楊雄鈞

（四川樂至供電有限責(zé)任公司，四川 樂至 641500）

前言

在電力系統(tǒng)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(dǎo)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(dāng)變壓器或線路上的開關(guān)合閘或拉閘操作時，因系統(tǒng)中電磁能量振蕩和積聚而產(chǎn)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(shù)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(fā)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(nèi)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(nèi)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(wǎng)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(nèi)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?？紤]電容影響后,變壓器的分布參數(shù)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(chǎn)生的原因分析

1.1.操作過電壓

在一般配電網(wǎng)中，使用的絕大多數(shù)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(chǎn)生的原因。

根據(jù)變壓器參數(shù)的折算法可知,把二次側(cè)(低壓側(cè))電容折算到一次側(cè)(高壓側(cè))時,電容折算值為實際值的(1/K2)倍,所以二次側(cè)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(cè)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(lián)的,故對地總電容為

由于一次側(cè)單位長度上的匝間電容Ct是串聯(lián)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(dāng)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(wǎng)上拉閘時,假如空載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)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(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，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(dāng)過電壓波到達變壓器接線端時，相當(dāng)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?？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。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(dāng)?shù)倪^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(shè)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(dāng)雷電波從輸電線侵入或者在操作過電壓發(fā)生時，避雷器動作，過電壓波對地導(dǎo)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(shè)備的絕緣配合》中對于變壓器的絕緣水平規(guī)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(tǒng)為例，分別列舉出保護變壓器的金屬氧化物避雷器參數(shù)如表1所示。國家標準GB311.1-1997《高壓輸配電設(shè)備的絕緣配合》對于變壓器等設(shè)備的操作過電的絕緣配合的規(guī)定有如下內(nèi)容：

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

"選取配合因數(shù)Kc時應(yīng)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(shè)備生產(chǎn)裝備中的分散性及安裝質(zhì)量；絕緣在預(yù)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(jù)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(shù)

結(jié)合國家標準的規(guī)定，可以計算出如下數(shù)據(jù)：

6kV變壓器用避雷器的絕緣配合因數(shù)值：

同理計算：

10kV變壓器用避雷器的絕緣配合因數(shù)值：

根據(jù)以上計算可以看出，金屬氧化物避雷器的參數(shù)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(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。

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(jié)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(yīng)進行經(jīng)濟上和技術(shù)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(wěn)定運行。

[1]宋志明,主編.繼電保護原理與應(yīng)用[M].中國電力出版社,2007.