浅析电力变压器过电压与防护措施

杨雄钧

（四川乐至供电有限责任公司，四川 乐至 641500）

前言

在电力系统中变压器主要起到升压和降压的作用，其工作原理简单，由于变压器长时间的运行,往往导致电压超过它的最大允许工作电压,即为过电压，这对变压器的绝缘造成很大危害,甚至使绝缘击穿。过电压分为操作过电压和大气过电压两种。输电线路直接遭雷击或雷云放电时，电磁场的剧烈变化所引起的过电压称为大气过电压；当变压器或线路上的开关合闸或拉闸操作时，因系统中电磁能量振荡和积聚而产生的过电压称为操作过电压。变压器的这两种过电压都是作用时间短促的瞬变过程。

操作过电压一般为额定电压的3至4.5倍,而大气过电压数值很高,可达额定电压的8至2倍,并且绕组中电压分布极不均匀,端头部分线匝受到的电压很高。因此,必须采取防范措施,防止过电压的发生和进行有效的保护。

过电压在变压器中破坏绝缘有两种情况,一是将绕组与铁心(或油箱)之间的绝缘高压绕组与低压绕组之间的绝缘 (这些绝缘称为主绝缘)击穿;另一种是在同一绕组内将匝与匝之间或一段绕组与另一段绕之间的绝缘(这些绝缘称为纵绝缘)击穿。

由于过电压的时间极短,电压从零上升到最大值再下降到零均在极短的时间内完成,因而具有高频振荡的特性,其频率可达100kHZ以上。在正常运行时,电网的频率是50HZ,变压器的容抗很大,而感扩ωL很小,因此可以忽略电容的影响,认为电流完全从绕组内部流过。但对高频过电压波来说,变压器的容抗变成很小,而感抗变成很大,此时电流主要由电容流过,所以必须考虑电容的影响。考虑电容影响后,变压器的分布参数电路（见图1）

图1

其中:

CFe-为绕组每单位长度上的对地电容;C'-为高低压绕组之间每单位长度上的电容;Ct-为绕组每单位长度上的匝间电容;L'-为过电压时绕组每单位长度上的漏电感;R'-为绕组每单位长度上的电阻。

1.操作过电压和大气过电压产生的原因分析

1.1.操作过电压

在一般配电网中，使用的绝大多数是降压变压器，下面就以降压变压器空载拉闸操作为例说明操作过电压产生的原因。

根据变压器参数的折算法可知,把二次侧(低压侧)电容折算到一次侧(高压侧)时,电容折算值为实际值的(1/K2)倍,所以二次侧电容的影响可以略去不计。这就是说,空载时可以忽略二次侧的影响。就一次绕组来说,由于每单位长度上的对地电容CFe是并联的,故对地总电容为

由于一次侧单位长度上的匝间电容Ct是串联的,故它的匝间总电容为

在电力变压器中,通常 CFe＞＞Ct,所以定性分析时,匝间电容的影响也可略去不计。当再忽略绕组电阻R1时,可得空载拉闸过电压时的简化等效电路

其中L1是一次绕组的全自感。

把空载变压器从电网上拉闸时,假如空载电流的瞬时值不等于零而是某一数值Ia,这时相应的外施电压瞬时值为Ua。于是在拉闸瞬间,电感L1中储藏的磁场能量为1/2L1i2a,电容CFe上储藏的电场能量为1/2CFeU2a。由于这时变压器的电路是由电感L1和电容CFe并联的电路,故在拉闸瞬间,回路内将发生电磁振荡过程。在振荡过程中,当某一瞬间电流等于零时,此时磁场能量全部转化为电场能量,由电容吸收,电容上的电压便升高到最大值Ucmax。

