣過電壓的產生原因
　　又稱雷電過電壓、外部過電壓，由大氣中的雷云對地面放電而引起的。分直擊雷過電壓和感應雷過電壓兩種。
　　直擊雷過電壓的持續時間約為幾十微秒，具有脈沖的特性，故常稱為雷電沖擊波。直擊雷過電壓是雷閃直接擊中電工設備導電部分時所出現的過電壓。雷閃擊中帶電的導體，如架空輸電線路導線，稱為直接雷擊。雷閃擊中正常情況下處于接地狀態的導體，如輸電線路鐵塔，使其電位升高以后又對帶電的導體放電稱為反擊。直擊雷過電壓幅值可達上百萬伏，會破壞電工設施絕緣，引起短路接地故障。
　　感應雷過電壓是雷閃擊中電工設備附近地面，在放電過程中由于空間電磁場的急劇變化而使未直接遭受雷擊的電工設備（包括二次設備、通信設備）上感應出的過電壓。因此，架空輸電線路需架設避雷線和接地裝置等進行防護。通常用線路耐雷水平和雷擊跳閘率表示輸電線路的防雷能力。
　　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，在輸電線上引起沖擊過電壓波，稱為雷電波。雷電波向輸電線兩端傳播的速度接近于光速，持續的時間只有幾十微秒，電壓由零上升到最大值的時間只有幾微秒。雷電波的典型波形為：
　　曲線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四分之一周期，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出線端時，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C和C對電容的比例。在一般情況下，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，因此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，見下圖：圖中UAX是過電壓波加在變壓器兩端的電壓。
　　從圖中可見，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.內部過電壓的產生原因
　　電力系統內部運行方式發生改變而引起的過電壓。有暫態過電壓、操作過電壓和諧振過電壓。
　　暫態過電壓是由于斷路器操作或發生短路故障，使電力系統經歷過渡過程以后重新達到某種暫時穩定的情況下所出現的過電壓，又稱工頻電壓升高。常見的有：①空載長線電容效應（費蘭梯效應）。在工頻電源作用下，由于遠距離空載線路電容效應的積累，使沿線電壓分布不等，末端電壓最高。②不對稱短路接地。三相輸電線路a相短路接地故障時，b、c相上的電壓會升高。③甩負荷過電壓，輸電線路因發生故障而被迫突然甩掉負荷時，由于電源電動勢尚未及時自動調節而引起的過電壓。
　　操作過電壓是由于進行斷路器操作或發生突然短路而引起的衰減較快持續時間較短的過電壓，常見的有：①空載線路合閘和重合閘過電壓；②切除空載線路過電壓；③切斷空載變壓器過電壓；④弧光接地過電壓。
　　諧振過電壓是電力系統中電感、電容等儲能元件在某些接線方式下與電源頻率發生諧振所造成的過電壓。一般按起因分為：①線性諧振過電壓；②鐵磁諧振過電壓；③參量諧振過電壓。
　　現以降壓變壓器空載拉閘為例說明內部電壓產生的原因。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C是并聯的，故對地總電容為C=∑C。
　　由于一次側單位長度上的匝間電容C是串聯的，因此它的匝間總電容為：C=。
　　在電力變壓器中，通常C?垌C，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R時，可得空載拉閘過電壓時的簡化等效電路：
　　其中L是一次繞組的全自感。
　　把空載變壓器從電網上拉閘時，如果空載電流的瞬時值不等于零而是某一數值I，這時相應的外施電壓瞬時值為U。于是在拉閘瞬間，電感L中儲藏的磁場能量為，電容C上儲藏的電場能量為。由于這時變壓器的電路是由電感L和電容C并聯的電路，因此在拉閘瞬間，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U。當不考慮能量損失時，根據能量守恒原理有：CU=Li+CU，故得：U=。
　　上式表明，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3.0—4.5倍。
　　二、變壓器過電壓的危害
　　變壓器設計的絕緣強度一般考慮能承受2.5倍的過電壓。因此超過2.5倍的過電壓，不論哪一種過電壓都有可能使變壓器絕緣損壞。變壓器內部的電壓分布受電壓的頻率和變壓器的電阻、感抗、容抗的影響有很大差異，在工頻電壓情況下容抗是很大的，由它構成的電路相當于斷路，因此正常情況下變壓器內部電壓分布只考慮電阻和電感就可以了，其分布基本均勻。大氣過電壓或操作過電壓基本是沖擊波，由于沖擊波的頻率很高，波前陡度很大，波前時間為1.5μs的沖擊波其頻率相當于160kHz。因此，在過電壓沖擊波的作用下，變壓器容抗很小，對變壓器內部電壓的分布影響很大。沖擊波作用于變壓器繞組時的危害可分成起始瞬間和振蕩過程兩個階段來說明。
　　1.起始瞬間
　　當t=0時，繞組的電容起主要作用，電阻和電感的影響可以忽略不計。當沖擊波一進入高壓繞組，由于有對地電容的存在，繞組每一匝間電容流過的電流不同，起始瞬間的電壓分布使繞組首端幾匝間出現很大的匝間電壓。因此，頭幾匝的線圈間的絕緣受到嚴重威脅，最高的匝間電壓可達額定電壓的50—200倍。
　　2.振蕩過程
　　當t＞0時，從起始電壓分布過渡到最終電壓分布的這個階段，有振蕩現象。在此過程中，起作用的不僅有電容，而且有電感和電阻，在繞組不同的點上將分別在不同時刻出現最大電位（對地電壓）。繞組不同點出現的對地電壓可升到2倍的沖擊波電壓值，繞組對地主絕緣有可能損壞。繞組上的電壓分布均勻與否和繞組對地電容和匝間電容的比值大小有關，比值越小繞組上的電容分布越均勻。
　　三、變壓器過電壓保護
　　
　　變壓器在運行時，難免會發生過電壓現象。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。
　　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，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。”
　　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壓的絕緣配合的規定還有如下內容：
　　（1）相對地絕緣、范圍1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，并選取一定的配合因數K計算，選取設備的額定操作沖擊耐受電壓。
　　（2）選取配合因數K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、試驗條件及其他未知因素。對于雷電沖擊，根據我國情況，一般選取K＞=1.4；對于操作沖擊，一般選取K＞=1.15。
　　結合國家標準的規定，可以計算出6kV變壓器用避雷器的絕緣配合因數值為：
　　K==2?準1.4。
　　同理，10kV變壓器用避雷器的絕緣配合因數值為：
　　K==1.5?準1.4。
　　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.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，我們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，而且加厚絕緣使得散熱困難，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。
　　3.增大匝間電容
　　匝間電容相對于對地電容越大時，電壓的起始分布越均勻，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。
　　四、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。
　　
　　參考文獻：
　　［1］趙玉林.高電壓技術.北京：中國電力出版社，2008.
　　［2］魯鐵成.電力系統過電壓.北京：水利水電出版社，2009.