变压器的过电压现象及其保护措施

变压器的过电压现象及其保护措施1    问题提出    变压器运行时,如果电压超过其最大允许工作电压,称为变压器的过电压。过电压往往对变压器的绝缘有很大的危害,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3.04.5倍,而大气过电压数值很高,可达额定电压的812倍,并且绕组中电压分布极不均匀,进线端头部分线匝承受的电压很高。因此,必须采取必要的措施,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组之间的绝缘击穿。    由于过电压时间极短,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,而感抗L很小,因此可以忽略电容的影响,电流完全从绕组内部流过。2    原因分析    以下简单说明两种不同类型过电压产生的原因:(1)操作过电压    在一般的电网中,使用的绝大多数是降压变压器,下面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,电容折算值很小,因此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,故对地总电容值为:    CFe=CFe''由于一次侧单位长度上的匝间电容Ct''是串联的,故其匝间总电容值为:    Ct=1/(1/Ct'')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。    空载变压器从电网上拉闸时,如果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。于是在拉闸操作瞬间,一次侧电感L1中储藏的磁场能量为1/2(L1Ia2),电容CFe上储藏的电场能量为1/2(CFeUa2)。由于这时变压器的电路是由电感L1和电容CFe并联的电路,故在拉闸操作瞬间,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。    当拉闸操作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,则拉闸操作过电压愈高。电力系统中,操作过电压通常不超过额定电压的3.04.5倍。(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四分之一周期,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,L很大,1/C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,其对地电容很大(即容抗很小),可近似地认为低压绕组接地。当雷电波袭击时,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。在一般情况下,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,靠近输电线端的匝间电容流过的电流最大,愈往后则愈小,随着电压沿绕组高度的分布变为不均匀,起始电压分布更不均匀,靠近输电线端的前几匝间出现很大的电压梯度,因此,在靠近输电线端的前几个线匝里,匝间绝缘受到很大的威胁,这时最高匝间电压可能高达额定电压的50200倍。3    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:(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,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,见表1。” 以6kV、10kV配电系统为例,分别列出保护变压器的金属氧化物避雷器参数如下:    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,试验条件及其他未知因素。对于雷电冲击:根据我国情况,一般取Kc1.4;对于操作冲击:一般取Kc1.15”。    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:Kc=60kV÷30kV=2>1.4同理计算:    10kV变压器用避雷器的绝缘配合因数值:Kc=75kV÷50kV=1.5>1.4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)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。(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。4    结束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，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。