当拉闸电流和电容上的电压一定时,绕组的电感愈大,对地电容愈小,则拉闸时过电压愈高。电力系统中,拉闸过电压通常不超过额定电压的30～4.5倍。

1.2.大气过电压

大气过电压是输电线路直接遭受雷击或雷云放电时,电磁场的剧烈变化所引起的。当输电线路直接遭受雷击时,雷云所带的大量电荷(设为正电荷)通过放电渠道落到输电线上,大量的自由电荷向输电线路的两端传播，就在输电线上引起冲击过电压，称为雷电过电压。雷电波由零上升到最大值这一段称为波头，下降部分称为波尾。如果把波头所占时间看成是周期波的1/4周期，则雷电波可看成是频率极高的周期性波。这样，当过电压波到达变压器接线端时，相当于给变压器加上了一个频率极高的高电压。这一瞬变过程很快,一开始,由于高频下,ωL 很大的,1/ωC 很小,电流只从高压绕组的匝电容和对地电容中流过。由于低压绕组靠近铁心,它的对地电容很大,(即容抗很小),可近似地认为低压绕组接地。可雷电波袭击时,沿绕组高度上的电压分布取决于匝间电容Ct和对电容CFe的比例。由于两种电容都存在,过电压时,一部分电流由对地电容分流,故每个匝间电容流的电流不相等,上面的匝间电容流过的电流最大愈往下面则愈小,随着电压沿绕组高度的分布变为不均匀,起始电压分布很不均匀,靠近输电线A端的头几匝间出现很大的电压梯度,因此,在头几个线匝里,匝间绝缘和线饼之间的绝缘都受到很大的威胁,这时最高匝间电压可能高达额定电压的50～200倍。

2.过电压防护措施

为了防止变压器绕组绝缘在过电压时被击穿,必须采取适当的过电压保护措施,目前主要采用下列措施:

2.1.避雷器保护

在变压器的高压端装设金属氧化物避雷器，其特点是动作灵敏，残压低，通流容量大，当雷电波从输电线侵入或者在操作过电压发生时，避雷器动作，过电压波对地导通，过电压，这样雷电波就不会侵入变压器，从而保护了变压器。在国家标准GB311.1-1997《高压输配电设备的绝缘配合》中对于变压器的绝缘水平规定为："6kV变压器的短时（1min）工频耐受电压（有效值）为25kV，雷电冲击耐受电压（峰值）为60kV；10kV变压器的短时（1min）工频耐受电压（有效值）为35kV，雷电冲击耐受电压（峰值）为75kV"；

以6kV、10kV配电系统为例，分别列举出保护变压器的金属氧化物避雷器参数如表1所示。国家标准GB311.1-1997《高压输配电设备的绝缘配合》对于变压器等设备的操作过电的绝缘配合的规定有如下内容：

"相对地绝缘，范围I的设备，根据设备上的统计操作过电压水平或者避雷器的操作冲击保护水平和设备的绝缘特性，并取一定的配合因数Kc计算、选取设备的额定操作冲击耐受电压"；

"选取配合因数Kc时应考虑到下列因素:绝缘类型及其特性；性能指标；过电压幅值及分布特性；大气条件；设备生产装备中的分散性及安装质量；绝缘在预期寿命间的老化，试验条件及其它未知因素。对于雷电冲击：根据我国情况，一般取Kc≥1.4；对于操作冲击：一般取Kc≥1.15"。

表1 避雷器参数

结合国家标准的规定，可以计算出如下数据：

6kV变压器用避雷器的绝缘配合因数值：

同理计算：

10kV变压器用避雷器的绝缘配合因数值：

根据以上计算可以看出，金属氧化物避雷器的参数完全可以满足变压器过电压保护的需要。

2.2.加强绝缘

除了加强变压器高压绕组对地绝缘外,针对雷电波作用的特性,还要加强首端及末端部分线匝的绝缘,以承受由于起始电压分布不均匀而出现的较高的匝间电压。这种方法效果有限,而且加厚绝缘使散热困难,同时减少了匝间电容,增大了匝间电压梯度。目前只在35kV及以下的变压器中采用。

2.3.增大匝间电容

匝间电容相对于对地电容愈大时,则电压的起始分布愈均匀,电压梯度越小,因此增加匝间电容是有效的过电压保护措施。

3.结语

造成变压器过电压的原因多种多样,针对不同的过电压,有不同的过电压保护措施。在实际工作中,我们应进行经济上和技术上的全面研究,选择有效的过电压保护措施,确保变压器的安全稳定运行。

[1]宋志明,主编.继电保护原理与应用[M].中国电力出版社,2007.