變壓器過電壓及其保護(hù)的討論

1、變壓器過電壓及其保護(hù)的討論 摘要：針對發(fā)生變壓器的過電壓現(xiàn)象的原因提出對應(yīng)的保護(hù)措施關(guān)鍵詞：變壓器，過電壓原因，保護(hù)措施過電壓是在電力系統(tǒng)特定條件下所出現(xiàn)的超過工作電壓的異常電壓升高現(xiàn)象，屬于電力系統(tǒng)中的一種電磁擾動現(xiàn)象。電力系統(tǒng)中設(shè)備的絕緣長期承受著工作電壓，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(tǒng)安全可靠地運(yùn)行。研究過電壓的起因，預(yù)測幅值，并采取措施加以限制，是確定電力系統(tǒng)絕緣配合的前提，對于電工設(shè)備制造和電力系統(tǒng)運(yùn)行都具有重要意義。變壓器運(yùn)轉(zhuǎn)時，假如電壓超過它的最大工作電壓，稱為變壓器的過電壓。過電壓分為內(nèi)部過電壓和外部過電壓兩種。當(dāng)變壓器遭雷擊或雷云放電時，由電場的激烈

2、變化所引起的過電壓稱為外部過電壓，當(dāng)變壓器或線路上的開關(guān)合閘或拉閘時，因體系中電磁能量震蕩和積聚而發(fā)生的過電壓稱為內(nèi)部過電壓。變壓器的這兩種過電壓都是作用時間短促的瞬變過程。內(nèi)部過電壓一般為額定電壓的3.04.5倍，而外部過電壓數(shù)值很高，可達(dá)額定電壓的812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，必須采用必要的措施，防止過電壓的出現(xiàn)并進(jìn)行有效地保護(hù)。過電壓在變壓器中損壞絕緣油兩種情況，一是將繞組和貼心(或油箱)之間的絕緣，高壓繞組和低壓繞組之間的絕緣(主絕緣)擊穿；另一種是在同一繞組內(nèi)將匝與匝之間或一段繞組和另一段繞組之間的絕緣擊穿。由于過電壓的時間極短，電壓從零上升

3、到最大值再下降到零均在極短的時間內(nèi)完成，所以具有高頻振蕩的特征，其頻率可達(dá)100kHz以上。在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，電網(wǎng)的頻率是50Hz，變壓器的容抗很大，而感抗L很小，因此像這樣忽略電容的反應(yīng)，認(rèn)為電流完整地從繞組內(nèi)部流過。但是，對于高頻過電壓波來說，變壓器的容抗成分很小，而感抗成分很大，這時電流主要從電容流過，因此必須考慮電容的反應(yīng)?？紤]電容影響后，變壓器的分布參數(shù)電路為：CFe-繞組單位長度上的對地電容；C-高低壓繞組之間單位長度上的電容；Ct-繞組單位長度上的匝間電容；L-過電壓時繞組單位長度上的漏電感；R-繞組單位長度上的電阻。下面簡要分析介紹兩種不同類型過電壓發(fā)生的原因：1 內(nèi)部過電壓下面以

4、降壓變壓器空載拉閘為例分析內(nèi)部過電壓發(fā)生的原因。根據(jù)變壓器參數(shù)的換算法可知，把二次側(cè)(低壓側(cè))電容換算到一次側(cè)(高壓側(cè))時，電容換算值為客觀值的(1/K2)倍，因為二次側(cè)電容的反應(yīng)現(xiàn)象忽略不計。這就是說，空載時需忽略二次側(cè)的反應(yīng)。就一次繞組來說，由于單位長度上的對地電容CFe是并聯(lián)的，所以對地總電容為：CFe=CFe 由于一次側(cè)單位長度上的匝間電容Ct是并聯(lián)的，故它的匝間電容Ct=1/(1/Ct)在電力變壓器中，通常CFe>>Ct，因為定性剖析時，匝間電容的反應(yīng)也可忽略不計。當(dāng)再忽略繞組電阻R1時，可得空載拉閘過電壓時的等效電路其中L1是一次繞組的全自感。把空載變壓器從電網(wǎng)上拉閘時

5、，如果空栽電流的瞬時值不等于零而是某一數(shù)值Ia，這時相應(yīng)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(lián)的電路，故在拉閘瞬間，回路內(nèi)將發(fā)生電磁振蕩過程。在振蕩過程中，當(dāng)某一瞬間電流等于零時，此時磁場能量全部轉(zhuǎn)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(dāng)不考慮能量損失時，根據(jù)能量守恒原理有CFeU2cmax= L1i2aCFeU2a故得上式表明，當(dāng)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(tǒng)中，拉閘過

6、電壓通常不超過額定電壓的3.04.5倍。二、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(dāng)輸電線路直接遭受雷擊時，雷云所帶的大量電荷(設(shè)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(xù)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(dāng)過電壓波到達(dá)變壓器出線端時，相當(dāng)于給變壓器加上

7、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，L很大的，1/C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(rèn)為低壓繞組接地?？衫纂姴ㄒu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。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，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?yōu)椴痪鶆?。起始電壓分布很不均勻，靠近輸電線A端的頭幾匝間出現(xiàn)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

8、時最高匝間電壓可能高達(dá)額定電壓的50200倍。三、過電壓保護(hù)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(dāng)?shù)倪^電壓保護(hù)措施，目前主要采用下列措施：1、避雷器保護(hù)。在變壓器的出線端裝設(shè)避雷器，當(dāng)雷電波從輸電線侵入時，避雷器的保護(hù)間隙被擊穿，過電壓波對地放電，這樣雷電波就不會侵入變壓器，從而保護(hù)了變壓器。為使變壓器過電壓保護(hù)效果更佳，避雷器安裝位置必須與變壓器實現(xiàn)零距離。在避雷器選擇上，必須使其伏秒特性的上限低于變壓器伏秒特性下限，避雷器殘壓也必須小于變壓器絕緣耐壓所能允許的程度。其數(shù)值也應(yīng)小于沖擊波的幅值，才能達(dá)到保護(hù)過電壓的效果。2、加強(qiáng)絕緣。除了加強(qiáng)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(qiáng)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(xiàn)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。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(hù)措施。過去常采用加裝靜電板或靜電屏的方法，現(xiàn)在在110kV以上的高壓變壓器上，廣泛采用糾結(jié)式線圈。糾結(jié)式線圈制造工藝簡單，不增加材料，與連續(xù)式線圈相比能顯著增大匝間電容，所以現(xiàn)在高壓大型電力變壓器的高壓繞組大多數(shù)